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LTE信令及信令采集技术培训v3


网管系统技术架构培训 ——LTE信令及信令采集技术
研究院 2014年8月

提纲

1 2 3 4

LTE系统整体介绍 端到端信令过程 软采及硬采技术

统一DPI系统

2

LTE系统架构
除了在TS 23.060中定义的功能外, SGSN还包括如下功能: PDN GW 是终结到PDN的SGi接口的网关; -在2G/3G和E-UTRAN间移动时核心网节点间的信 如果终端接入多个PDN时,可能会有一个或者多个PDN GW 为其服 令 务; -PDG GW 和Serving GW 的选择 PDN GW 功能包括: -在从2G/3G向E-UTRAN切换过程中MME的选择 – 策略执行 Serving – GW 是终结到EUTRAN的网关; 基于每用户的包过滤器 (例如:通过深度包检测) 对于每一个附着到 EPS的终端在每一时刻只有一个 – 计费支持 Serving – GW 为其服务; 合法监听 Serving – GW 功能包括 : 终端 IP地址分配 – eNodeB间切换时候的移动锚点 –在 上下行速率控制 – 在3GPP不同接入系统间切换时的移动矛盾 –DHCPv4 、v6 – E-UTRAN空闲态数据缓存和网络侧业务请求 的发起点 – 合法监听 SGSN – 数据路由转发 HSS –计费 –传输层分组标记

NAS信令 NAS信令加密 在3GPP不同接入技术间 移动时核心网节点间的信 令 空闲态终端的跟踪 PDG GW 和Serving GW 的 选择 在MME改变的切换过程中 新MME的选择 在向2G/3G接入系统切换 过程中SGSN的选择 漫游支持鉴权 承载管理功能 合法监听 ETWS功能支持

UTRAN

GERAN S1-MME

S3

S6a MME S11 S12 S4 Serving Gateway S5 Gx PDN Gateway SGi PCRF Rx Operator's IP Services (e.g. IMS, PSS etc.)

LTE-Uu UE E-UTRAN S1-U

S10

3

网元间控制面整体协议栈

NAS Relay RRC PDCP RLC MAC L1 UE LTE-Uu RRC PDCP RLC MAC L1 eNodeB S1-AP SCTP IP L2 L1 S1-MME

NAS S1-AP SCTP IP L2 L1 MME

控制面协议栈
? ? 没有RNC,空中接口的控制平面(RRC)功能由eNB进行管理和控制 NAS消息通过S1-AP消息和RRC消息透传

4

网元间用户面整体协议栈

用户面协议栈
?
?

用户面和控制面协议栈均包含PHY,MAC,RLC和PDCP层,控制面向上还包含 RRC层和NAS层
没有了RNC,空中接口的用户平面(MAC/RLC)功能由eNB进行管理和控 制
5

Uu接口协议栈
UE NAS RRC PDCP RLC MAC PHY RRC PDCP RLC MAC eNB MME NAS

UE PDCP RLC MAC PHY

eNB PDCP RLC MAC PHY

PHY

控制面
? 控制平面RRC协议数据的加解密和 完整性保护功能,在LTE中交由 PDCP层完成 RRC子层主要承担广播、无线接口 寻呼、RRC连接管理、无线承载控 制、移动性管理、UE测量上报和控 制等功能 RRC消息通过SRB传输 ?

用户面
安全方面的功能,用户面 的加密和解密功能由 PDCP子层完成 用户面数据通过DRB传输

?

?

?

6

X2接口协议栈

控制面
? ? LTE系统X2接口的定义采用了与S1接口 一致的原则 X2接口应用层协议主要功能:
– – – 支持LTE_ACTIVE状态下UE的LTE接入系 统内的移动性管理功能; X2接口自身的管理功能,如错误指示、 X2接口的建立与复位,更新X2接口配置 数据等; 负荷管理功能。

