輕量級LTE核心網(wǎng)技術(shù)

吳志斌　周昌盛　高奇

【摘 要】

介紹一種輕量級的LTE核心網(wǎng)技術(shù)，可在有限的計(jì)算資源下實(shí)現(xiàn)LTE核心網(wǎng)主要功能，包括MME、S-GW、P-GW的功能，完成eNodeB的接入、漫游、切換以及用戶的鑒權(quán)認(rèn)證。描述了輕量級LTE核心網(wǎng)的主要技術(shù)性能測試，為能采用較少資源實(shí)現(xiàn)LTE核心網(wǎng)技術(shù)提供了參考。

【關(guān)鍵詞】

輕量級 LTE核心網(wǎng) EPC MME S-GW P-GW 合設(shè)網(wǎng)關(guān)

1 概述

近幾年LTE技術(shù)已逐步發(fā)展成熟，今年初中國移動正式開通了TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，代表著4G LTE技術(shù)真正開始商用。由于LTE技術(shù)采用寬帶OFDM傳輸技術(shù)，其特點(diǎn)是頻譜利用率較高，但代價(jià)是在高速傳輸時(shí)距離相應(yīng)變短。因此，在室內(nèi)或偏遠(yuǎn)地區(qū)如果要達(dá)到較好的使用效果將會采用微基站或微微基站的部署方式，這就需要采用成本低、體積小、功耗低的輕量級LTE核心網(wǎng)技術(shù)。輕量級LTE核心網(wǎng)技術(shù)是指采用較少的資源實(shí)現(xiàn)LTE核心網(wǎng)功能的技術(shù)，如在一塊CPU單板上實(shí)現(xiàn)所有EPC網(wǎng)元的功能。

2 LTE核心網(wǎng)（EPC）簡介

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

EPC網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括移動性管理設(shè)備（MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）、PDN網(wǎng)關(guān)（P-GW）、服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）、歸屬簽約用戶服務(wù)器（HSS）以及策略和計(jì)費(fèi)控制單元（PCRF）等。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，其中S-GW和P-GW可以合設(shè)，也可以分設(shè)。

2.2 移動性管理實(shí)體MME

MME（Mobility Management Entity），作為核心控制面節(jié)點(diǎn)為LTE網(wǎng)絡(luò)提供必須的安全功能（對LTE用戶的鑒權(quán)認(rèn)證和NAS信令保護(hù)等）、移動性管理功能（在LTE網(wǎng)絡(luò)內(nèi)跟蹤位置更新，切換等），并執(zhí)行會話和承載控制，幫助LTE用戶在eNodeB、S-GW和P-GW用戶面節(jié)點(diǎn)上建立起會話并承載上下文。

2.3 服務(wù)網(wǎng)關(guān)S-GW

S-GW（Serving Gateway），作為連接eNodeB的用戶面節(jié)點(diǎn)，提供到eNodeB的用戶面接口S1-U，負(fù)責(zé)LTE用戶上下行報(bào)文在eNodeB和PGW之間路由和轉(zhuǎn)發(fā)。在發(fā)生eNodeB切換時(shí)，S-GW需要作為本地錨點(diǎn)，對處于空閑模式的LTE終端提供下行數(shù)據(jù)緩存并觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)側(cè)Service Request流程。

2.4 分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)P-GW

P-GW（PDN Gateway），作為連接PDN網(wǎng)絡(luò)的用戶面節(jié)點(diǎn)，提供EPC到PDN網(wǎng)絡(luò)的用戶面參考點(diǎn)SGi，負(fù)責(zé)上下文報(bào)文在EPC和PDN網(wǎng)絡(luò)之間路由和轉(zhuǎn)發(fā)。除了為LTE用戶分配對應(yīng)PDN網(wǎng)絡(luò)的IP地址、進(jìn)行上行和下行的承載綁定和路由轉(zhuǎn)發(fā)等基本功能外，P-GW還需要提供部分基于用戶面的安全功能（源地址檢查、上行承載綁定驗(yàn)證）、QoS功能（non-GBR的基于AMBR的下行速率控制，GBR的基于MBR的下行速率控制）和策略控制功能。

