基于LTE實驗平臺視頻即攝即傳的設計與信令分析

李毅 付少忠 韓寶彬 郭萬里

關鍵詞： LTE移動通信系統(tǒng); 即攝即傳; LTE基站與核心網(wǎng)配置; 隨機接入流程; 信令分析; 協(xié)議分析

中圖分類號： TN929.5?34; G484 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）03?0010?04

Abstract： The architecture of LTE mobile communication system and function of each network element are introduced. The live video transmission experiment based on LTE mobile communication system experimental development platform is designed. The experimental network is set up. The connectivity is implemented by configuring the E?UTRAN and evolved packet core （EPC）. Wireshark protocol analysis software is employed to capture messages， analyze and verify the key service processes such as Attach procedure. The experiment based on experimental development platform is verified， and the signaling is analyzed. The experiment platform is helpful to grasp the end?to?end working principle of the LTE mobile communication network， and deeply understand LTE mobile communication system in the aspects of theory study and practice.

Keywords： LTE mobile communication system; live video transmission; E?UTRAN and EPC configuration; Attach process; signaling analysis; protocol analysis

LTE（Long Term Evolution，長期演進）是無線接口部分向4G演進的工作項目，其下行數(shù)據(jù)速率能夠達到150 Mb/s。LTE的商用化為移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了必要條件[1?2]。目前，LTE已經(jīng)成為我國通信業(yè)的主流技術，各大運營商均已展開LTE通信業(yè)務?；贚TE商用設備的開發(fā)實驗，一方面促進對LTE技術與理論的研究，另一方面可以在深入理解現(xiàn)有技術的基礎上促進對新技術的科學研究與應用開發(fā)。傳統(tǒng)以理論教學或孤立的模塊實驗為主的教學方式已難以適應通信業(yè)對人才培養(yǎng)的創(chuàng)新性、系統(tǒng)化、開放式的需求[3?5]，LTE技術人才的能力培養(yǎng)亟待提高。利用LTE移動通信系統(tǒng)實驗開發(fā)平臺設計視頻即攝即傳實驗，可以在培養(yǎng)學生掌握LTE技術應用能力的同時深入理解LTE的工作原理，并開展系統(tǒng)性、綜合性與創(chuàng)新性實驗的能力。

1 ?LTE網(wǎng)絡的基本結構

完整的LTE網(wǎng)絡包括三個組成部分：EPC（Evolved Packet Core，演進的分組核心網(wǎng)）、E?UTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，演進的UMTS陸地無線接入網(wǎng)）和UE（User Equipment，用戶設備）[6]，如圖1所示。eNodeB（Evolved NodeB，演進的節(jié)點B）是E?UTRAN中負責UE接入的網(wǎng)元。Uu接口連接eNodeB和UE，X2接口連接eNodeB與eNodeB，而S1接口連接eNodeB和EPC。S1接口包括S1?MME（與MME相連的接口）和S1?U（與S?GW相連的接口）。S1?MME傳輸信令，而S1?U傳輸數(shù)據(jù)。

eNodeB由UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡中的NodeB演進而來，相當于LTE網(wǎng)絡中的基站，負責RRM（Radio Resource Management，無線資源管理）、上下行數(shù)據(jù)分類和QoS執(zhí)行、空中接口的數(shù)據(jù)壓縮和加密等。MME（Mobility Management Entity，移動性管理實體）、S?GW（Serving Gateway，服務網(wǎng)關）、P?GW（PDN Gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關）、HSS（Home Subscriber Server，歸屬用戶服務器）以及PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略和計費規(guī)則功能）等是EPC的主要功能實體[7]。

2 ?實現(xiàn)視頻即攝即傳的實驗環(huán)境與原理

2.1 ?實驗網(wǎng)絡系統(tǒng)組成

LTE移動通信系統(tǒng)實驗開發(fā)平臺實現(xiàn)手機與網(wǎng)絡攝像頭之間端到端視頻即攝即傳的完整網(wǎng)絡連接原理如圖2所示，包括手機、LTE移動通信系統(tǒng)實驗開發(fā)平臺、CPE與網(wǎng)絡攝像頭三部分。

2.2 ?實現(xiàn)即攝即傳實驗所需的必要配置

1） PLMN配置：添加MCC和MNC。MCC表示移動國家碼，而MNC表示移動網(wǎng)絡碼。MCC建議配置為460，代表中國;MNC取值范圍為0～999，但是要區(qū)別于公網(wǎng)的數(shù)據(jù)，目前中國移動的MNC為00，02，04和06，中國聯(lián)通的MNC為01，05，07，中國電信的MNC為03。

