LTE EPC：預(yù)集成框架的推動因素和優(yōu)點

目錄

市場趨勢
OEM 面臨的挑戰(zhàn)與要求
流量模型
RADISYS 的 LTE 就緒平臺
OEM 從 RADISYS/ ARICENT/6WIND 產(chǎn)品獲得的好處
詞匯表參考

市場趨勢

移動通信已經(jīng)成為信息共享的首選來源，并且不斷出現(xiàn)新的令人興奮不已的大帶寬多媒體應(yīng)用來推動視頻和數(shù)據(jù)的這種傳送。眾多應(yīng)用，例如互動電視、移動播客、高級游戲、高清多媒體和廣播電視應(yīng)用，都需要極大的帶寬并且最大程度地減少延遲以提供最佳消費者體驗。這些應(yīng)用以及很多更具創(chuàng)意的豐富媒體應(yīng)用，已經(jīng)形成了對長期演進 (Long Term Evolution, LTE) 的需求，預(yù)期分別提供 50mbps 和 100 mbps 的上行鏈路和下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸速率。LTE 提供很多獨特的優(yōu)勢，包括提高的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率、提高的蜂窩小區(qū)邊緣性能、減少的延遲和更低的每吉字節(jié)成本。LTE 也預(yù)期不久以后將主要通過固定技術(shù)迎合寬帶市場的需求，這是因為固定技術(shù)可提供具有競爭力的數(shù)據(jù)速率，協(xié)助運營商增加用戶群。LTE 提供一種輕松的遷移途徑，并且是 3GPP 和 CDMA 運營商的共同目標(biāo)。它向下一代移動技術(shù)，通常稱為 4G，邁出了一大步。LTE 將多種技術(shù)匯聚在一起，并且通過降低運營商的資本支出 (CAPEX) 和運營支出 (OPEX) 向運營商提供獨特的成本優(yōu)勢。

預(yù)計 LTE 初期部署始于 2010 年，Verizon、NTT Docomo、 Teliasonera、Telenor 是第一批部署的運營商。依據(jù) GSA Report，1全球已經(jīng)有 39 家運營商承諾部署 LTE。預(yù)計這個數(shù)字在接下來的五年里會顯著增大，因為 LTE 將繼續(xù)作為可供運營商滿足用戶日益增長的對更高數(shù)據(jù)傳輸速率的需求的首選。

但是，也有會影響在世界范圍內(nèi)部署 LTE 的障礙。LTE 是一種新的復(fù)雜技術(shù)，需要原始設(shè)備制造商 (OEM) 進行巨額投資。估計從頭建立 LTE 節(jié)點，OEM 需要至少 18-24 個月才能完成開發(fā)、集成、測試、實驗室試用、現(xiàn)場試用等各個階段。此外，這些節(jié)點需要高得驚人的數(shù)億美元投資。由于最近的經(jīng)濟低迷，大多數(shù) OEM 已經(jīng)減少了他們的研發(fā) (RD) 投資，這當(dāng)然也影響了很多供應(yīng)商的 LTE 計劃。很多領(lǐng)先的 OEM 已經(jīng)延遲了他們的開發(fā)計劃，并且尋求代替品以進行內(nèi)部開發(fā)，其中成本優(yōu)化是一個關(guān)鍵條件。很多 OEM 正在組建聯(lián)盟以劃分投資并制訂聯(lián)合解決方案。因此，一方面對更快數(shù)據(jù)傳輸速率支持的需求越來越大，從而推動服務(wù)提供商急需引入 LTE，另一方面因為當(dāng)前的經(jīng)濟環(huán)境，研發(fā)預(yù)算卻不斷緊縮。

OEM 面臨的挑戰(zhàn)與要求

對于 LTE 基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)，OEM 正面臨著若干挑戰(zhàn)與要求。以下列出在滿足運營商需求的過程中 OEM 面臨的某些主要挑戰(zhàn)與要求。