2.5 策略控制資源網(wǎng)關(guān)

PCRF終結(jié)于Rx接口和Gx接口，提供基于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的QoS控制、門控和計(jì)費(fèi)控制等功能。

2.6 歸屬用戶服務(wù)器

HSS是一個存儲用戶和相關(guān)服務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，保存歸屬網(wǎng)絡(luò)中IMS/EPC用戶的簽約信息（包括基本標(biāo)識、路由信息以及業(yè)務(wù)簽約信息等）的綜合數(shù)據(jù)庫；同時(shí)HSS還提供用戶鑒權(quán)和位置信息管理等功能。

3 輕量級LTE核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 操作系統(tǒng)輕量化技術(shù)

電信級Linux（CGL，Carrier Grade Linux）是開放源代碼發(fā)展實(shí)驗(yàn)室（OSDL，Open Source Development Labs）發(fā)布的一個電信運(yùn)營級Linux規(guī)范。該規(guī)范包括一系列的技術(shù)要求和建議標(biāo)準(zhǔn)，其中明確規(guī)定了符合電信級客戶需求的操作系統(tǒng)和應(yīng)用特性，Linux企業(yè)可以根據(jù)這些規(guī)范保證自己的Linux產(chǎn)品能夠被電信運(yùn)營商所采用。

輕量級核心網(wǎng)采用開源Linux操作系統(tǒng)，并遵循CGL4.0部分規(guī)范，主要從下面3個方向進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化：

優(yōu)化后的操作系統(tǒng)大小為原系統(tǒng)的30%，運(yùn)行速度提升了3倍。

（1）BASE Service（系統(tǒng)基礎(chǔ)服務(wù)）

BASE Service（系統(tǒng)基礎(chǔ)服務(wù)）模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的大部分基礎(chǔ)服務(wù)。它是基于CGL規(guī)范，為滿足上層業(yè)務(wù)應(yīng)用需求而進(jìn)行開發(fā)的基礎(chǔ)模塊，主要有以下3部分：

1）系統(tǒng)啟動（Autoboot）

GRUB/U-boot等bootloader軟件支持，實(shí)現(xiàn)內(nèi)核的自動加載，啟動參數(shù)的配置。

Rootfs（根文件系統(tǒng)）：initramfs和base_os。

優(yōu)化的方法主要包括：根據(jù)系統(tǒng)使用要求精心剪裁，刪除不必要的組件，優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)程，構(gòu)建在內(nèi)存上的根文件系統(tǒng)，從而保證運(yùn)行速度快，系統(tǒng)干凈可控。

2）系統(tǒng)腳本配置和平臺服務(wù)啟動

根據(jù)LTE系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程，定制靈活的平臺服務(wù)框架。進(jìn)程異常退出后可自動重啟，應(yīng)用程序可靈活加載并自啟動。

3）文件系統(tǒng)（FS Management）

采用XFS或EXT3文件系統(tǒng)，按邏輯分區(qū)管理，日志文件可通過NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）保存到遠(yuǎn)程主機(jī)，減少系統(tǒng)存儲要求。

（2）OAM（操作管理維護(hù)）

操作管理維護(hù)（OAM，Operation Administration and Maintenance）模塊一般包含以下4個部分：

1）配置管理（CM，Configure Management）：提供配置模型管理、配置命令執(zhí)行、配置數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)管系統(tǒng)互操作等功能；

2）性能管理（PM，Performance Management）：提供性能模型管理、性能任務(wù)管理、性能數(shù)據(jù)收集、采集、上報(bào)、閥值告警等功能；endprint

3）告警管理（FM，F(xiàn)ault Management）：提供告警模型管理，告警、安全日志、客戶日志生成及上報(bào)等功能；

4）北向接口（Northbound Interface）：本系統(tǒng)中北向接口模塊采用SNMP協(xié)議來傳輸網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了與網(wǎng)管中心NMS/EMS的連接和訪問。