2） 本地網(wǎng)絡參數(shù)配置：配置基站的IP地址，需要和核心網(wǎng)的IP在同一網(wǎng)段，適用于基站和核心網(wǎng)之間的通信。

3） HSS參數(shù)配置：將SIM卡的IMSI寫入到其中，IMSI是每個SIM卡的唯一識別碼。

4） APN配置：在基站中進行APN配置，終端的APN配置要和此配置項一致才能使終端上網(wǎng)，否則可能導致終端入網(wǎng)后不能上網(wǎng)。

5） SCTP參數(shù)：流控制傳輸協(xié)議SCTP的端口號配置、移動管理實體MME的IP類型、端口號和IP地址配置。

6） CPE配置：綁定網(wǎng)絡攝像頭MAC地址到指定的內網(wǎng)IP，以后攝像頭每次向DHCP請求IP地址時，將獲取相同的IP地址。此外，處于內網(wǎng)的攝像頭向外網(wǎng)啟用服務，需要配置端口轉發(fā)，以保證服務端口上外網(wǎng)訪問可以定向到內網(wǎng)提供服務的攝像頭。

2.3 ?實驗步驟

1） LTE移動通信系統(tǒng)實驗開發(fā)平臺做好硬件開啟和各項參數(shù)的配置;

2） 將專用USIM卡插入測試手機的卡槽中;

3） 用網(wǎng)線把網(wǎng)絡攝像頭連接到CPE的任意LAN口;

4） 在手機與CPE都成功入網(wǎng)后，即可建立手機到網(wǎng)絡攝像頭端到端的連接;

5） 打開瀏覽器訪問基站分配給CPE的IP地址（即USIM卡的IP地址），如：http：//a.b.c.d：x （x是攝像頭端口號），此時手機能夠通過LTE網(wǎng)絡訪問攝像頭所拍攝的實時視頻，并且能夠控制攝像頭的轉動、拍照等功能，從而實現(xiàn)視頻即攝即傳，如圖3所示。圖3a）為攝像頭拍攝的實時視頻;圖3b）為經(jīng)過LTE網(wǎng)絡傳輸后手機上所顯示的實時視頻。

3 ?Attach流程信令分析

3.1 ?Attach流程

UE要在LTE/EPC上開展即攝即傳實驗的數(shù)據(jù)業(yè)務，首先需要通過Attach流程注冊到EPC上，因此Attach流程是即攝即傳實驗的關鍵信令流程。在Attach流程之后，開始正常的上下行數(shù)據(jù)傳輸。

Attach流程中按照如下步驟進行消息的交互[8?11]：

1） UE向eNodeB發(fā)送NAS層Attach request信息;

2） eNodeB通過MME選擇功能選擇一個MME，向MME發(fā)送Initial UE message消息，包含轉發(fā)NAS層Attach request消息;

3） MME向UE發(fā)送Identity request消息;

4） UE通過向MME發(fā)送Identity response進行響應，使MME從UE處獲取ME標識（IMEI）;

5） MME向UE發(fā)送Authentication request消息;

6） UE通過向MME發(fā)送Authentication response進行響應，使MME完成對UE的認證;

7） MME向eNodeB發(fā)送Initial context setup request消息，請求建立默認承載，包含NAS層Attach Accept，Activate default EPS bearer context request消息;

8） eNodeB接收到Initial context setup request消息，如果不包含UE能力信息，則eNodeB向UE發(fā)送UE Capability Enquiry消息，查詢UE能力;

9） UE向eNodeB發(fā)送UE Capability Information消息，報告UE能力信息;

10） eNodeB向MME發(fā)送UE capability info indication消息，更新MME的UE能力信息;

11） MME向UE發(fā)送Security Mode Command消息，進行安全激活;

12） UE通過向MME發(fā)送Security Mode Complete進行響應，表示安全激活完成，確保UE與MME之間的連接是安全的。在響應之前，UE應該驗證Security Mode Command消息的完整性;

13） eNodeB向UE發(fā)送RRC Connection Reconfiguration消息分配空口資源，消息攜帶EPS無線承載ID，同時Attach accept也通過該條消息發(fā)送給UE;

14） UE向eNodeB發(fā)送RRC Connection Reconfiguration Complete消息，表示資源配置完成;

15） eNodeB向MME發(fā)送Initial context setup response響應消息，表明UE上下文建立完成;

16） UE向eNodeB發(fā)送Direct Transfer消息，包含NAS層Attach Complete，Activate default EPS bearer context accept消息;

