轻量级LTE核心网技术

吴志斌　周昌盛　高奇

【摘 要】

介绍一种轻量级的LTE核心网技术，可在有限的计算资源下实现LTE核心网主要功能，包括MME、S-GW、P-GW的功能，完成eNodeB的接入、漫游、切换以及用户的鉴权认证。描述了轻量级LTE核心网的主要技术性能测试，为能采用较少资源实现LTE核心网技术提供了参考。

【关键词】

轻量级 LTE核心网 EPC MME S-GW P-GW 合设网关

1 概述

近几年LTE技术已逐步发展成熟，今年初中国移动正式开通了TD-LTE网络，代表着4G LTE技术真正开始商用。由于LTE技术采用宽带OFDM传输技术，其特点是频谱利用率较高，但代价是在高速传输时距离相应变短。因此，在室内或偏远地区如果要达到较好的使用效果将会采用微基站或微微基站的部署方式，这就需要采用成本低、体积小、功耗低的轻量级LTE核心网技术。轻量级LTE核心网技术是指采用较少的资源实现LTE核心网功能的技术，如在一块CPU单板上实现所有EPC网元的功能。

2 LTE核心网（EPC）简介

2.1 系统体系结构

EPC网络设备包括移动性管理设备（MME）、服务网关（S-GW）、PDN网关（P-GW）、服务GPRS支持节点（SGSN）、归属签约用户服务器（HSS）以及策略和计费控制单元（PCRF）等。其网络架构如图1所示，其中S-GW和P-GW可以合设，也可以分设。

2.2 移动性管理实体MME

MME（Mobility Management Entity），作为核心控制面节点为LTE网络提供必须的安全功能（对LTE用户的鉴权认证和NAS信令保护等）、移动性管理功能（在LTE网络内跟踪位置更新，切换等），并执行会话和承载控制，帮助LTE用户在eNodeB、S-GW和P-GW用户面节点上建立起会话并承载上下文。

2.3 服务网关S-GW

S-GW（Serving Gateway），作为连接eNodeB的用户面节点，提供到eNodeB的用户面接口S1-U，负责LTE用户上下行报文在eNodeB和PGW之间路由和转发。在发生eNodeB切换时，S-GW需要作为本地锚点，对处于空闲模式的LTE终端提供下行数据缓存并触发网络侧Service Request流程。

2.4 分组数据网关P-GW

P-GW（PDN Gateway），作为连接PDN网络的用户面节点，提供EPC到PDN网络的用户面参考点SGi，负责上下文报文在EPC和PDN网络之间路由和转发。除了为LTE用户分配对应PDN网络的IP地址、进行上行和下行的承载绑定和路由转发等基本功能外，P-GW还需要提供部分基于用户面的安全功能（源地址检查、上行承载绑定验证）、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 策略控制资源网关

PCRF终结于Rx接口和Gx接口，提供基于业务数据流的QoS控制、门控和计费控制等功能。

2.6 归属用户服务器

HSS是一个存储用户和相关服务数据的数据库，保存归属网络中IMS/EPC用户的签约信息（包括基本标识、路由信息以及业务签约信息等）的综合数据库；同时HSS还提供用户鉴权和位置信息管理等功能。

3 轻量级LTE核心网关键技术

3.1 操作系统轻量化技术

电信级Linux（CGL，Carrier Grade Linux）是开放源代码发展实验室（OSDL，Open Source Development Labs）发布的一个电信运营级Linux规范。该规范包括一系列的技术要求和建议标准，其中明确规定了符合电信级客户需求的操作系统和应用特性，Linux企业可以根据这些规范保证自己的Linux产品能够被电信运营商所采用。