通過OAM與網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)開通和維護(hù)的復(fù)雜度。

3.2 網(wǎng)關(guān)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

網(wǎng)關(guān)一體化設(shè)計(jì)是將S-GW、P-GW深度融合在一起，在系統(tǒng)加載時(shí)只需要啟動一個融合GW網(wǎng)元模塊，就可以同時(shí)提供獨(dú)立S-GW、PDN-GW和融合GW等邏輯網(wǎng)元功能。GW一體化設(shè)計(jì)使不同的邏輯網(wǎng)元共享系統(tǒng)資源管理、會話控制功能和用戶面邏輯處理，節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)存資源和計(jì)算資源的開銷，最大程度的實(shí)現(xiàn)軟件代碼重用。網(wǎng)關(guān)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

網(wǎng)關(guān)一體化技術(shù)提供S-GW、P-GW和融合GW的智能化自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)會話請求消息決定當(dāng)前承擔(dān)的角色：

（1）大部分場景下，網(wǎng)關(guān)提供融合GW功能，數(shù)據(jù)在核心網(wǎng)內(nèi)只有一跳的處理，數(shù)據(jù)流參考圖2的業(yè)務(wù)流1。

（2）在切換場景下，當(dāng)S-GW發(fā)生改變時(shí)，歸屬地網(wǎng)關(guān)將更改角色為P-GW，打開與S-GW的S5接口功能，歸屬地網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)流參考上圖的業(yè)務(wù)流2。訪問地網(wǎng)關(guān)將提供S-GW角色，打開與歸屬地P-GW的S5接口，訪問地網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)流參考上圖的業(yè)務(wù)流3。

綜上所述，除了S-GW改變的切換場景，絕大部分場景下的網(wǎng)關(guān)信令只需要經(jīng)過一次處理，不用分別經(jīng)過S-GW和P-GW邏輯網(wǎng)元的處理，從而降低了會話建立時(shí)延；而用戶數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)在EPC內(nèi)部只有一跳，用戶數(shù)據(jù)包不用在邏輯網(wǎng)元S-GW、P-GW間轉(zhuǎn)發(fā)，降低了數(shù)據(jù)處理時(shí)延。

3.3 快速數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

如何在有限的CPU計(jì)算資源條件下盡可能的提升系統(tǒng)吞吐率，這是決定輕量級LTE核心網(wǎng)能否推向市場的關(guān)鍵問題之一。

英特爾專門針對Intel X86架構(gòu)處理器開發(fā)了一個數(shù)據(jù)面開發(fā)套件DPDK，它是一個輕量級運(yùn)行環(huán)境，提供了低功耗和Run-to-Completion（RTC，運(yùn)行到完成）模式，以此最大限度的提升數(shù)據(jù)包的處理和轉(zhuǎn)發(fā)性能。此外DPDK不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的處理應(yīng)用和控制功能，還可以實(shí)現(xiàn)智能和高效的數(shù)據(jù)包處理與轉(zhuǎn)發(fā)。

Intel CPU+DPDK的使用比較靈活，典型使用模式有2種：

第1種是一個核運(yùn)行Linux系統(tǒng)，用于啟動和管理其它核，同時(shí)可以運(yùn)行控制面服務(wù)，其它核運(yùn)行數(shù)據(jù)面的處理與轉(zhuǎn)發(fā)程序。這種是典型模式，其中多個處理器還可以一起使用達(dá)到所需的處理能力。

第2種是所有的核都運(yùn)行在linux系統(tǒng)下面，在系統(tǒng)中啟動數(shù)據(jù)面的服務(wù)線程。這種模式對于處理和轉(zhuǎn)發(fā)性能要求不是非常高時(shí)比較實(shí)用，其開發(fā)和使用也相對簡單。

跟傳統(tǒng)Linux系統(tǒng)比較，采用Intel CPU+DPDK技術(shù)后，數(shù)據(jù)包的處理與轉(zhuǎn)發(fā)能力提升約6～10倍。性能提升的原因主要是由于DPDK采用如下5點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)：

4 輕量級LTE核心網(wǎng)主要性能測試

4.1 測試場景

測試環(huán)境網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

輕量級LTE核心網(wǎng)EPC模塊包含MME和SAE-GW兩個邏輯網(wǎng)元，軟件運(yùn)行在控創(chuàng)COMe卡（i7-3555LE雙核4線程，2.5GHz，內(nèi)存8GB）。