用户面
? ? X2接口用户面提供eNB之间的用户数 据传输功能 X2-U接口协议栈与S1-U接口协议栈 完全相同

7

S1接口协议栈

控制面S1-MME
? ? 控制层为了可靠的传输信令消息,在IP 层之上添加了SCTP S1控制面主要功能:
– – – – – – – – EPC承载服务管理功能; S1 接口UE上下文释放功能; ACTIVE状态下UE的移动性管理功能 S1接口的寻呼; NAS信令传输功能; 漫游于区域限制支持功能; NAS节点选择功能; 初始上下文建立过程;

用户面S1-U
? ? UDP/IP之上的GTP-U用来传输S-GW与 eNB之间的用户平面PDU S1用户面主要功能为:
– – – – – 在S1接口目标节点中指示数据分组所属 的SAE接入承载; 移动性过程中尽量减少数据的丢失; 错误处理机制; MBMS支持功能; 分组丢失检测机制;
8

S6a接口协议栈

控制面
? ? 集中保存UE的签约信息 配合MME完成对UE的鉴权及安全性激活功能

9

SGs接口协议栈

控制面
? ? ? ? ? 主要针对CSFB而引入 是2/3G CS域与LTE网络之间的桥梁 支持联合注册及联合TAU 支持SMS的传输 支持LTE终端的被叫业务,此时MSC向MME发送paging

10

S11接口协议栈

控制面
? ? ? 用于对用户面的会话及承载进行管理 管理操作可以由MME发起,也可以由SGW发起 SGW通知MME有下行数据到达,从而触发一个被叫过程

11

提纲

1 2 3 4

LTE系统整体介绍 端到端信令过程举例 软采及硬采技术

统一DPI系统

12

Attach

Attach过程
? 作用:
– Attach过程完成UE在网络的注册,完成核心网(EPC)对该UE默 认承载的建立

? 一个端到端的信令过程会涉及多个接口上的信令交互 ? 对于信令采集系统来说,希望能够通过对多接口的信令采集,来恢 复一个完整的端到端信令过程

13

UE开机Attach过程

Attach信令流程 E-UTRAN部分

14

完整的ATTACH过程

该核 用心 户网 上进 次行 关用 机户 遗身 留份 承验 载证 的? 删荐 除权 和

15

完整的ATTACH过程(续)

打核 通心 上网 行建 数立 据默 通认 道承 载 ?

道打 ?通 修下 改行 承数 载据 通
16

Service Request过程

Service Request 概述
? 作用
– 当UE无RRC连接且有上行数据发起需求时 – 当UE无RRC连接且有下行数据达到时 – 在S1接口上建立S1承载,在Uu接口上建立数据无线承载

?

说明
– 当UE发起service request时,需先发起随机接入过程 – Service Request由RRC Connection Setup Comlete携带上去 – 当下行数据达到时,网络侧先对UE进行寻呼,随后UE发起随机接入过程,并发 起service request过程 – UE发起service request相当于主叫过程 – 下行数据达到发起的service request相当于被叫接入

17

UE triggered Service Request

UE

eNodeB

MME

Serving GW

PDN GW

PCRF

HSS

1. NAS: Service Request 2. NAS: Service Request 3. Authentication/Security 4. S1-AP: Initial Context Setup Request 5. Radio Bearer Establishment 6. Uplink Data 7. S1-AP: Initial Context Setup Complete 8. Modify Bearer Request 9. Modify Bearer Request (A)
10. PCEF Initiated IP-CAN Session Modification

主叫、 被叫均 需发起 该过程

11. Modify Bearer Response 12. Modify Bearer Response
18

Network Triggered Service Request

UE

eNodeB

RNC/BSC

MME

SGSN

S-GW PDN GW 1. Downlink Data

2a. Downlink Data Notification 2b. Downlink Data Notification Ack 2a. Downlink Data Notification 3a. Paging 4a. Paging 4b. Paging 5. Service Request Procedure 6a. Stop Paging 6b. Stop Paging Downlink Data E-UTRAN Downlink Data 2G or 3G non DT Downlink Data 3G DT 3b. Paging 2b. Downlink Data Notification Ack

