LTE中基于S1接口的數據采集系統研究

匡 紅，葉 猛

（武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430074）

LTE中基于S1接口的數據采集系統研究

匡 紅，葉 猛

（武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430074）

首先簡單介紹了LTE的發展現狀以及技術特點，定位了數據采集系統的入口S1接口。接著提出了數據采集系統的總體框架，然后針對數據分析模塊和數據采集模塊進行了詳細論述，其中數據采集系統模塊包括采集信令、采集數據、信令和數據的關聯，最后提出了數據分析模塊中的均衡策略。

LTE;S1接口;數據采集系統;數據分析模塊;數據采集模塊;均衡策略

目前，全球的移動用戶已經突破60億，雖然3G市場呈現快速增長的趨勢，但是國內外對其后續演進技術的研發早已展開［1］，有以下三大演進路線:一是WCDMA和TDSCDMA，演進到 LTE;二是 IEEE 802.16m的 WiMAX路線;三是CDMA2000演進到UMB［2］。因此，有必要對LTE計劃及其技術發展投入足夠的關注［3-5］。

1 數據采集系統總體設計

本文的重點是研究LTE中基于S1接口的數據采集系統，如圖1所示。

圖1 數據采集系統總體設計圖

數據采集系統由數據分析模塊和數據采集模塊組成，獲取數據的入口在MME/S-GW和eNodeB之間，即S1接口。其中數據分析模塊的作用是把LTE網絡中的數據平均分配到數據采集模塊;數據采集模塊是由多臺數據采集服務器組成，也就是把數據平均地分配到數據采集服務器上，然后數據采集服務器把用戶一次上網行為的信令和數據關聯到一起，這樣才能正確采集用戶上網行為，比如瀏覽網頁是基于HTTP協議，Foxmail發郵件是基于SMTP協議等。所以，數據采集系統就是從LTE核心網獲取上網用戶的信令和數據，采集用戶的上網行為。

2 數據采集模塊詳細設計

根據上文介紹，數據采集系統由數據分析模塊和數據采集模塊組成。數據分析模塊主要是進行均衡，把數據平均分配到數據采集模塊，均衡策略將在后文詳述。數據采集模塊需要考慮的問題是采集用戶的哪些信令，如何采集用戶的數據，數據和信令是如何關聯起來的，下面針對數據采集模塊分析以上問題。

2.1 數據采集模塊采集信令

圖2所示為用wireshark抓包軟件獲取的LTE網絡信令包。針對用戶的一次上網行為，會有多種信令消息。本節將簡單闡述用戶一次上網行為涉及到的信令類型，然后說明數據采集模塊需要截獲到的幾種信令類型和協議字段。

圖2 wireshark抓包LTE網絡中信令消息（截圖）

1）UE開機后首先進行小區選擇，接收系統信息，然后開機附著。

2）eNodeB向MME發起請求初始化UE消息（Initial UE Message），信令里包括5個單元，即id-eNB-UE-S1APID，id-NAS-PDU，id-TAI，id-EUTRAN-CGI，id-RRC-Establishment-Cause。其中id-eNB-UE-S1AP-ID用來唯一地標識該eNodeB中含有的UE集合。

3）核心網會創建默認的EPS承載，然后發送上下文建立的信令（Initial Context Setup Request），請求建立一個UE上下文。信令中包括8個單元，其中id-E-RABToBe-SetupListCtxtSUReq單元中最關鍵的IE有TEID-GTP，是信令創建隧道后，唯一標識這個隧道，適用于數據和信令的關聯，transportLayerAddress為傳輸層的IP地址。

4）如果想創建專用的EPS承載，MME會向eNodeB發送一條E-RAB Setup Request，然后eNodeB上傳一個ERab Setup Response。請求信令中有3個單元，即id-MMEUE-S1AP-ID，id-eNB-UE-S1AP-ID以及id-E-RABToBe-SetUpListBearerSUReq。同樣id-E-RABToBeSetUpListBearerSUReq中有TEID-GTP和transportLayerAddress。