思博倫的Landslide測試工具模擬終端、基站、HSS和服務(wù)器等網(wǎng)元，思博倫的Abacus5000模擬了多種用戶終端，測試工具和被測設(shè)備通過千兆交換機(jī)相連。

4.2 測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室性能測試結(jié)果如表1所示：

表1 實(shí)驗(yàn)室性能測試結(jié)果

該測試結(jié)果是在沒有對核心網(wǎng)軟件優(yōu)化的情況下，采用業(yè)界專業(yè)的測試工具對輕量級LTE核心網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行壓力測試所得，在線用戶數(shù)達(dá)到10 000用戶，系統(tǒng)吞吐量方面，設(shè)置單用戶的速率為2Mbps，包長為512KB，在不丟包的情況下，吞吐量可支持到600Mbps，另外可支持100用戶/秒的接入速率，系統(tǒng)的平均CPU使用率在70%以下。

通過算法優(yōu)化和多核部署后系統(tǒng)性能會有更進(jìn)一步的提升，系統(tǒng)優(yōu)化之后同時(shí)在線用戶數(shù)可達(dá)10萬，吞吐量可達(dá)1Gbps以上，并發(fā)用戶數(shù)可達(dá)180用戶/秒以上。

因此輕量級LTE核心網(wǎng)能滿足企業(yè)專網(wǎng)等特定用戶群體或者特定場景的部署需求。

5 結(jié)束語

輕量級LTE核心網(wǎng)技術(shù)在單板計(jì)算機(jī)模塊上實(shí)現(xiàn)了LTE核心網(wǎng)的主要功能，保證了一定的系統(tǒng)性能，大大降低了LTE核心網(wǎng)的部署成本，解決了系統(tǒng)的小型化和低功耗的難題，可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)覆蓋、企業(yè)專網(wǎng)、城市應(yīng)急和反恐救災(zāi)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPP TS 23.003 v9.11.0. Numbering addressing and identification[S]. 2012.

[2] 3GPP TS 23.401 v9.13.0. General Packet Radio Service （GPRS） Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） Access[S]. 2012.

[3] 3GPP TS 29.274 v9.11.0. Evolved General Packet Radio Service （GPRS） Tunneling Protocol for Control Plane （GTPv2-C）[S]. 2012.

[4] 3GPP TS 29.281 v9.3.0. General Packet Radio System （GPRS） Tunneling Protocol User Plane（GTPv1-U）[S]. 2009.

[5] Carrier Grade Linux Requirements Definition Overview v4.0[S]. 2007.endprint

3）告警管理（FM，F(xiàn)ault Management）：提供告警模型管理，告警、安全日志、客戶日志生成及上報(bào)等功能；

4）北向接口（Northbound Interface）：本系統(tǒng)中北向接口模塊采用SNMP協(xié)議來傳輸網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了與網(wǎng)管中心NMS/EMS的連接和訪問。

通過OAM與網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)開通和維護(hù)的復(fù)雜度。

3.2 網(wǎng)關(guān)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

網(wǎng)關(guān)一體化設(shè)計(jì)是將S-GW、P-GW深度融合在一起，在系統(tǒng)加載時(shí)只需要啟動一個融合GW網(wǎng)元模塊，就可以同時(shí)提供獨(dú)立S-GW、PDN-GW和融合GW等邏輯網(wǎng)元功能。GW一體化設(shè)計(jì)使不同的邏輯網(wǎng)元共享系統(tǒng)資源管理、會話控制功能和用戶面邏輯處理，節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)存資源和計(jì)算資源的開銷，最大程度的實(shí)現(xiàn)軟件代碼重用。網(wǎng)關(guān)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

網(wǎng)關(guān)一體化技術(shù)提供S-GW、P-GW和融合GW的智能化自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)會話請求消息決定當(dāng)前承擔(dān)的角色：

（1）大部分場景下，網(wǎng)關(guān)提供融合GW功能，數(shù)據(jù)在核心網(wǎng)內(nèi)只有一跳的處理，數(shù)據(jù)流參考圖2的業(yè)務(wù)流1。

