TD-LTE演进型分组核心网技术分析(下)

TD-LTE演进型分组核心网技术分析(下)

4EPC接口协议分析虽然EPC网元间接口较多，但所有接口支持的物理层、链路层、网络层协议一样，仅传输层以上协议因端口不同而不同。图2接口协议表中，Ethernet是指物理层和链路层，对应的协议：物理层为PHY，链路层为MAC、RLC和PDCP，网络层为IP，传输层有TCP、UDP和SCTP，高层有GTP和Diameter。IP协议(网络间互联协议)：网络层协议，是TCP/IP系统的核心协议。工作原理是：当网络层收到数据链路层发来的低层数据包后，按照IP协议对低层数据包再次打包，并将该数据包发送到高层传输层；相反，当网络层收到传输层发来的高层数据包后，按照IP协议对该数据开封解包，并将开封的数据包传送到下层链路层。IP协议的一个重要工作是：将链路层发来的数据包中的MAC地址转换成可为传输层识别的IP地址，或者将传输层发来的数据包中的IP地址转换成能为链路层识别的MAC地址。TCP协议(传输控制协议)：是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。采用的是三次握手相互确认的双向机制，提供可靠的连接服务。UDP协议(用户数据包协议)：是一种面向事务的、无连接的、不可靠的、简单的传输层协议。采用的是没有互访的、信息发出后不验证的单向机制，连接的可靠性较差。SCTP协议(流控制传输协议)：是一种面向连接的、兼有TCP及UDP特点的、基于消息流的、复杂的传输层协议。SCTP是TCP的改进版本，但有很大区别，其中最大的区别是SCTP连接可以是多宿主连接，TCP一般是单地址连接，即在进行SCTP建立连接时，双方均可声明若干IP地址(IPv4、Ipv6或主机名)通知对方本端所有地址。若当前连接失效，则协议可切换到另一个地址，而不需要重新建立连接；其次，SCTP是基于消息流的，TCP是基于字节流的。所谓基于消息流是指发送数据和应答数据的最小单位是消息包(chunk)。一个SCTP连接(Association)可同时支持多个流(stream)，每个流包含一系列用户所需消息数据(chunk)。TCP只能支持一个流。SCTP的主要贡献是对多重联外线路的支持，一个端点可以由多于一个IP地址组成，使得传输可在主机间或网卡间做到透明的网络容错备援。GTP协议(GPRS隧道协议)：是专门为GPRS的Gn和Gp接口定义的、主机间端到端通信的高层协议，应用在GPRS骨干网GSN之间，为各个MS建立GTP协议通道，该通道是GSN间的安全通道，两个主机可通过它交换数据。此外，GTP协议还用于GPRS计费数据采集和传输，允许多种协议数据包在UMTS/GPRS等网络上的SGSN之间、SGSN和GGSN之间的传输，功能是为GPRSMS接入外部数据网建立透明的数据传输隧道。GTP分为两部分协议：GTP-C负责隧道的建立、使用、管理和释放，主要包含传送路径管理、隧道管理、位置管理、移动性管理四大类，且用于对传送用户数据的隧道进行管理和控制；GTP-U用于对所有用户数据进行封装并进行隧道传输T-PDU，其路径协议可以采用TCP或UDP，当GTP承载面向连接且可靠性要求高的用户协议时，传输路径选择TCP，当GTP承载无连接且可靠性要求不高的用户协议时，传输路径选择UDP。Diameter协议：是TCP或SCTP协议之上的新一代AAA(验证授权计费)协议，广泛用于IMS和LTE网络中，包括基本协议、NAS(网络接入服务)协议、EAP(可扩展认证)协议、MIP(移动IP)协议、CMS(密码消息语法)协议等。其中的基本协议可为各种认证、授权和计费业务提供安全、可靠、易于扩展的框架，涉及性能协商、消息发送、如何结束等通信问题。基本协议一般不单独使用，往往扩展成新的应用，所有应用和服务的基本功能都是在基础协议中实现，应用特定功能则是由扩展协议在基础协议的基础上扩展后实现。Diameter协议支持移动IP、NAS请求和移动代理的认证、授权及计费工作，协议的实现和RADIUS(RemoteAuthenticationDialInUserService，远程用户拨号认证服务)类似，采用TCP协议，支持分布式计费，克服了RADIUS的许多缺点，是最适合移动通信系统的AAA协议。UDP、TCP、SCTP的区别：三者同为传输层协议，但又有区别。SCTP制定以前，在IP网上传输七号信令只能用UDP和TCP。UDP是一种无连接，无法满足七号信令对传输质量的要求；TCP是一种有连接，满足信令的可靠性，但却存在行头阻塞、实时性差、支持多归属困难、易受拒绝服务攻击(Dos)等缺陷；SCTP对TCP的缺陷进行了完善。