TD_LTE网络S1接口的研究与实现

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本文摘自《2012年第15期《计算机与网络》》。作者：臧永蔓 阮军洲 王鹏（1中国电子科技集团公司第五十四研究所河北石家庄050081)（2解放军75660部队广西桂林541002）

[摘要]长期演进（LTE)作为3G的后续系统日趋成熟，应用越来越广泛。S1接口是LTE系统中演进无线接入网与演进核心网之间的接口,实现控制平面和用户平面的数据交互传输,完成演进无线接入网与演进核心网之间的互连互通。介绍了S1接口位置和协议结构,提出了一种演进核心网侧S1接口的实现方案,该方案具有配置灵活和可移植性强的特点,并给出了方案系统结构和实现流程。

[关键词]TD-LTE S1接口 SCTP S1AP

1引言

为适应移动通信的技术发展要求并保持在移动通信领域的领先地位，3GPP于2004年11月启动了无线长期演进（Long Term Evolution，LTE）项目和全IP的系统架构演进（System Architecture Evolution，SAE）项目，TD长期演进（TD-SCDMA Long Term Evolution，TD-LTE）作为3GPPLTE时分双工（Time Division Duplexing，TDD）制式的唯一成员，是3G发展和演进的重点之一。随着LTE标准R8版本的完成，TD-LTE设备研发和网络进展的速度加快，国内国际陆续有试验系统投入使用，为用户提供了新的体验。许多专用通信网也在以各种方式引入LTE技术，增强业务提供能力。

SAE/LTE演进系统划分为演进无线接入网（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN）和演进分组核心网（Evolved Packet Core，EPC），二者相互独立，各自发展。E-UTRAN与EPC之间的唯一接口就是S1接口，具体就是E-UTRAN网元演进型NodeB（Evolved NodeB，eNodeB）与EPC网元移动管理实体/服务网关(Mobility Management Entity/Servicing Gateway，MME/SGW)之间的物理和逻辑接口，该接口为开放标准接口。无线接入承载管理信息和用户数据通过该接口传送，实现对LTE用户的支持。针对TD-LTE网络对S1接口的需求，在对S1接口研究和分析的基础上，提出了核心网侧S1接口的实现方案。

2 S1接口研究

2.1 S1接口位置

作为E-UTRAN与EPC之间的唯一通信接口的S1接口在TD-LTE系统的定位如图1所示。

继承3G网络Iu接口控制和承载分离的思想，S1接口由两个平面构成：控制面S1-MME和用户面S1-U，E-UTRAN的接入点为eNodeB，EPC的接入点是MME和SGW。S1接口支持eNodeB和MME/SGW之间的多对多连接，而且S1-MME和S1-U完全独立，各自定义了不同的协议栈。

2.2 S1接口协议栈架构

S1接口的控制面协议分为传输网络层和应用层，传输网络层采用建立在IP传输之上的流控制传输协议（Stream Control Transmission Protocol，SCTP），确保消息信令的可靠传输，而应用层信令协议定义为S1AP，如图2所示。S1接口的用户平面S1-U将eNodeB和SGW连接在一起，完成用户数据和相应的用户平面控制帧的传送。控制平面接口S1-MME则将eNodeB和MME连接在一起，主要完成S1接口的无线接入承载控制、接口专用的操作维护等功能，与3G网络中的无线网络层的控制部分类似。

图1RapidIO的传输流程图

2.2.1控制面传输网络层协议

控制面传输网络层协议在IP层之上采用了比TCP协议功能更为强大的SCTP，为上层S1AP提供有保证的可靠传输，并且可以支持IP网络上的七号信令系统。SCTP由IETF SIGTRAN提出，用于IP网络上，通过重发和证实机制保证用户数据在2个SCTP端点间无重复、无差错的可靠保序传输，是一种可靠的传输层协议。SCTP的另一个重要特点是对多重联外线路的支持，一个端点可以由多于一个IP地址组成，使得传输可在主机间做到透明的网络容错备援。

2.2.2 控制平面无线网络层协议

S1AP是S1接口的信令控制协议，主要用于完成S1接口控制平面的各种信令和控制的处理。S1接口信令协议主要包括SAE承载业务管理功能、LTE_ACTIVE状态下的UE移动性、S1寻呼功能、NAS（Non Access Stratum）节点选择功能、初始上下文建立功能、NAS信令传送功能、S1接口管理功能、网络共享功能、漫游和区域限制功能，如表1所示。