（2）在切換場景下，當(dāng)S-GW發(fā)生改變時(shí)，歸屬地網(wǎng)關(guān)將更改角色為P-GW，打開與S-GW的S5接口功能，歸屬地網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)流參考上圖的業(yè)務(wù)流2。訪問地網(wǎng)關(guān)將提供S-GW角色，打開與歸屬地P-GW的S5接口，訪問地網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)流參考上圖的業(yè)務(wù)流3。

綜上所述，除了S-GW改變的切換場景，絕大部分場景下的網(wǎng)關(guān)信令只需要經(jīng)過一次處理，不用分別經(jīng)過S-GW和P-GW邏輯網(wǎng)元的處理，從而降低了會話建立時(shí)延；而用戶數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)在EPC內(nèi)部只有一跳，用戶數(shù)據(jù)包不用在邏輯網(wǎng)元S-GW、P-GW間轉(zhuǎn)發(fā)，降低了數(shù)據(jù)處理時(shí)延。

3.3 快速數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

如何在有限的CPU計(jì)算資源條件下盡可能的提升系統(tǒng)吞吐率，這是決定輕量級LTE核心網(wǎng)能否推向市場的關(guān)鍵問題之一。

英特爾專門針對Intel X86架構(gòu)處理器開發(fā)了一個數(shù)據(jù)面開發(fā)套件DPDK，它是一個輕量級運(yùn)行環(huán)境，提供了低功耗和Run-to-Completion（RTC，運(yùn)行到完成）模式，以此最大限度的提升數(shù)據(jù)包的處理和轉(zhuǎn)發(fā)性能。此外DPDK不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的處理應(yīng)用和控制功能，還可以實(shí)現(xiàn)智能和高效的數(shù)據(jù)包處理與轉(zhuǎn)發(fā)。

Intel CPU+DPDK的使用比較靈活，典型使用模式有2種：

第1種是一個核運(yùn)行Linux系統(tǒng)，用于啟動和管理其它核，同時(shí)可以運(yùn)行控制面服務(wù)，其它核運(yùn)行數(shù)據(jù)面的處理與轉(zhuǎn)發(fā)程序。這種是典型模式，其中多個處理器還可以一起使用達(dá)到所需的處理能力。

第2種是所有的核都運(yùn)行在linux系統(tǒng)下面，在系統(tǒng)中啟動數(shù)據(jù)面的服務(wù)線程。這種模式對于處理和轉(zhuǎn)發(fā)性能要求不是非常高時(shí)比較實(shí)用，其開發(fā)和使用也相對簡單。

跟傳統(tǒng)Linux系統(tǒng)比較，采用Intel CPU+DPDK技術(shù)后，數(shù)據(jù)包的處理與轉(zhuǎn)發(fā)能力提升約6～10倍。性能提升的原因主要是由于DPDK采用如下5點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)：

4 輕量級LTE核心網(wǎng)主要性能測試

4.1 測試場景

測試環(huán)境網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

輕量級LTE核心網(wǎng)EPC模塊包含MME和SAE-GW兩個邏輯網(wǎng)元，軟件運(yùn)行在控創(chuàng)COMe卡（i7-3555LE雙核4線程，2.5GHz，內(nèi)存8GB）。

思博倫的Landslide測試工具模擬終端、基站、HSS和服務(wù)器等網(wǎng)元，思博倫的Abacus5000模擬了多種用戶終端，測試工具和被測設(shè)備通過千兆交換機(jī)相連。

4.2 測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室性能測試結(jié)果如表1所示：

表1 實(shí)驗(yàn)室性能測試結(jié)果

該測試結(jié)果是在沒有對核心網(wǎng)軟件優(yōu)化的情況下，采用業(yè)界專業(yè)的測試工具對輕量級LTE核心網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行壓力測試所得，在線用戶數(shù)達(dá)到10 000用戶，系統(tǒng)吞吐量方面，設(shè)置單用戶的速率為2Mbps，包長為512KB，在不丟包的情況下，吞吐量可支持到600Mbps，另外可支持100用戶/秒的接入速率，系統(tǒng)的平均CPU使用率在70%以下。

