淺析TD—LTE核心網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

摘 要： 隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，針對(duì)用戶對(duì)業(yè)務(wù)帶寬、傳輸時(shí)延等多方面的需求，新的移動(dòng)通信系統(tǒng)就必須提供更快的傳輸速率、更穩(wěn)定的傳輸過程和更小的傳輸時(shí)延。本文基于TD.LTE技術(shù)基礎(chǔ)，針對(duì)組合式核心網(wǎng)在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題與不足，采用虛擬化技術(shù)，對(duì)組合式核心網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。該系統(tǒng)較組合式核心網(wǎng)具有穩(wěn)定性好、可靠性高、減少硬件投入及運(yùn)維方便等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：LTE 虛擬化 技術(shù)VLAN

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2014）05-0011-02

一、LTE技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著TD.LTE試驗(yàn)網(wǎng)大規(guī)模測(cè)試工作的展開，各種相關(guān)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。在LTE核心網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)理念和應(yīng)用范圍出現(xiàn)了兩種不同的設(shè)計(jì)方法，分別為組合式核心網(wǎng)Combo EPC和分布式核心網(wǎng)Distribute EPC。其中組合式核心網(wǎng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與LTE系統(tǒng)演示中，是一款模擬的核心網(wǎng)設(shè)備。組合式核心網(wǎng)的這一應(yīng)用特點(diǎn)就要求其運(yùn)維方便，能夠在不同的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)快速的搭建核心網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)境，并且需要具有操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。與3G網(wǎng)絡(luò)相比，LTE不論是在系統(tǒng)性能方面，還是在網(wǎng)絡(luò)部署與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，都有明顯的提升，其業(yè)務(wù)支持能力也有了顯著的提高。 LTE中關(guān)鍵技術(shù)主要包括物理層傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兩部分：

1.物理層傳輸技術(shù)

OFDM傳輸，為了充分利用信道資源，我們?cè)谕恍诺乐羞M(jìn)行多路傳輸，稱之為共享信道，而在共享信道中需要采用信道復(fù)用技術(shù)來解決信號(hào)干擾。多路復(fù)用和多址技術(shù)，是對(duì)信道資源的一種分割復(fù)用和對(duì)接受信號(hào)的尋址分離技術(shù)，即在通信系統(tǒng)的發(fā)送端對(duì)信道資源進(jìn)行劃分分割，分配給多路或多用戶，在同一信道中進(jìn)行傳輸；在接收端，需要把接收到的信號(hào)分離開來，恢復(fù)出發(fā)送端發(fā)送的多路或多用戶信號(hào)。作為一種頻分復(fù)用技術(shù)，OFDM是基于正交多載波的，其基本設(shè)計(jì)思路是： 高速串行數(shù)據(jù)流通過進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，把其分割成大量的低速數(shù)據(jù)流，對(duì)各路數(shù)據(jù)分別采用獨(dú)立的載波調(diào)制，疊加后進(jìn)行發(fā)送，接收端再根據(jù)正交載波的特性對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行分離。

2.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LTE網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由演進(jìn)型Node B和接入網(wǎng)關(guān)（MME/SAE GW）組成，演進(jìn)型Node B簡(jiǎn)寫為eNodeB或eNB，與傳統(tǒng)的3G和2G相比，LTE網(wǎng)元減少了RNC節(jié)點(diǎn)，接入網(wǎng)僅由若干eNodeB構(gòu)成，RNC的功能由eNodeB和核心網(wǎng)共同完成，這樣就不用再對(duì)接入節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯集，有效減少網(wǎng)元數(shù)目，使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更趨向于扁平化，不但能夠簡(jiǎn)化部署，還能方便維護(hù)，有效減少設(shè)備成本。LTE這一扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠有效降低整體系統(tǒng)時(shí)延，從而可以開展更多業(yè)務(wù)，改善用戶體驗(yàn)。LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為兩部分，包括演進(jìn)后的接入網(wǎng)E.UTRAN和演進(jìn)后的核心網(wǎng)EPC（Evolved Packet Core）， E.UTRAN和EPC共同構(gòu)成了演進(jìn)分組系統(tǒng)（Evolved Packet System，EPS）。演進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)不再支持電路交換域，完全基于分組交換，傳統(tǒng)語音通信制式網(wǎng)絡(luò)只是給終端用戶提供的服務(wù)。