上市時間

隨著用戶對應(yīng)用越來越了解，并且表現(xiàn)出對使用需要高帶寬和高品質(zhì)體驗的新服務(wù)做出越來越充分的準(zhǔn)備，服務(wù)提供商既看到了機遇，也看到了威脅。部署新服務(wù)增加每單元平均收入 (ARPU) 是機遇，如果不能及時部署新功能并提供這些服務(wù)則面臨威脅，競爭會“吃掉他們的蛋糕”！ 這正在驅(qū)使運營商縮短他們的上市時間，因為他們希望能夠首先啟用并體驗更大的帶寬服務(wù)。這反過來又會推動 OEM 做相同的事情。依據(jù) GSA Report，1在 2010 年結(jié)束前有 14 個 LTE 網(wǎng)絡(luò)會投入服務(wù)。大多數(shù) OEM 仍在從經(jīng)濟低迷中恢復(fù)，并且已經(jīng)減少了他們的研發(fā)支出。在這種情況下，OEM（一流公司除外）不太可能在要求的時間內(nèi)提供可行的 LTE 解決方案—尤其如果他們從頭開始的話。這些 OEM 正在尋求代替解決方案，這些解決方案既能幫助他們滿足上市時間要求，又能減少需要的投資水平。使用能實現(xiàn)所需可擴展性和靈活性的基于構(gòu)建塊的預(yù)集成框架，能夠幫助縮短開發(fā)周期，前提是已經(jīng)在一流硅技術(shù)的基礎(chǔ)之上為解決方案標(biāo)定了需要的性能。此類解決方案不僅顯著縮短 OEM 交付時間，還幫助 OEM 專注于他們自己的應(yīng)用強項和增值項目。

減少初始投資

盡管通過電信服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量正在呈指數(shù)增長，但是 ARPU 仍然保持在相對平坦的水平。請參閱來自 GSA Report 的圖 1。

圖 1. 預(yù)期流量增

因此，服務(wù)提供商面臨將任何網(wǎng)絡(luò)擴展貨幣化的挑戰(zhàn)。如果運營商要求資本支出水平，這會限制 OEM 建立更加靈活且可擴展性更好的解決方案，這些解決方案能夠在初期滿足數(shù)以千計的用戶的需要，然后可依據(jù)市場需求擴展。預(yù)計 LTE 部署始于 2010 年，而用戶的實際增長將在接下來的三至四年里出現(xiàn)。依據(jù) Juniper Research，2 到 2014 年年底，將會有一億 LTE 用戶。這正在推動對初始同位置 LTE 分組核心演進 (EPC) 節(jié)點的需求，這種節(jié)點只為一組有限的用戶服務(wù)，并且之后能夠擴展以滿足用戶增長。這些節(jié)點將隨著帶寬需求的增長而逐步擴展。分布式 EPC 節(jié)點還能提供更好的覆蓋范圍和地理位置冗余。同位置節(jié)點和分布式節(jié)點將服務(wù)于同一區(qū)域， 并且將不斷地從現(xiàn)有部署進行擴張。

與原有網(wǎng)絡(luò)的相互作用

OEM 需要確保正在建立的新 LTE 節(jié)點能夠與原來的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相互作用。LTE EPC 基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)的移動性管理實體 (MME) 必須在用戶從 2G/3G 網(wǎng)絡(luò)路由區(qū)域移入 LTE 區(qū)域時能夠處理用戶環(huán)境。同樣，如果用戶正期待連接到一個接入點名稱 (APN)，運營商可能希望單個分組網(wǎng)關(guān) (PGQ) 擔(dān)當(dāng) GGSN。在被名為調(diào)用服務(wù)網(wǎng)關(guān) (SGW) 的 LTE EPC 元素請求時，擔(dān)當(dāng) PGW 的同時，在被 SGSN 請求時，PGW 也可起到 APN 的作用。因此，EPC 元素必須允許與原來的 2G/3G 核心網(wǎng)絡(luò)以及 CDMA 網(wǎng)絡(luò)具有無縫互用性。

語音和短信 (SMS) 支持

盡管很多運營商正在將賭注下在最初為數(shù)據(jù)服務(wù)而部署的 LTE 上，他們?nèi)匀挥媱澆渴鹉苤С终Z音和短信等“現(xiàn)金奶?！钡木W(wǎng)絡(luò)。有多種選項支持語音和短信，包括 CSFB、VoIP（需要 IMS 基礎(chǔ)設(shè)施）和 VoLGA（一種針對 LTE 的本地語音解決方案）。運營商可能會看好證明了一種或多種語音功能支持選項的 OEM 解決方案。

對可定制構(gòu)建塊的需要

OEM 的大多數(shù)增值項目是應(yīng)用空間，但是他們通常還擁有為了在市場中脫穎而出而開發(fā)和維護的高級專有元素。在某些情形下，服務(wù)提供商的要求可能因網(wǎng)絡(luò)而異。例如，某些運營商可能希望增加他們自己的軟件以提供網(wǎng)絡(luò)接入功能或進行記費。能夠充分利用一個模塊化兼靈活性的構(gòu)建塊庫非常重要，它使 OEM 能夠依據(jù)需要代替具體的層。