通過算法優(yōu)化和多核部署后系統(tǒng)性能會有更進(jìn)一步的提升，系統(tǒng)優(yōu)化之后同時(shí)在線用戶數(shù)可達(dá)10萬，吞吐量可達(dá)1Gbps以上，并發(fā)用戶數(shù)可達(dá)180用戶/秒以上。

因此輕量級LTE核心網(wǎng)能滿足企業(yè)專網(wǎng)等特定用戶群體或者特定場景的部署需求。

5 結(jié)束語

輕量級LTE核心網(wǎng)技術(shù)在單板計(jì)算機(jī)模塊上實(shí)現(xiàn)了LTE核心網(wǎng)的主要功能，保證了一定的系統(tǒng)性能，大大降低了LTE核心網(wǎng)的部署成本，解決了系統(tǒng)的小型化和低功耗的難題，可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)覆蓋、企業(yè)專網(wǎng)、城市應(yīng)急和反恐救災(zāi)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPP TS 23.003 v9.11.0. Numbering addressing and identification[S]. 2012.

[2] 3GPP TS 23.401 v9.13.0. General Packet Radio Service （GPRS） Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） Access[S]. 2012.

[3] 3GPP TS 29.274 v9.11.0. Evolved General Packet Radio Service （GPRS） Tunneling Protocol for Control Plane （GTPv2-C）[S]. 2012.

[4] 3GPP TS 29.281 v9.3.0. General Packet Radio System （GPRS） Tunneling Protocol User Plane（GTPv1-U）[S]. 2009.

[5] Carrier Grade Linux Requirements Definition Overview v4.0[S]. 2007.endprint

3）告警管理（FM，F(xiàn)ault Management）：提供告警模型管理，告警、安全日志、客戶日志生成及上報(bào)等功能；

4）北向接口（Northbound Interface）：本系統(tǒng)中北向接口模塊采用SNMP協(xié)議來傳輸網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了與網(wǎng)管中心NMS/EMS的連接和訪問。

通過OAM與網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)開通和維護(hù)的復(fù)雜度。

3.2 網(wǎng)關(guān)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

網(wǎng)關(guān)一體化設(shè)計(jì)是將S-GW、P-GW深度融合在一起，在系統(tǒng)加載時(shí)只需要啟動一個融合GW網(wǎng)元模塊，就可以同時(shí)提供獨(dú)立S-GW、PDN-GW和融合GW等邏輯網(wǎng)元功能。GW一體化設(shè)計(jì)使不同的邏輯網(wǎng)元共享系統(tǒng)資源管理、會話控制功能和用戶面邏輯處理，節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)存資源和計(jì)算資源的開銷，最大程度的實(shí)現(xiàn)軟件代碼重用。網(wǎng)關(guān)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

網(wǎng)關(guān)一體化技術(shù)提供S-GW、P-GW和融合GW的智能化自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)會話請求消息決定當(dāng)前承擔(dān)的角色：

（1）大部分場景下，網(wǎng)關(guān)提供融合GW功能，數(shù)據(jù)在核心網(wǎng)內(nèi)只有一跳的處理，數(shù)據(jù)流參考圖2的業(yè)務(wù)流1。

（2）在切換場景下，當(dāng)S-GW發(fā)生改變時(shí)，歸屬地網(wǎng)關(guān)將更改角色為P-GW，打開與S-GW的S5接口功能，歸屬地網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)流參考上圖的業(yè)務(wù)流2。訪問地網(wǎng)關(guān)將提供S-GW角色，打開與歸屬地P-GW的S5接口，訪問地網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)流參考上圖的業(yè)務(wù)流3。

綜上所述，除了S-GW改變的切換場景，絕大部分場景下的網(wǎng)關(guān)信令只需要經(jīng)過一次處理，不用分別經(jīng)過S-GW和P-GW邏輯網(wǎng)元的處理，從而降低了會話建立時(shí)延；而用戶數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)在EPC內(nèi)部只有一跳，用戶數(shù)據(jù)包不用在邏輯網(wǎng)元S-GW、P-GW間轉(zhuǎn)發(fā)，降低了數(shù)據(jù)處理時(shí)延。