二、LTE核心網(wǎng)組網(wǎng)研究

1.LTE組合式核心網(wǎng)分析

1.1核心網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀。在運(yùn)營(yíng)商的大力支持及推動(dòng)下，TD.LTE技術(shù)得到了迅速地發(fā)展，國(guó)內(nèi)各大設(shè)備商分別在試點(diǎn)城市進(jìn)行著大規(guī)模外場(chǎng)試驗(yàn)。在TD.LTE網(wǎng)絡(luò)試商用階段，對(duì)核心網(wǎng)EPC的設(shè)計(jì)上，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)理念和應(yīng)用范圍，出現(xiàn)了兩種不同的設(shè)計(jì)方法，分別為組合式核心網(wǎng)Combo EPC和分布式核心網(wǎng)Distribute EPC，本課題通過對(duì)組合式核心網(wǎng)的研究，針對(duì)其設(shè)計(jì)的思想以及在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高組合式核心網(wǎng)的性能及穩(wěn)定性。

1.2組合式核心網(wǎng)系統(tǒng)介紹。在前面章節(jié)中，我們對(duì)核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及各網(wǎng)元功能進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，組合式核心網(wǎng)則是在對(duì)各網(wǎng)元的功能劃分基礎(chǔ)上，通過軟件來模擬各個(gè)網(wǎng)元，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。在硬件設(shè)備上，根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，組合式核心網(wǎng)采用四臺(tái)戴爾公司生產(chǎn)的PowerEdge R300服務(wù)器用來模擬TD.LTE核心網(wǎng)的各個(gè)網(wǎng)元，包括移動(dòng)管理實(shí)體MME、服務(wù)網(wǎng)關(guān)Severing Gateway和PDN Gateway以及歸屬用戶服務(wù)器HSS，使用三層交換機(jī)Omni Switch685 來連通這四臺(tái)服務(wù)器；在軟件設(shè)計(jì)上，以Red Hat Linux服務(wù)器CentOS 5.3作為開發(fā)平臺(tái)。在邏輯結(jié)構(gòu)上，我們把四臺(tái)PowerEdge R300服務(wù)器分別標(biāo)記為Station A、Station C、Station E和Station G，用以區(qū)分各個(gè)服務(wù)器在邏輯上所起的功能。

1.3 組合式核心網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)及邏輯結(jié)構(gòu)。在組合式核心網(wǎng)系統(tǒng)中，定義的StationA、Station C、Station E、Station G分別起到不同的作用，其中，StationA作為整個(gè)核心網(wǎng)系統(tǒng)的引導(dǎo)控制作用利用設(shè)備的處理器來處理系統(tǒng)的交互信息，設(shè)備硬盤則用來承載實(shí)現(xiàn)StationA及Station C、Station E、Station G功能模塊的軟件系統(tǒng)。Station C作為移動(dòng)管理實(shí)體MME網(wǎng)元的物理映射，實(shí)現(xiàn)其相關(guān)功能，與Station C相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)卡Eth2 實(shí)現(xiàn)S1.MME的功能。Station E為歸屬用戶服務(wù)器HSS網(wǎng)元的物理映射。Station G為服務(wù)網(wǎng)關(guān)Serving Gateway和PDN網(wǎng)關(guān)PDN Gateway的物理映射，與Station G相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)卡Ethl實(shí)現(xiàn)sGi的相關(guān)功能，Eth2實(shí)現(xiàn)S1一U的相關(guān)功能。在Station C、Station E和Station G中，系統(tǒng)并未使用設(shè)備的硬盤，而是把各網(wǎng)元依附的系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)安裝在Station A所在的硬盤上，在這三臺(tái)設(shè)備上只使用了設(shè)備的處理器來處理信息。

2. LTE組合式核心網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 LTE組合式核心網(wǎng)系統(tǒng)缺陷。組合式核心網(wǎng)作為L(zhǎng)TE核心網(wǎng)系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方法，不論是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，還是在大規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)中，都得到了廣泛的運(yùn)用，為TD.LTE試驗(yàn)網(wǎng)的發(fā)展 做出了很大的貢獻(xiàn)，隨之而來也產(chǎn)生了一些問題，主要分為以下幾個(gè)方面：