S1AP的功能通过各种基本过程（EP）实现，每个功能包括一个或者多个基本过程。根据应答方式，基本过程分为2类：①CLASS1：有应答（成功/失败）。此种类型基本过程分为成功应答和失败应答。“失败应答”是指EP执行失败并收到对端失败应答或者定时器超时而未收到应答；

②CLASS2：无应答。该类型EP总默认被成功执行。

2.2.3 用户面协议

用户面在IP层之上采用面向非连接的UDP，即用户面

PDU采用无保证的传送机制。在UDP之上承载GTP-U协议，用来传输和无线接入承载捆绑的用户数据。传输承载通过GTP-U TEID（源TEID、目的TEID）标识。

3 核心网侧S1接口控制面实现方案

3.1 方案系统结构

S1接口协议栈传输网络采用多用户注册架构的SCTP协议栈。S1AP协议栈也采用多实例注册架构，同时支持注册多个上层应用，采用低耦合的模块化设计，结构图如图3所示。方案分为3个部件：维护部件、SCTP部件和S1AP部件。图中虚线部分表示EPC中与S1接口之间有接口关系的功能网元。操作系统采用WinderRiver的嵌入式实时操作系统VxWorks，每个部件作为操作系统的一个任务存在。

3.1.1维护部件

维护部件完成S1接口的维护和管理，维护部件对外无功能体现，自身不作为S1接口协议的功能实体存在，但维护部件是整个S1接口的运行基础，完成其它部件的参数配置、初始化、运行支撑和S1接口状态监控，接受整机维护配置项（MNT）的维护和管理，并汇报运行状态和结果。

3.1.2 SCTP部件

SCTP部件完成对S1AP的承载。根据3GPP建议，演进核心网侧的SCTP协议栈完成服务器功能，eNodeB作为客户端，偶联的建立由eNodeB发起。SCTP部件通过RAW_SOCKET（原始套接字，协议编号为0x84）方式完成与VxWorks操作系统的TCP/IP协议栈的接口调用。

3.1.3 S1AP部件

S1AP部件完成采用ASN.1压缩编码规则消息的编解码、数据协议合法性判断、流量控制、终端寻呼、用户面资源分派和非接入层NAS消息承载等。部件是S1接口控制面与高层网元(MME和SGW)的接口层，是S1接口对外功能体现。S1AP部件根据注册实例的编码完成对不同服务对象识别，实现协议栈对多个E-UTRAN接入的支持。采用实例注册机制，S1AP部件支持多个eNodeB的接入，最多支持256个eNodeB同时接入。

3.2 方案实现流程

S1接口维护部件启动后，接收MNT的配置参数和启动命令，启动S1AP部件和SCTP部件。S1接口作为服务器端，完成初始化，等待eNodeB的通信请求。实现流程如下：

①作为服务器端启动SCTP，接收eNodeB的INIT、INIT_ACK、COOKIE_ECHO和COOKIE_ACK建立SCTP偶联，并通过HARTBEAT和HEARTBEAT_ACK保持连接的可用性；

②完成S1AP协议的复位和恢复；

③接收eNodeB的初始化UE，分配S1APID，进行ASN.1解码，把NAS和有关消息内容绑定到一个CallId(CallID)发送给MME；

④S1AP部件接收MME指定CallId的NAS，通过下行NAS传输消息发送给eNodeB，完成UE的附着、服务请求和切换等功能；

⑤UE服务结束后，释放相关资源，删除S1APID。

4 结束语

通过对S1接口协议定位、协议栈架构、功能的分析，提出了同时支持多个eNodeB接入的核心网侧S1接口实现方案。该方案采用多实体注册技术，实例之间逻辑上相互独立，无接口关系，使得EPC网元实现方式更加灵活，可以根据需要采用分布式部署或者集中式部署，具有良好的扩展性和移植性。某专用通信系统采用了该设计方案，取得了良好的效果。

参考文献
[1]赵训威等，3GPP长期演进（LTE）系统架构与技术规范，人民邮电出版社，2010.
[2]3GPPTS36.401E-UTRAN Architecture description2010-03.
[3]3GPPTS36.410S1General aspects and principles2010-03.
[4]3GPPTS36.412E-UTRAN signaling transport 2010-03.
[5]3GPPTS36.413E-UTRAN S1 Application Protocol 2010-04.
[6]王鹏，康京山.基于IP的核心网侧Iu接口分析与实现，无线电工程，2009，39(7):1-4.