3.3 快速數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

如何在有限的CPU計(jì)算資源條件下盡可能的提升系統(tǒng)吞吐率，這是決定輕量級LTE核心網(wǎng)能否推向市場的關(guān)鍵問題之一。

英特爾專門針對Intel X86架構(gòu)處理器開發(fā)了一個數(shù)據(jù)面開發(fā)套件DPDK，它是一個輕量級運(yùn)行環(huán)境，提供了低功耗和Run-to-Completion（RTC，運(yùn)行到完成）模式，以此最大限度的提升數(shù)據(jù)包的處理和轉(zhuǎn)發(fā)性能。此外DPDK不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的處理應(yīng)用和控制功能，還可以實(shí)現(xiàn)智能和高效的數(shù)據(jù)包處理與轉(zhuǎn)發(fā)。

Intel CPU+DPDK的使用比較靈活，典型使用模式有2種：

第1種是一個核運(yùn)行Linux系統(tǒng)，用于啟動和管理其它核，同時(shí)可以運(yùn)行控制面服務(wù)，其它核運(yùn)行數(shù)據(jù)面的處理與轉(zhuǎn)發(fā)程序。這種是典型模式，其中多個處理器還可以一起使用達(dá)到所需的處理能力。

第2種是所有的核都運(yùn)行在linux系統(tǒng)下面，在系統(tǒng)中啟動數(shù)據(jù)面的服務(wù)線程。這種模式對于處理和轉(zhuǎn)發(fā)性能要求不是非常高時(shí)比較實(shí)用，其開發(fā)和使用也相對簡單。

跟傳統(tǒng)Linux系統(tǒng)比較，采用Intel CPU+DPDK技術(shù)后，數(shù)據(jù)包的處理與轉(zhuǎn)發(fā)能力提升約6～10倍。性能提升的原因主要是由于DPDK采用如下5點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)：

4 輕量級LTE核心網(wǎng)主要性能測試

4.1 測試場景

測試環(huán)境網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

輕量級LTE核心網(wǎng)EPC模塊包含MME和SAE-GW兩個邏輯網(wǎng)元，軟件運(yùn)行在控創(chuàng)COMe卡（i7-3555LE雙核4線程，2.5GHz，內(nèi)存8GB）。

思博倫的Landslide測試工具模擬終端、基站、HSS和服務(wù)器等網(wǎng)元，思博倫的Abacus5000模擬了多種用戶終端，測試工具和被測設(shè)備通過千兆交換機(jī)相連。

4.2 測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室性能測試結(jié)果如表1所示：

表1 實(shí)驗(yàn)室性能測試結(jié)果

該測試結(jié)果是在沒有對核心網(wǎng)軟件優(yōu)化的情況下，采用業(yè)界專業(yè)的測試工具對輕量級LTE核心網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行壓力測試所得，在線用戶數(shù)達(dá)到10 000用戶，系統(tǒng)吞吐量方面，設(shè)置單用戶的速率為2Mbps，包長為512KB，在不丟包的情況下，吞吐量可支持到600Mbps，另外可支持100用戶/秒的接入速率，系統(tǒng)的平均CPU使用率在70%以下。

通過算法優(yōu)化和多核部署后系統(tǒng)性能會有更進(jìn)一步的提升，系統(tǒng)優(yōu)化之后同時(shí)在線用戶數(shù)可達(dá)10萬，吞吐量可達(dá)1Gbps以上，并發(fā)用戶數(shù)可達(dá)180用戶/秒以上。

因此輕量級LTE核心網(wǎng)能滿足企業(yè)專網(wǎng)等特定用戶群體或者特定場景的部署需求。

5 結(jié)束語

輕量級LTE核心網(wǎng)技術(shù)在單板計(jì)算機(jī)模塊上實(shí)現(xiàn)了LTE核心網(wǎng)的主要功能，保證了一定的系統(tǒng)性能，大大降低了LTE核心網(wǎng)的部署成本，解決了系統(tǒng)的小型化和低功耗的難題，可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)覆蓋、企業(yè)專網(wǎng)、城市應(yīng)急和反恐救災(zāi)中。

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