5）在eNodeB還沒有發起創建UE上下文的響應之前，會發送一條帶有UE無線能力信息的信令（UE Capability Info Indication）。信令里包含3個單元，即 id-MME-UE-S1AP-ID，id-eNB-UE-S1AP，id-UERadioCapability。其中id-UERadioCapability包含UE的無線承載能力。

6）eNodeB向MME發起創建UE上下文的響應信令（Initial Context Setup Response）。確認建立一個UE上下文。信令中E-RAB Setup List中會返回一個E-RAB ID，唯一標識特定的UE無線承載。

7）這時MME可以向eNodeB發送下行的NAS傳輸信令（Downlink NAS Teansport），然后eNodeB向MME發送上行的NAS傳輸信令（Uplink NAS Teansport），更新承載。兩個信令中需要采集id-eNB-UE-S1AP-ID和id-MME-UE-S1AP-ID，id-MME-UE-S1AP-ID表示該MME下S1接口上的UE集合［6］。

8）當檢測到用戶inactive時，eNodeB會向MME發送一條釋放UE上下文的信令（UE Context Release Request），用于請求釋放與UE相關的邏輯連接。然后EPC更新承載后，會發給eNodeB一條UE上下文釋放命令（UE Context Release Command），釋放掉相關用戶的數據和信令資源。最后，eNodeB確定后，會發一條完成釋放信令（UE Context Release Complete），其中E-RAB ID就是建立無線承載時分配的 E-RAB ID［7］。

表1展示了數據采集系統需要采集的信令消息和重要字段。

表1 LTE常用信令消息類型以及需要采集的字段

2.2 數據采集模塊采集數據

LTE網絡中通過S1接口傳輸的數據采用的是GTPU協議。如圖3所示，數據Data承載在UDP協議上，所謂采集數據，即截獲這里的Data數據。比如瀏覽網頁的數據承載在HTTP協議之上，Foxmail發郵件的數據承載在SMTP協議之上，foxmail收郵件的數據承載在POP3協議之上。無論是基于哪種應用，數據采集系統只需要截獲這里的Data數據。

圖3 wireshark抓包LTE網絡中數據消息（截圖）

2.3 數據與信令的關聯

基于上述介紹，可以成功地采集信令和數據消息，數據采集模塊需要把一個用戶一次上網行為產生的信令和數據關聯到一起。信令在建立隧道的時候會分配一個隧道號GTP TEID，如圖3所示，在傳輸數據的時候，GTP-U的頭部也會帶有一個TEID字段。TEID字段是隧道標識符，用于識別一個隧道，數據中的TEID字段標識這條數據是屬于哪一條隧道。那么通過這個字段，就可以成功地把數據和信令關聯起來了。

3 數據分析模塊的均衡策略

數據分析模塊的作用是把LTE核心網截獲的數據平均分配給數據采集模塊的采集服務器。如何做到平均，類似銀行的叫號系統，對于普通用戶有普通區，對于貴賓用戶，則有貴賓區。目前，服務器的網口物理IO能力是1 Gbit/s，北京的電信網數據流量就達到了20 Gbit/s，全國的核心網數據流量高達幾百吉比特每秒，一個數據采集服務器是不可能處理的，所以對于數據采集系統來說，數據分析模塊是必不可少的。只有確保每臺數據采集服務器處理800 Mbit/s～1 Gbit/s的數據流量，才能保證數據處理的準確性。根據權威數據顯示，信令和數據的比例大致為1∶100。