被叫业务,网络 通过Paging引发 UE发起该过程

19

提纲

1 2 3 4

LTE系统整体介绍 端到端信令过程 软采及硬采技术

统一DPI系统

20

为什么需要采集信令?
Uu接口 RRC PDCP MR、RRC连接管理信令、 MIB/SIB、TMSI 吞吐量 NAS

S1-MME/X2接口
UE附着、TA更新、寻呼、 鉴权、验证、QoS、IMSI E-RAB承载、上下文管理信 令、切换、TA信息 eNB间切换信息、eNB配置 更新信令、MRO信令:RLF、 HO report

MAC
PHY

PHR、C-RNTI MCS/CQI/PMI/RI、UE发 射功率、TA、资源调度

S1-AP

X2-AP

覆盖/干扰分析
弱覆盖、覆盖空洞、 干扰分析、导频污染

话务分布
话务密度分析、 MCS比例、PRB承 载效率分析

业务质量优化
接入性能、掉话率、 切换成功率

邻区优化
切换成功率、邻 区关系配置、 MRO

用户分析
用户信息的多接口 关联、行为分析、 感知评估

LTE信令采集与GSM/TD-S的区别: LTE网络扁平化,针对2G/3G无线接入网的采集接口(Abis/Iub)不复存在,需要采用新的采集方案,以获取 LTE网络MAC/RLC/PDCP/RRC层关键信息
21

LTE网络信令采集方案
接口与采集方式
LTE信令监测采用空口软采 集+核心网硬采集的方案, 获取网络全接口的全量信令

硬采
UTRAN

软采
GERAN S1-MME

SGSN S3

S6d HSS S6a

MME S11 S12 S4 Serving S5/S8 Gateway Gx

PCRF Rx SGi Operator's IP Services (e.g. IMS, PSS etc.)

LTE-Uu UE E-UTRAN S1-U

S10

PDN Gateway

采集数据源
Uu口(软采) X2(软采)
?
?

?全量MR ?全量RRC连接/ 管理信令 ?DCI、UCI ?PHR、TA等测量数据 ?吞吐量等统计指标

eNB间切换信息、 eNB配置更新信令 MRO信令:RLF、 HO report

?E-RAB承载信息 ?上下文管理信息 ?移动性管理信息 ?UE附着、TA更新、寻呼、鉴权、 验证、QoS、IMSI等信息

S1-MME口(硬采)

S1-U(硬采)
? ? ? ? ? 用户面数据 业务类型 流量 URL …

硬采新增 采集接口

? ? ? ? ? ?

S6a:NAS密钥信息 S11:S1信令面和用户面关联信息 S10:跨MME切换信息 sGs:CSFB流程信令 Gn:4G与2/3G互操作信息 S5/S8: SGW和PGW间的控制信息 22

什么是信令软采?
信令软采是指LTE网元设备eNB直接输出Uu、X2接口的全量信令数据到软采解析 服务器
组网方式:
数据采集层的软采解析设备
IF1

?
OMC

软采层由LTE主设备厂家负责承建,并提供
流量汇聚适配器(SCA)完成对多个eNB 信令数据的汇聚、封装与转发,要求至少 满足200eNB的汇聚能力;

软采层
流量汇聚适配器(SCA)

?
monitor eNB monitor eNB monitor eNB monitor eNB

SCA按照IF1接口要求输出标准的原始信令 数据及报头信息至数据采集层,具体接口 格式可参考《LTE软采设备规范v3.0.0》;

软采输出的IF1接口数据: ? Uu、X2接口原始信令 ? 原始信令中缺少的关键信息,如MME UE S1AP ID, C-RNTI, 上行接收功率、TA、AoA 等, 以报头形式输出
23

软采输出标准接口格式
? eNB输出的全量信令按帧进行封装,每条信令1帧,基于SDTP协议传送至SCA设备
2字节 数据包 长度 17字节 通用包头 不定长 专用包头 帧N 不定长 原始信令数据

所有接口的信令均需携带 的字段,用于指示本条消 息数据的采集方式(软采 集)、采集接口、采集网 元和时间 接口
Uu接口 (RRC)