滿足不同用戶使用需要的共同解決方案

無論從開發(fā)還是從支持的觀點來看，依不同的部署節(jié)點使用不同的解決方案對 OEM 和服務(wù)提供商而言都非常昂貴。解決方案應(yīng)有足夠的靈活性，在高密度市區(qū)允許擴展，同時在低密度郊區(qū)又能符合成本效益。

流量模型

依據(jù)市場數(shù)據(jù)，無線數(shù)據(jù)流量持續(xù)增長，但是來自數(shù)據(jù)流量的收入并沒有以相同的水平增加。Cisco3 預(yù)計流量增長的最大推動因素將來自視頻流量，在 2013 年，該流量將占所有移動數(shù)據(jù)流量的 64% 左右。在 2008 年，每月的視頻流量平均約為 13,000 太字節(jié)，或約為所有移動流量的 39%。Cisco 預(yù)計到 2013 年，視頻流量將增加 100 倍以上，每月的流量平均約為 130 萬太字節(jié)。移動瀏覽器開發(fā)商 Opera Software 進行的一項研究表明，與 2007 年11 月相比，發(fā)送到手機的數(shù)據(jù)流量在 2008 年 11 月躍升了 463%，同一時間在手機上查看的網(wǎng)頁增加了 303%。

依據(jù)運營商的數(shù)據(jù)，10% 的用戶 — 通常是帶寬密集型視頻游戲玩家或音樂愛好者 — 占了數(shù)據(jù)流量的 80%。Allemand 說，解密狗和智能手機的擴展使用造成 SFR 移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量增加了十倍，而收入增加了 30%。

流量模式

為了理解部署要求，為簡單起見，可以在兩個主要業(yè)務(wù)內(nèi)研究流量模式：

用戶集中地區(qū)（例如大城市）中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點高數(shù)據(jù)用戶密度

用戶分散地區(qū)（例如郊區(qū)/偏遠地區(qū)）中的低數(shù)據(jù)用戶密度

用于流量模型的數(shù)據(jù)

為了研究和分析需求，我們必須做出幾個假設(shè)以估計通過 LTE 節(jié)點的流量。

以下分析以 Cisco VNI3 預(yù)測、[VNI Forecast from 2009-1-29]: http://www.cisco.com/en/US/solutions/collateral/ns341/ns525/ns537/ns705/ns827/white_paper_c11-520862.html]、Analysys Research Report4 (January 2008) 和 UMTS Forum5 February 2009 Whitepaper on Mobile Broadband Evolution: HSPA to LTE 為基礎(chǔ)。

依據(jù)此預(yù)測，到 2011 年，估計（全球）每月有約 50 萬太字節(jié)的移動下載流量。在此時間內(nèi)，預(yù)計約有 20% 的流量（依據(jù) UMTS Forum 2008 年 2 月的白皮書）將通過 LTE 網(wǎng)絡(luò) [10 萬太字節(jié)]。假定 80% 的流量出現(xiàn)在 20% 的時間/天數(shù)中，這會得出每天有 4.8 小時的峰值下載時間。我們計算出通過 LTE 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量約為 0.1 x 106 *8*0.8/(4.8*30*3600) = 1.23 太比特/秒。現(xiàn)在，估計到 2011 年約有 400 3萬移動用戶在 LTE 基礎(chǔ)設(shè)施之上。這帶來平均 0.30 Mbps/用戶的數(shù)據(jù)流量。

高密度 — 集中地區(qū)

此模式在大城市部署或一級城市部署中最常見。依據(jù) GSA 預(yù)測的數(shù)據(jù)，我們假設(shè)到 2011 年將安裝 40 個 LTE 網(wǎng)絡(luò)。并且依據(jù)分析預(yù)測和其他參考資料，假定每年的用戶數(shù)量和數(shù)據(jù)流量都增倍。

試用/初期部署（2011 年為基準(zhǔn)），每個安裝面向約 300,000?8224 . 名用戶。峰值數(shù)據(jù)傳輸速率為 0.30Mbps，這意味著每個 LTE 分組核心演進(EPC) 節(jié)點將需要支持約 90Gbps 的流量。