17） eNodeB向MME發(fā)送Uplink NAS transport消息，包含NAS層Attach Complete，EPS bearer Identity消息。

Attach流程如圖4所示。

3.2 ?隨機接入流程信令分析

通過Wireshark軟件捕獲信令，并在Filter中輸入sctp對捕獲的信令進行過濾，得到從Attach request到Attach accpet的完整Attach流程的相關信令如圖5所示。

從圖5可以看出，隨機接入流程實際的信令流程與理論一致。

4 ?結 ?語

通過在LTE移動通信系統(tǒng)實驗平臺設計視頻即攝即傳的實驗，利用協(xié)議分析軟件Wireshark抓取數(shù)據(jù)包對實驗中的Attach流程關鍵信令進行分析，掌握LTE網(wǎng)絡端到端的工作原理，將復雜與抽象的LTE移動通信系統(tǒng)原理具體化、可視化，有利于高校學生從理論與實踐兩個方面深入理解LTE移動通信系統(tǒng)，并培養(yǎng)學生開展系統(tǒng)性、綜合性與創(chuàng)新性實驗的能力。

參考文獻

[1] 沈嘉，索士強.3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統(tǒng)設計[M].北京：人民郵電出版社，2008.

SHEN Jia， SUO Shiqiang. 3GPP long term evolution （LTE） technology principle and system design [M]. Beijing： The Posts and Telecommunications Press， 2008.

[2] DAHLMAN Erik.4G移動通信技術權威指南：LTE與LTE?Advanced[M].北京：人民郵電出版社，2012.

DAHLMAN Erik. 4G LTE/LTE?advanced for mobile broadband [M]. Beijing： The Posts and Telecommunications Press， 2012.

[3] 鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究， 2017（3）：1?6.

ZHONG Denghua. The new connotation and action of new engineering construction [J]. Research in higher education of engineering， 2017（3）： 1?6.

[4] 章曙光，郭樂深，孫巧云.引進現(xiàn)網(wǎng)通信設備構建通信實驗室[J].實驗技術與管理，2012，29（6）：109?111.

ZHANG Shuguang， GUO Leshen， SUN Qiaoyun. Building telecommunication laboratory by introducing current network telecommunication equipments [J]. Experimental technology and management， 2012， 29（6）： 109?111.

[5] 周海燕，李天松，符杰林，等.關于通信網(wǎng)絡實驗室建設的探索與思考[J].桂林電子科技大學學報，2009，29（2）：180?184.

ZHOU Haiyan， LI Tiansong， FU Jielin， et al. Exploration and thinking on the construction of telecommunication network laboratory [J]. Journal of Guilin University of Electronic Technology， 2009， 29（2）： 180?184.

[6] SESIA Stefania，TOUFIK Issam.LTE?UMTS長期演進理論與實踐[M].馬霓，鎢鋼，張曉博，等譯.北京：人民郵電出版社，2009.

SESIA S， TOUFIK I. LTE： the UMTS long term evolution： from theory to practice [M]. Translated by MA Ni， WU Gang， ZHANG Xiaobo， et al. Beijing： The Posts and Telecommunications Press， 2009.

[7] 王映民，孫韶輝.TD?LTE技術原理與系統(tǒng)設計[M].北京：人民郵電出版社，2010.

WANG Yingmin， SUN Shaohui. The TD?LTE technical principle and system design [M]. Beijing： The Posts and Telecommunications Press， 2010.

[8] 張炎炎，孟繁麗，張新程，等.TD?LTE網(wǎng)絡結構評估方法研究及預規(guī)劃分析[J].電信工程技術與標準化，2014（1）：10?15.

ZHANG Yanyan， MENG Fanli， ZHANG Xincheng， et al. Research on evaluation method of TD?LTE network structure and pre?planning analysis of TD?LTE network structure [J]. Telecom engineering technics and standardization， 2014（1）： 10?15.

[9] 張明和.深入淺出4G網(wǎng)絡：LTE/EPC[M].北京：人民郵電出版社，2016.

ZHANG Minghe. A simple explanation to 4G network： LTE/EPC [M]. Beijing： The Posts and Telecommunications Press， 2016.

[10] 3GPP. 3GPP TS 23.401： general packet radio service （GPRS） enhancements for evolved universal terrestrial radio access network （E?UTRAN） access [S/OL]. [2017?09?11]. http：//www. 3gpp.org/ftp/Specs/archive/23_series/23.401/23401?f10.zip.

[11] 3GPP. 3GPP TS 33.401： 3GPP system architecture evolution： security architecture [S/OL]. [2017?09?25]. http：//www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/33_series/33.401/33401?f10.zip.