针对不同接口(Uu、X2、 Uu扩展)设置所需的携带 消息字段,用于指示信令 数据对应的小区、用户或 端口信息 接口特点和专用包头要求

采集的原始RRC或X2接口 消息,或者Uu扩展接口的 基站内部测量参数

专用包头关键字段
C-RNTI、MME UE S1-AP ID、eNBID+cellID

eNB上报,需要携带小区和用户标识

X2接口 (X2-AP)

eNB上报,需要携带源和目的ENB标识+源小 区标识

源eNBID、目标eNBID、 源cellID
采集粒度(小区 or 用户)、 eNBID+cellID、C-RNTI、 MME UE S1-AP ID
24

Uu-extend接口 根据上报的测量参数统计维度,区分仅携带小 (基站内部测量) 区标识和携带小区+用户标识两种情况

软采功能产业支持情况
? 经过两期测试验证,各厂家软采功能相对于去年有了提高,并开始具备 200eNB的规模部署能力,但是软采上报内容的准确性和完备性有待提高: – 华为、中兴、大唐、诺西:支持较好,基本具备现网部署能力,但专用包头封 装、Uu-extend接口上报、信令完整性等功能需进一步完善 – 爱立信:现网测试丢包率较高,专用包头不支持上报RNTI字段,影响用户信 令关联; – 上海贝尔、普天:功能和准确性支持不好,不具备现网部署功能,需要降低信 令丢包率,并改进Uu-extend接口上报功能 – 烽火、新邮通:不支持软采功能

25

提纲

1 2 3 4

LTE系统整体介绍 端到端信令过程 软采及硬采技术

统一DPI系统

26

中国移动一DPI系统架构

27

统一DPI系统过渡期方案
? 共享层的大数据共享平台需要未来建设,何时能够建好还不确定 ? 为了更快的让统一DPI系统落地,由数据合成服务器完成共享层功能 ? 数据合成服务器直接与上层应用系统建立接口

? XDR全部上报给上层应用系统,没有订阅过程

28

统一DPI系统对应规范

LTE数据合成服务器接口规范 LTE数据合成服务器设备规范 LTE信令采集解析服务器接口规范 ?LTE信令采集解析服务器设备规 范(软采分册) ?LTE信令采集解析服务器设备规 范(硬采分册) ?统一DPI设备技术规范(用户面 部分)

29

各设备实现功能
? 软采采集解析服务器
? 接收SCA输出的软采数据并进行解析,形成Uu/X2接口XDR
? 将XDR及原始码流上报给数据合成服务器

? 硬采采集解析服务器
? 在MME侧通过分光镜像方式采集S1-MME/S6a/SGs接口原始信令并进行解析 ? 形成S1-MME/S6a/SGs接口XDR ? 将XDR及原始码流上报给数据合成服务器

? 统一DPI设备
? 在SGW侧通过分光镜像方式采集S1-U/S11接口原始信令并进行解析
? 形成S1-U/S11接口XDR ? 将XDR及原始码流上报给数据合成服务器

? 数据合成服务器
? 对单接口XDR进行关联、回填、合成操作
? 将完整单接口XDR及合成XDR上报给应用层 ? 生成用户上网日志文件用于满足指定系统查询及上报需求 ? 对原始码流及用户上网日志文件进行存储

? 进行KPI统计,支持应用系统的KPI订阅需求

30

统一DPI系统关键技术-XDR格式设计
? 单接口XDR及合成XDR格式设计
? 考虑应用层需求

? 考虑关联回填需求
? 考虑KPI统计需求(集团网络部提出) ? 考虑XDR存储及传输的开销 Uu XDR IMSI(待回填) MME UE S1AP ID

S1-MME XDR
IMSI

MME UE S1AP ID
TMSI(用于CSFB关联) Start time End time Procedure type Status(成功或失败) Keyword ……

XDR关联 回填需求

Start time
End time

Procedure type
Status(成功或失败) Keyword ……

应用层及 KPI统计需求

31

统一DPI系统关键技术-XDR关联算法
? 数据合成服务器中需要将同一个UE的多接口XDR进行关联 ? LTE内部各接口的关联 ? CSFB中,LTE接口与Mc接口的关联 ? 通过UE标识及时间戳进行各接口信令的关联 ? 通过UE标识可以关联一个UE的所有信令 ? 通过时间戳判断信令的先后顺序 UE标识 Uu X2 S1-U S11 S5/8 S6a SGs Mc MME UE S1AP ID MME UE S1AP ID GTP-TEID IMSI, MSISDN, IMEI IMSI IMSI, MSISDN, IMEI IMSI TMSI 时间戳 软采设备采集时间 软采设备采集时间 硬采设备采集时间 统一DPI设备采集时间 硬采设备采集时间 硬采设备采集时间 硬采设备采集时间 硬采设备采集时间 Mc口采集设备采集时间