接下來的 24 個月（2013 年）：每年用戶數(shù)量加倍（120 萬），數(shù)據(jù)流量也加倍 (1.20Mbps)，每個安裝的流量將需要支持 1.4Tbps 的數(shù)據(jù)吞吐量。

歷史上，以每個安裝的用戶群為基礎(chǔ)，運營商在指定安裝上供應(yīng)的典型用戶數(shù)量范圍約為一百萬至兩百萬（超過此范圍通常會被視為有極大的風(fēng)險）。

在此部署中，會期待 EPC 將部署在至少兩個位置中以維持冗余性。

低 LTE 密度 — 分散地區(qū)

此模式在低認知度的的分散地區(qū)（包括若干二級或三級城市或鄉(xiāng)村）中最常見。

試用/初期部署：35,000 名平均數(shù)據(jù)流量為 0.3Mbps 的用戶，使每個安裝約支持 10.5Gbps 的數(shù)據(jù)流量。

接下來的 24 個月（2013 年）：14 萬用戶，每個用戶 1.2Mbps 的流量。每個安裝需要支持 168Gps 的總峰值流量。

RADISYS 的 LTE 就緒平臺

RadiSys/Aricent/6WIND 提供一種預(yù)集成、預(yù)優(yōu)化的 EPC 解決方案，在構(gòu)建 LTE EPC 節(jié)點方面向 OEM 提供實質(zhì)性的時間與成本節(jié)約。此聯(lián)合解決方案包含 RadiSys 的行業(yè)領(lǐng)先的 Promentum?ATCA 分組處理平臺，采用最新的 Intel 和 Cavium Octeon 多核處理器，還包含 Aricent 的用于 EPC 節(jié)點的 LTE 就緒框架，由 6WINDGate?Linux 分組處理框架（IP 控制層協(xié)議、硬化 Linux 網(wǎng)絡(luò)堆疊和高性能快速路徑）提供動力。

RadiSys 提供最廣泛的 ATCA 產(chǎn)品系列，包括交換、基于 x86 的處理、分組處理與采用最新硅技術(shù)的媒體處理電路板，為 LTE EPC 提供最佳配置。RadiSys 的 ATCA 應(yīng)用就緒平臺還包含一個集成機架、操作系統(tǒng)、診斷程序、系統(tǒng)管理器及高可用性中間件。此平臺已經(jīng)使 35 個以上的電信應(yīng)用成為可能，并且在 LTE EPC 中針對 10G 和 40G 配置的強大性能進行了特別配置。

6WINDGate 實施提供一個生產(chǎn)就緒確認快速路徑分組處理，包括 IPv4 和 IPv6 轉(zhuǎn)發(fā)、虛擬路由 (VRF)、鏈路匯聚、VLAN、GRE 封裝、IP in IP、GTP、過濾與防火墻、IPsec、QoS、IP 碎片重組、ROHC 等。RadiSys 充分利用 6WINDGate 實施來為 Intel 和 Octeon 多核電路板提供強大動力，使平臺能夠用一組多核 CPU 進行擴展。Aricent 使用 6WINDGate 路由和安全控制層協(xié)議來集成 LTE 信令協(xié)議。解決方案提供在 SGW 中用于 GTP 穿隧的 EPC 數(shù)據(jù)路徑處理、在 PGW 中用于 GTP-U 至 IP 轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)路徑處理，以及依據(jù) EPC 要求進行測量、過濾和QoS。

Aricent 提供針對 MME、SGW 和 PGW 的預(yù)集成預(yù)優(yōu)化框架。這些框架基于 Aricent 行業(yè)領(lǐng)先的 Diameter 和 GTP 知識產(chǎn)權(quán)，它們經(jīng)過眾多供應(yīng)商和網(wǎng)絡(luò)的充分測試、集成與部署。MME 解決方案提供一組全面的用于支持移動性管理、會話管理和安全的功能集。此解決方案支持的外部接口包括 S1-MME、S11、S6a、S10、S13、S101、S102、S3、 SGs。SGW/PGW 解決方案支持的功能集包括聯(lián)機和脫機充電、靜態(tài)接口以及支持的接口（包括 S11、透明 SGi、非透明 SGi、S5、Gn、Gx、Gy/Ro、Gz/Rf 和 S4）?？刂瓶蚣茴A(yù)先集成有一個管理接口，該接口可被客戶自己的管理框架輕松代替。LTE 解決方案可擴展到支持一百萬用戶。