轻量级核心网采用开源Linux操作系统，并遵循CGL4.0部分规范，主要从下面3个方向进行设计和优化：

优化后的操作系统大小为原系统的30%，运行速度提升了3倍。

（1）BASE Service（系统基础服务）

BASE Service（系统基础服务）模块实现了系统的大部分基础服务。它是基于CGL规范，为满足上层业务应用需求而进行开发的基础模块，主要有以下3部分：

1）系统启动（Autoboot）

GRUB/U-boot等bootloader软件支持，实现内核的自动加载，启动参数的配置。

Rootfs（根文件系统）：initramfs和base_os。

优化的方法主要包括：根据系统使用要求精心剪裁，删除不必要的组件，优化系统进程，构建在内存上的根文件系统，从而保证运行速度快，系统干净可控。

2）系统脚本配置和平台服务启动

根据LTE系统的业务流程，定制灵活的平台服务框架。进程异常退出后可自动重启，应用程序可灵活加载并自启动。

3）文件系统（FS Management）

采用XFS或EXT3文件系统，按逻辑分区管理，日志文件可通过NFS（网络文件系统）保存到远程主机，减少系统存储要求。

（2）OAM（操作管理维护）

操作管理维护（OAM，Operation Administration and Maintenance）模块一般包含以下4个部分：

1）配置管理（CM，Configure Management）：提供配置模型管理、配置命令执行、配置数据管理、网管系统互操作等功能；

2）性能管理（PM，Performance Management）：提供性能模型管理、性能任务管理、性能数据收集、采集、上报、阀值告警等功能；endprint

3）告警管理（FM，Fault Management）：提供告警模型管理，告警、安全日志、客户日志生成及上报等功能；

4）北向接口（Northbound Interface）：本系统中北向接口模块采用SNMP协议来传输网络管理数据，实现了与网管中心NMS/EMS的连接和访问。

通过OAM与网络管理系统的一体化设计，降低了系统开通和维护的复杂度。

3.2 网关一体化设计技术

网关一体化设计是将S-GW、P-GW深度融合在一起，在系统加载时只需要启动一个融合GW网元模块，就可以同时提供独立S-GW、PDN-GW和融合GW等逻辑网元功能。GW一体化设计使不同的逻辑网元共享系统资源管理、会话控制功能和用户面逻辑处理，节省系统内存资源和计算资源的开销，最大程度的实现软件代码重用。网关一体化系统设计如图2所示。

网关一体化技术提供S-GW、P-GW和融合GW的智能化自适应技术，根据会话请求消息决定当前承担的角色：

（1）大部分场景下，网关提供融合GW功能，数据在核心网内只有一跳的处理，数据流参考图2的业务流1。

（2）在切换场景下，当S-GW发生改变时，归属地网关将更改角色为P-GW，打开与S-GW的S5接口功能，归属地网关数据流参考上图的业务流2。访问地网关将提供S-GW角色，打开与归属地P-GW的S5接口，访问地网关数据流参考上图的业务流3。

综上所述，除了S-GW改变的切换场景，绝大部分场景下的网关信令只需要经过一次处理，不用分别经过S-GW和P-GW逻辑网元的处理，从而降低了会话建立时延；而用户数据包转发在EPC内部只有一跳，用户数据包不用在逻辑网元S-GW、P-GW间转发，降低了数据处理时延。

3.3 快速数据处理与转发技术

如何在有限的CPU计算资源条件下尽可能的提升系统吞吐率，这是决定轻量级LTE核心网能否推向市场的关键问题之一。

英特尔专门针对Intel X86架构处理器开发了一个数据面开发套件DPDK，它是一个轻量级运行环境，提供了低功耗和Run-to-Completion（RTC，运行到完成）模式，以此最大限度的提升数据包的处理和转发性能。此外DPDK不仅可以实现传统的处理应用和控制功能，还可以实现智能和高效的数据包处理与转发。

Intel CPU+DPDK的使用比较灵活，典型使用模式有2种：

第1种是一个核运行Linux系统，用于启动和管理其它核，同时可以运行控制面服务，其它核运行数据面的处理与转发程序。这种是典型模式，其中多个处理器还可以一起使用达到所需的处理能力。

第2种是所有的核都运行在linux系统下面，在系统中启动数据面的服务线程。这种模式对于处理和转发性能要求不是非常高时比较实用，其开发和使用也相对简单。

跟传统Linux系统比较，采用Intel CPU+DPDK技术后，数据包的处理与转发能力提升约6～10倍。性能提升的原因主要是由于DPDK采用如下5点关键技术：

4 轻量级LTE核心网主要性能测试

4.1 测试场景

测试环境网络架构如图3所示。

轻量级LTE核心网EPC模块包含MME和SAE-GW两个逻辑网元，软件运行在控创COMe卡（i7-3555LE双核4线程，2.5GHz，内存8GB）。

思博伦的Landslide测试工具模拟终端、基站、HSS和服务器等网元，思博伦的Abacus5000模拟了多种用户终端，测试工具和被测设备通过千兆交换机相连。

4.2 测试结果

实验室性能测试结果如表1所示：

表1 实验室性能测试结果

该测试结果是在没有对核心网软件优化的情况下，采用业界专业的测试工具对轻量级LTE核心网设备进行压力测试所得，在线用户数达到10 000用户，系统吞吐量方面，设置单用户的速率为2Mbps，包长为512KB，在不丢包的情况下，吞吐量可支持到600Mbps，另外可支持100用户/秒的接入速率，系统的平均CPU使用率在70%以下。