2.1.1組合式核心網(wǎng)系統(tǒng)性能不夠穩(wěn)定，在實(shí)際測(cè)試與應(yīng)用中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)突然崩潰，給實(shí)際的測(cè)試工作帶來了很大的不變。

2.1.2由于我們采用的是四臺(tái)相同的服務(wù)器，根據(jù)組合式核心網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法我們可以看出，系統(tǒng)的資源并未得到充分利用，Station C、Station E和Station G三臺(tái)服務(wù)器僅僅使用了其上的處理器，浪費(fèi)了設(shè)備的硬盤資源。

2.1.3組合式核心網(wǎng)使用四臺(tái)服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)的功能，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程 中，需要對(duì)核心網(wǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)部署，四臺(tái)服務(wù)器的搬運(yùn)與安裝給測(cè)試工作帶來了很大的不便。

2.2 LTE組合式核心網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化。為了提高組合式核心網(wǎng)的系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性，節(jié)約產(chǎn)品成本，方便現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中搬運(yùn)與安裝系統(tǒng)，結(jié)合組合式核心網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)原理，我們對(duì)組合式核心網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使其在實(shí)際測(cè)試中得到更為廣泛的運(yùn)用。優(yōu)化后的組合式核心網(wǎng)我們稱之為緊湊式核心網(wǎng)Compact EPC，它在硬件上只需要一臺(tái)PowerEdge R300服務(wù)器和一臺(tái)三層交換機(jī)Omni Switch 6850，軟件平臺(tái)依然采用Red Hat Linux服務(wù)器CentOS 5.3，采用虛擬化技術(shù)，利用VMware公司生產(chǎn)的一款ESXi服務(wù)器，對(duì)核心網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行移植，在ESXi服務(wù)器上進(jìn)行再開發(fā)。

3.虛擬化技術(shù)和VLAN應(yīng)用

3.1 虛擬化技術(shù)。虛擬化技術(shù)是一種對(duì)資源的重新配置方法，其設(shè)計(jì)思想是對(duì)物理資源從邏輯角度進(jìn)行配置而非傳統(tǒng)的物理角度的配置方法。虛擬化技術(shù)允許具有不同操作系統(tǒng)的多個(gè)虛擬機(jī)在同一物理機(jī)上獨(dú)立并行運(yùn)行。比如說，我們可以把一臺(tái)PC機(jī)，利用虛擬化技術(shù)，對(duì)硬件資源進(jìn)行邏輯配置，使得在用戶看來，就像是有多臺(tái)PC機(jī)，并且每臺(tái)都有自己的CPU、硬盤、內(nèi)存等硬件資源，可以在這些硬件中加載操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。無論實(shí)際采用了什么物理硬件組件， 操作系統(tǒng)都將它們視為一組一致、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件。對(duì)于用戶來說，虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件的分離，用戶只需要在虛擬層環(huán)境上運(yùn)行自己的系統(tǒng)和軟件， 而不需要考慮后臺(tái)的硬件實(shí)現(xiàn)方法。這就使得硬件資源變得透明，讓人感覺硬件與系統(tǒng)和軟件的運(yùn)行分離了。這些虛擬的服務(wù)器工作的時(shí)候是通過模擬的指令集，但實(shí)際執(zhí)行處理任務(wù)的則是服務(wù)器的實(shí)際的指令集，那么虛擬化系統(tǒng)所起的作用就是完成把虛擬的指令集映射到實(shí)際的指令集，完成一個(gè)類似于翻譯和任務(wù)分配的工作。

3.2 服務(wù)器虛擬化技術(shù)。服務(wù)器虛擬化技術(shù)通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，其中一種方式相當(dāng)于分區(qū)，是把一臺(tái)物理服務(wù)器虛擬成若干臺(tái)獨(dú)立的邏輯服務(wù)器，另一種方式則利用整合技術(shù)，把若干個(gè)獨(dú)立的物理服務(wù)器通過虛擬化技術(shù)，虛擬為一個(gè)邏輯服務(wù)器。服務(wù)器虛擬化技術(shù)可以對(duì)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，系統(tǒng)將所有的虛擬服務(wù)器作為一個(gè)整體進(jìn)行統(tǒng)一管理，按需進(jìn)行資源分配，實(shí)現(xiàn)資源合理配置。可以通過可視化界面對(duì)物理服務(wù)器和虛擬機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的管理、部署和維護(hù)等操作。