S1-MME(关键接口) MME UE S1AP ID, IMSI, GUTI, GTP-TEID, TMSI

采集设备需要进行时间同步,可通过NTP服务器实现

32

UE标识
用户标识 IMSI IMEI IMEISV 名称 International Mobile Subscriber Identity 来源 作用

TMSI
MME UE S1AP ID GUTI

UE在首次ATTACH时需要携带IMSI SIM卡 信息,网络也可以通过身份识别流 程要求UE上报IMSI参数 International Mobile 国际移动台设备标识,唯一标识UE 终端 Equipment Identity 设备,用15个数字表示 IMEI and Software 携带软件版本号的国际移动台设备 终端 Version Number 标识,用16个数字表示 Temporary Mobile 2/3G的CS域为LTE终端分配的临时 MSC产生并维护 Station Identifier 标识 MME产生并维 MME为UE分配的S1-MME接口上 护 的标识

Globally Unique Temporary Identifier

MME产生并维 护

全球唯一临时标识,在LTE网络中 唯一标识UE,可以减少IMSI, IMEI等用户私有参数暴露在网络传 输中

33

XDR关联算法举例-CSFB被叫流程

现网实现中存在以下问题: ? ? SCA输出软采数据不完整或不准确,造成Uu XDR中的MME S1AP ID缺失或错误 S1接口采集丢包造成NAS层无法解密,从而无法 形成S1 XDR,导致无法关联MME S1AP ID与 IMSI 不同接口采集设备时间不同步,造成不同接口 XDR中的时间戳错乱

?

34

基于XDR进行KPI指标合成
接口 Uu 重要KPI指标 RRC连接建立成功率,RRC连接重建成功率,RRC连接释 放次数

X2
S1-MME

X2切换成功率
附着成功率,TAU成功率,Service Request成功率, PDN连接成功率,S1切换成功率,EPS专用承载建立/修 改/删除成功率,鉴权成功率 会话建立成功率,承载建立/修改/删除成功率

S11

SGs
S1-U

CSFB寻呼成功率,联合附着成功率,联合TAU成功率
各种业务的流量及时长统计等

35

应用层方案示例
应 用 层 功 能

网络质量和性能分析
无线网络结构分析 网络性能(KPI)分析 CSFB分析

网络扩容分析
LTE网络利用率分析 LTE网络扩容评估方案

业务质量分析
VoLTE业务质量评估 典型互联网业务质量评估

用户行为和流量经营 分析
终端行为与终端能力分析 用户行为分析

支撑

支撑 网元 部署 基础 建设 参数 调整 资费 调整

支撑 终端 推广 套餐 建议 营销 建议

支撑

助力决策系统

呈 现 方 式
用户或事件精确定位 栅格化呈现 立体呈现 报表和信令呈现

36

统一DPI项目进展情况
14年3月至6月 撰写技术规范: ? LTE软采LTE信令采集解 析服务器设备规范(软采 分册) ? LTE信令采集解析服务器 设备规范(硬采分册) ? LTE信令采集解析服务器 接口规范(硬采分册) ? LTE数据合成服务器设备 规范 ? LTE数据合成服务器接口 规范

14年6月
撰写测试规范: ? LTE数据合成服务 器测试规范 ? LTE采集解析服务 器测试规范(软采 分册) ? LTE采集解析服务 器测试规范(硬采 分册)

14年7月至8月 集采测试准备工作: ? 功能测试方案设计 ? 性能测试方案设计 ? 测试环境搭建 ? 测试方案可行性验 证

14年9月~11月 集采测试、招标

部署 建设

37

谢谢!
联系人: 张欢 zhanghuan@chinamobile.com


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