通过算法优化和多核部署后系统性能会有更进一步的提升，系统优化之后同时在线用户数可达10万，吞吐量可达1Gbps以上，并发用户数可达180用户/秒以上。

因此轻量级LTE核心网能满足企业专网等特定用户群体或者特定场景的部署需求。

5 结束语

轻量级LTE核心网技术在单板计算机模块上实现了LTE核心网的主要功能，保证了一定的系统性能，大大降低了LTE核心网的部署成本，解决了系统的小型化和低功耗的难题，可广泛应用于室内覆盖、企业专网、城市应急和反恐救灾中。

参考文献：

[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，Fault Management）：提供告警模型管理，告警、安全日志、客户日志生成及上报等功能；

4）北向接口（Northbound Interface）：本系统中北向接口模块采用SNMP协议来传输网络管理数据，实现了与网管中心NMS/EMS的连接和访问。

通过OAM与网络管理系统的一体化设计，降低了系统开通和维护的复杂度。

3.2 网关一体化设计技术

网关一体化设计是将S-GW、P-GW深度融合在一起，在系统加载时只需要启动一个融合GW网元模块，就可以同时提供独立S-GW、PDN-GW和融合GW等逻辑网元功能。GW一体化设计使不同的逻辑网元共享系统资源管理、会话控制功能和用户面逻辑处理，节省系统内存资源和计算资源的开销，最大程度的实现软件代码重用。网关一体化系统设计如图2所示。

网关一体化技术提供S-GW、P-GW和融合GW的智能化自适应技术，根据会话请求消息决定当前承担的角色：

（1）大部分场景下，网关提供融合GW功能，数据在核心网内只有一跳的处理，数据流参考图2的业务流1。

（2）在切换场景下，当S-GW发生改变时，归属地网关将更改角色为P-GW，打开与S-GW的S5接口功能，归属地网关数据流参考上图的业务流2。访问地网关将提供S-GW角色，打开与归属地P-GW的S5接口，访问地网关数据流参考上图的业务流3。

综上所述，除了S-GW改变的切换场景，绝大部分场景下的网关信令只需要经过一次处理，不用分别经过S-GW和P-GW逻辑网元的处理，从而降低了会话建立时延；而用户数据包转发在EPC内部只有一跳，用户数据包不用在逻辑网元S-GW、P-GW间转发，降低了数据处理时延。

3.3 快速数据处理与转发技术

如何在有限的CPU计算资源条件下尽可能的提升系统吞吐率，这是决定轻量级LTE核心网能否推向市场的关键问题之一。

英特尔专门针对Intel X86架构处理器开发了一个数据面开发套件DPDK，它是一个轻量级运行环境，提供了低功耗和Run-to-Completion（RTC，运行到完成）模式，以此最大限度的提升数据包的处理和转发性能。此外DPDK不仅可以实现传统的处理应用和控制功能，还可以实现智能和高效的数据包处理与转发。

Intel CPU+DPDK的使用比较灵活，典型使用模式有2种：

第1种是一个核运行Linux系统，用于启动和管理其它核，同时可以运行控制面服务，其它核运行数据面的处理与转发程序。这种是典型模式，其中多个处理器还可以一起使用达到所需的处理能力。

第2种是所有的核都运行在linux系统下面，在系统中启动数据面的服务线程。这种模式对于处理和转发性能要求不是非常高时比较实用，其开发和使用也相对简单。

跟传统Linux系统比较，采用Intel CPU+DPDK技术后，数据包的处理与转发能力提升约6～10倍。性能提升的原因主要是由于DPDK采用如下5点关键技术：

4 轻量级LTE核心网主要性能测试

4.1 测试场景

测试环境网络架构如图3所示。

轻量级LTE核心网EPC模块包含MME和SAE-GW两个逻辑网元，软件运行在控创COMe卡（i7-3555LE双核4线程，2.5GHz，内存8GB）。

思博伦的Landslide测试工具模拟终端、基站、HSS和服务器等网元，思博伦的Abacus5000模拟了多种用户终端，测试工具和被测设备通过千兆交换机相连。

4.2 测试结果

实验室性能测试结果如表1所示：

表1 实验室性能测试结果

该测试结果是在没有对核心网软件优化的情况下，采用业界专业的测试工具对轻量级LTE核心网设备进行压力测试所得，在线用户数达到10 000用户，系统吞吐量方面，设置单用户的速率为2Mbps，包长为512KB，在不丢包的情况下，吞吐量可支持到600Mbps，另外可支持100用户/秒的接入速率，系统的平均CPU使用率在70%以下。

通过算法优化和多核部署后系统性能会有更进一步的提升，系统优化之后同时在线用户数可达10万，吞吐量可达1Gbps以上，并发用户数可达180用户/秒以上。

因此轻量级LTE核心网能满足企业专网等特定用户群体或者特定场景的部署需求。

5 结束语

轻量级LTE核心网技术在单板计算机模块上实现了LTE核心网的主要功能，保证了一定的系统性能，大大降低了LTE核心网的部署成本，解决了系统的小型化和低功耗的难题，可广泛应用于室内覆盖、企业专网、城市应急和反恐救灾中。