根據以上的表述，制定了數據分析模塊的均衡策略:當網絡中開始傳輸信令時，所有的信令包都發往固定的信令板;而傳輸數據的時候，則是根據數據包的IP對其進行分發，保證每塊數據采集服務器處理的流量一致，僅800 Mbit/s～1 Gbit/s的數據流量。其中，根據IP分發，32位IP地址除以數據采集服務器（除充當信令板的服務器）個數的余數，決定該數據要發送到哪一塊固定的數據采集服務器上。通過這種方式均衡，每一臺數據采集服務器處理的流量應該是均等的，這樣才能保持比較高的數據處理能力。如圖4所示，以上的描述都是單板部署，即只有一臺數據分析服務器，單板部署只能處理流量小于10 Gbit/s的情況。但是在實際處理過程中，流量往往都是大于10 Gbit/s的，所以有以下多板部署策略。

圖4 數據分析模塊的均衡策略

當數據流量大于10 Gbit/s的時候，就要考慮配置多個負載均衡服務器。比如數據流量為10 Gbit/s，分配兩個負載均衡服務器，每個負責5 Gbit/s數據，信令都發往信令板，數據包根據IP分發，然后處理的時候，信令板處理信令包，接著獲取接口結構，廣播到每一個數據板。需要強調的是，廣播的不是信令包，而是信令的接口結構，即數據采集模塊需要獲取的信令關鍵字，因為廣播數據包會降低系統的效率。數據采集服務器通過TEID把數據和信令關聯起來，創建一個節點，這個節點中就包含了某個用戶一次上網行為的信令和數據，這樣就達到了數據采集系統的目的。

4 結語

隨著3G技術成熟和3G網絡的逐漸普及，給人們的生活帶來了前所未有的體驗，但是人們的需求并沒有因此停滯，為了滿足更高的帶寬和更低的時延，LTE網絡應運而生。在LTE網絡成立試點的同時，它的安全性也備受關注。在本論文中，提出了數據采集系統的設計方案，即從LTE核心網S1接口中獲取數據。首先是通過數據分析模塊進行數據的均衡，把LTE的數據平均分配給數據采集模塊，然后數據采集模塊截獲信令和數據，以及把用戶的信令和數據關聯起來，這樣就可以采集到某個用戶的一次上網行為。

:

［1］馬志鑫，李小文.3GPP LTE發展現狀、無線接口協議及體系結構的研究［J］.廣東通信技術，2008，28（12）:29-32.

［2］包興異.3GPP LTE接入網體系結構與空中接口協議［J］.中國新技術新產品，2009，12（22）:39-40.

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

［4］3GPP TS 36.300V10.0.0，Evolved universal terrestrial radio access（E-UTRA）and evolved universal terrestrial radio access network［S］.2010.

［5］劉文正，曹龍漢，杭小飛.LTE網絡接口的協議一致性測試研究［J］.電視技術，2011，35（23）:91-93.

［6］李校林，胡楠，付澍.TD-LTE網絡優化中信令分析的應用研究［J］.廣東通信技術，2011，6（1）:27-28.

［7］謝偉良.CDMA/LTE數據互操作的空中接口技術分析［J］.移動通信，2010，34（11）:34-38.

Data Collection System Research Based on S1 Interface in LTE

KUANG Hong，YE Meng

（Wuhan Research Institute of Post and Telecommunication，Wuhan 430074，China）

At first，status of development and technology feature of LTE are introduced.And the entrance of data collection system called S1 interface is located.Secondly，the overall framework of data collection system is put forward.And then，data collection and data analysis module are discussed in detail.The collection and association between signal and data plays an important role in data collection module.At last，the balance of strategy is analyzed in data analysis module.

LTE;S1 interface;data collection system;data analysis module;data collection module;balance of strategy

TN929

B

【本文獻信息】匡紅，葉猛.LTE中基于S1接口的數據采集系統研究［J］.電視技術，2013，37（3）.

“十二五”國家科技支撐計劃重點項目（2012BAH38B05）

匡 紅（1987— ），女，碩士生，主研網絡信息安全及通信協議;

葉 猛（1975— ），博士生導師，主要研究方向為網絡信息安全及通信協議。

責任編輯:許 盈

2012－06－13