从可靠程度分析，UDP没有确认机制而不可靠，TCP有三次握手确认机制而可靠，SCTP有四次确认机制而非常可靠；从安全程度分析，UDP没有任何保护措施而不安全，TCP有部分保护措施而安全，SCTP特意针对TCP安全缺陷和不足作了改进而很安全；从数据传输速度上分析；UDP无连接、传输控制步骤少、没有等待且非常快，TCP有三次握手和安全保护措施而较慢，SCTP有四次确认、安全措施复杂、处理步骤流程繁琐而非常慢。TCP一般只用于系统内部模块或网元间的通讯。5EPC在TD-LTE中的应用示例EPC是TD-LTE的核心网，因位于接入网和业务网之间，UE的任何工作都与它有关。EPC是由多个职能不同的网元组成的网络，最重要的两个是MME池和SAE-GW池，因UE的许多活动都与这两个网元联系。下面以“永远在线”、“业务请求”、“寻呼”和“切换”四种情况为例，简单地分析EPC各网元间的工作流程。(1)UE永远在线(UE附着)其过程是：首先UE发送附着消息给MME，MME通过HSS对UE身份验证、授权和签约进行网络注册；然后MME发送创建默认承载消息给S-GW，S-GW把创建默认消息转发给P-GW，P-GW为新会话建立向PCRF申请策略，安装必要的过滤器SDF，并将UE锚定在P-GW上；最后建立UE至P-GW间的“永远在线”的IP连接(见图3-A)。(2)UE业务请求EPC支持两种业务请求：UE发给MME要求业务接入的业务请求、P-GW接到DL数据包时由网络对注册UE发起的业务请求。前者过程是：UE发送NAS业务请求信令给MME，MME发送更新S1承载请求给S-GW，在申请PCRF策略和计费后，PCRF触发专有承载建立，完成UE业务请求。该业务请求是UE已经在线，只是锚点从P-GW延长到运营商业务网(见图3-B)(3)UE寻呼处于空闲状态的UE，当下行数据到达EPC时，数据终结在S-GW，此时S-GW发起寻呼。其过程是：S-GW向MME发出下行数据通知，S-GW开始缓存下行数据包，MME向UE注册的TA列表内所有eNodeB发出寻呼消息，要求eNodeB在其覆盖范围内寻呼UE，收到寻呼后，UE发起业务请求流程，重建无线的S1-U承载，建立UE与S-GW的连接，并清空S-GW缓存(见图3-C)。(4)UE切换同网切换时，切换由UE和eNodeB控制。根据UE上报测量结果，源eNodeB通过X2协调切换(向目标eNodeB发送切换请求，根据目标eNodeB反馈指示UE重配置RRC连接)，切换中用户数据从源eNodeB转发到目标eNodeB。当收到UE重配置RRC成功消息后，目标eNodeB通过S1-MME向MME发送路径切换请求。MME通过S11发更新请求给S-GW，把下行承载路径切换到目标eNodeB，完成切换(见图3-D)。图3EPC网元的应用示例6总结在EPC的所有网元中，MME池和SAE-GW池最重要，以至于许多资料在EPC中仅标出这两个网元，从上文的四个应用示例也可得到印证。其实，作为TD-LTE系统核心网EPC中的每个网元都担负了其中的一份责任，它们既各职其事又彼此协调，才保证了TD-LTE系统的正常运营。但若从管理、维护和优化的角度来分析，应该对EPC各网元在认识上有所侧重。首先，从EPC接口协议上看，Diameter仅应用在S6a、S9、Gx、Rx接口，这是因为归属签约用户服务HSS负责用户身份验证、授权和签约，PCRF网元负责策略和计费。如果EPC系统出现身份验证、授权和签约等方面问题，可将重点放在HSS网元和S6a接口；如果是策略和计费等方面有问题，重点当然是PCRF网元和S9、Gx、Rx接口。同时，SCTP也是应用在S1-MME、S6a、S9接口，同样因为MME是EPC核心网唯一控制平面网元，主要负责无线接入承载控制、接口专用操作维护。显然，从接口应用协议就可以对系统今后可能出现什么问题有一个初步的估计，这是工程技术人员从技术层面分析问题的主要方法之一。其次，从图3的四个应用来看，不同的应用中，除了MME和S-GW都工作外，其他网元的工作情况完全视其应用而定。由于TD-LTE的永远在线，一旦建立在线，某些网元是可休息的。此外，不同的工作情况，UE附着的锚点是不同的，工作流程所经过的网元也不同。但不管怎样，EPC中MME和S-GW两个网元的使用率是最高的，因此要把EPC中维护的重点放在这两个网元上。总之，只有全面了解所有网元的工作职能、对应的接口、支持的协议，才能使相关人员在建设、管理、维护和优化TD-LTE网络时做到得心应手、事半功倍。张长青：高级工程师，硕士毕