参考文献：

[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，Fault Management）：提供告警模型管理，告警、安全日志、客户日志生成及上报等功能；

4）北向接口（Northbound Interface）：本系统中北向接口模块采用SNMP协议来传输网络管理数据，实现了与网管中心NMS/EMS的连接和访问。

通过OAM与网络管理系统的一体化设计，降低了系统开通和维护的复杂度。

3.2 网关一体化设计技术

网关一体化设计是将S-GW、P-GW深度融合在一起，在系统加载时只需要启动一个融合GW网元模块，就可以同时提供独立S-GW、PDN-GW和融合GW等逻辑网元功能。GW一体化设计使不同的逻辑网元共享系统资源管理、会话控制功能和用户面逻辑处理，节省系统内存资源和计算资源的开销，最大程度的实现软件代码重用。网关一体化系统设计如图2所示。

网关一体化技术提供S-GW、P-GW和融合GW的智能化自适应技术，根据会话请求消息决定当前承担的角色：

（1）大部分场景下，网关提供融合GW功能，数据在核心网内只有一跳的处理，数据流参考图2的业务流1。

（2）在切换场景下，当S-GW发生改变时，归属地网关将更改角色为P-GW，打开与S-GW的S5接口功能，归属地网关数据流参考上图的业务流2。访问地网关将提供S-GW角色，打开与归属地P-GW的S5接口，访问地网关数据流参考上图的业务流3。

综上所述，除了S-GW改变的切换场景，绝大部分场景下的网关信令只需要经过一次处理，不用分别经过S-GW和P-GW逻辑网元的处理，从而降低了会话建立时延；而用户数据包转发在EPC内部只有一跳，用户数据包不用在逻辑网元S-GW、P-GW间转发，降低了数据处理时延。

3.3 快速数据处理与转发技术

如何在有限的CPU计算资源条件下尽可能的提升系统吞吐率，这是决定轻量级LTE核心网能否推向市场的关键问题之一。

英特尔专门针对Intel X86架构处理器开发了一个数据面开发套件DPDK，它是一个轻量级运行环境，提供了低功耗和Run-to-Completion（RTC，运行到完成）模式，以此最大限度的提升数据包的处理和转发性能。此外DPDK不仅可以实现传统的处理应用和控制功能，还可以实现智能和高效的数据包处理与转发。

Intel CPU+DPDK的使用比较灵活，典型使用模式有2种：

第1种是一个核运行Linux系统，用于启动和管理其它核，同时可以运行控制面服务，其它核运行数据面的处理与转发程序。这种是典型模式，其中多个处理器还可以一起使用达到所需的处理能力。

第2种是所有的核都运行在linux系统下面，在系统中启动数据面的服务线程。这种模式对于处理和转发性能要求不是非常高时比较实用，其开发和使用也相对简单。

跟传统Linux系统比较，采用Intel CPU+DPDK技术后，数据包的处理与转发能力提升约6～10倍。性能提升的原因主要是由于DPDK采用如下5点关键技术：

4 轻量级LTE核心网主要性能测试

4.1 测试场景

测试环境网络架构如图3所示。

轻量级LTE核心网EPC模块包含MME和SAE-GW两个逻辑网元，软件运行在控创COMe卡（i7-3555LE双核4线程，2.5GHz，内存8GB）。

思博伦的Landslide测试工具模拟终端、基站、HSS和服务器等网元，思博伦的Abacus5000模拟了多种用户终端，测试工具和被测设备通过千兆交换机相连。

4.2 测试结果

实验室性能测试结果如表1所示：

表1 实验室性能测试结果

该测试结果是在没有对核心网软件优化的情况下，采用业界专业的测试工具对轻量级LTE核心网设备进行压力测试所得，在线用户数达到10 000用户，系统吞吐量方面，设置单用户的速率为2Mbps，包长为512KB，在不丢包的情况下，吞吐量可支持到600Mbps，另外可支持100用户/秒的接入速率，系统的平均CPU使用率在70%以下。

通过算法优化和多核部署后系统性能会有更进一步的提升，系统优化之后同时在线用户数可达10万，吞吐量可达1Gbps以上，并发用户数可达180用户/秒以上。

因此轻量级LTE核心网能满足企业专网等特定用户群体或者特定场景的部署需求。

5 结束语

轻量级LTE核心网技术在单板计算机模块上实现了LTE核心网的主要功能，保证了一定的系统性能，大大降低了LTE核心网的部署成本，解决了系统的小型化和低功耗的难题，可广泛应用于室内覆盖、企业专网、城市应急和反恐救灾中。

参考文献：

[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