三、VLAN技術(shù)分析

1.局域網(wǎng)（LⅢ）

局域網(wǎng)（LAN）通常是一個(gè)單獨(dú)的廣播域，主要由Hub、網(wǎng)橋或交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接同一網(wǎng)段內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)形成。處于同一個(gè)局域網(wǎng)之內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信，而處于不同局域網(wǎng)段的設(shè)備之間的通信則必須經(jīng)過路由器才能通信。隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)展，接入設(shè)備逐漸增多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，必須使用更多的路由器才能將不同的用戶劃分到各自的廣播域中，在不同的局域網(wǎng)之間提供網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。但這樣做存在兩個(gè)缺陷： 首先，隨著網(wǎng)絡(luò)中路由器數(shù)量的增多，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延逐漸加長(zhǎng)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度的下降。這主要是因?yàn)閿?shù)據(jù)在從一個(gè)局域網(wǎng)傳遞到另一個(gè)局域網(wǎng)時(shí)，必須經(jīng)過路由器的路由操作：路由器根據(jù)數(shù)據(jù)包中的相應(yīng)信息確定數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址，然后再選擇合適的路徑轉(zhuǎn)發(fā)出去。其次，用戶是按照它們的物理連接被自然地劃分到不同的用戶組（廣播域）中。這種分割方式并不是根據(jù)工作組中所有用戶的共同需要和帶寬的需求來進(jìn)行的。因此，盡管不同的工作組或部門對(duì)帶寬的需求有很大的差異，但它們卻被機(jī)械地劃分到同一個(gè)廣播域中爭(zhēng)用相同的帶寬。

2.虛擬局域網(wǎng)（VLAN）

虛擬局域網(wǎng)VLAN是一組邏輯上的設(shè)備和用戶，這些設(shè)備和用戶并不受物理網(wǎng)段的限制，可以根據(jù)功能、部門及應(yīng)用等因素將它們組織起來，相互之間的通信就好像它們?cè)谕粋€(gè)網(wǎng)段中一樣，由此得名虛擬局域網(wǎng)。VLAN是一種比較新的技術(shù)，工作在OSI參考模型的第2層和第3層，一個(gè)VLAN就是一個(gè)廣播域，VLAN之間的通信是通過第3層的路由器來完成的。與傳統(tǒng)的局域網(wǎng)技術(shù)相比較，VLAN技術(shù)更加靈活，它具有以下優(yōu)勢(shì)：

2.1網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的移動(dòng)、添加和修改的管理開銷減少；

2.2可以控制廣播活動(dòng)；

2.3可提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。

四、總結(jié)

本文闡述了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀及LTE網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，分析了時(shí)下LTE技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃，介紹了我國(guó)在TD.LTE標(biāo)準(zhǔn)制定中做出的貢獻(xiàn)以及我國(guó)的TD.LTE部署現(xiàn)狀。介紹了LTE網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求及所采用的關(guān)鍵技術(shù)，分析了LTE扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)LTE無線接口協(xié)議作了簡(jiǎn)要的介紹。描述了核心網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)組合式核心網(wǎng)系統(tǒng)的原理進(jìn)行分析。對(duì)虛擬化技術(shù)作了詳盡的分析，包括實(shí)現(xiàn)的原理及類型，并對(duì)服務(wù)器虛擬化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)作了簡(jiǎn)要介紹。通過對(duì)核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)接口的研究，

結(jié)合目前組合式核心網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，根據(jù)虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，采用虛擬局域網(wǎng)VLAN設(shè)計(jì)思想，對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行分流以確保系統(tǒng)性能，防止廣播風(fēng)暴帶來的網(wǎng)絡(luò)阻塞，提高系統(tǒng)的安全性。本課題所研究的這套核心網(wǎng)系統(tǒng)雖然已經(jīng)得到廣泛運(yùn)用。

作者簡(jiǎn)介：李波（1976- ）男，陜西耀縣人，現(xiàn)任中國(guó)鐵通陜西分公司副總經(jīng)理，中國(guó)鐵通西安分公司總經(jīng)理，研究方向：無線接入技術(shù)、通信維護(hù)管理等。