部署模型

聯(lián)合框架提供以下兩種部署模型：

單一部署中的可擴展節(jié)點

這種部署會構(gòu)成一個容納 6WINDGate 分組處理框架和針對 MME、SGW 和 PGW 的 Aricent EPC 框架的 RadiSys 機架。當(dāng)用戶和流量要求增加時，添加更多刀片服務(wù)器以增加吞吐量。添加的刀片服務(wù)器將擔(dān)當(dāng)池中的其他 MME、SGW 或 PGW。每個刀片服務(wù)器會服務(wù)于一組跟蹤區(qū)域 (TA)。eNodeB 會依據(jù)跟蹤區(qū)域指示符 (TAI) 選擇正確的MME。MME 會進一步依據(jù) TAI 選擇正確的 SGW。因此，當(dāng)添加新的刀片服務(wù)器時，配置會允許 MME 選擇新的 SGW 而不會停機?？梢砸罁?jù) APN 為每名用戶選擇 PGW。

使用分布式部署的可擴展節(jié)點

這種部署模式會適合地理冗余。在這種情形中，EPC 節(jié)點應(yīng)位于 eNodeB 附近的不同位置。每個位置應(yīng)將 EPC 節(jié)點部署在單獨的機架中。所有 EPC 節(jié)點都應(yīng)相互知道。同樣在這種情形中，通過識別每個新的 MME、SGW 或 PGW 的新節(jié)點的刀片服務(wù)器，即可實現(xiàn)擴展。新的刀片服務(wù)器的使用與上面的相同。在這里，如果一個位置關(guān)閉，則不同位置中的其他 EPC 節(jié)點能夠處理流量。運營商獲得擴展和地理冗余的雙重好處。

流量模型的使用案例

如第 3.1.2 節(jié)和第 3.1.3 節(jié)中的流量和用戶要求假定，可以使用 RadiSys Promentum ATCA 平臺和構(gòu)建塊來開發(fā) LTE EPC 解決方案，從而具備運營商級可靠性和冗余、可擴展性，因此可用符合成本效益的方式，以最小配置開始部署，并且隨著用戶群的增長通過模塊化升級來增加容量。依據(jù) Cavium Octeon 和 Intel 處理器以及帶 6WIND 和 Aricent 軟件堆疊的 RadiSys 構(gòu)建塊的性能基準(zhǔn)，建議以下硬件配置（圖 6 和圖 7），以作為構(gòu)建集成分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和服務(wù)網(wǎng)關(guān)解決方案的例子：

高密度 — 集中地區(qū)（表 1）

如大致的數(shù)量級計算所示，需要二至十個 14 至 16-插槽系統(tǒng)才能支持 120 萬用戶。圖 6 是一個系統(tǒng)配置例子。

性能可擴展

給定資本支出限制和期待的用戶與數(shù)據(jù)增長率，解決方案的性能是一個關(guān)鍵的考慮因素：

6WINDGate 的基于快速路徑的架構(gòu)提供可能的最佳分組處理性能。例如，它在 CN5860 Octeon 處理器上提供 14.8 Mpps 轉(zhuǎn)發(fā)性能，在 RadiSys 雙 Octeon ATCA 電路板上提供約 30 Mpps 的速率。由于其分布式架構(gòu)，6WINDGate 性能與多核 Octeon 和多核 -x86 RadiSys 電路板集群成比例，在 ATCA 機架中為 Aricent LTE 信令和 LTE 用戶分組處理提供動力，無論機架配置如何。

彈性和高可用性

6WINDGate 軟件與高可用性系統(tǒng)完全集成在一起。6WINDGate 提供高可用性就緒關(guān)鍵功能，包括 NSR（Non Stop Routing，不間斷路由）、NSF（Non-Stop Forwarding，不間斷轉(zhuǎn)發(fā)）、ISU（In Service Upgrades，服務(wù)中升級）、Graceful Restart（優(yōu)雅重啟）、監(jiān)視服務(wù)和針對路由、安全和防火墻等關(guān)鍵功能的控制層協(xié)議之間的活動同步。

全管理解決方案

RadiSys/Aricent/6WIND/ 解決方案有一個完整的管理系統(tǒng)。它為 L2-L4 軟件集成了 6WINDGate 的 XML-based Management Software (XMS)。從管理觀點來看，XMS 的開放架構(gòu)簡化了增值功能的集成。

部署經(jīng)驗

LTE 就緒平臺基于歷經(jīng)證明的技術(shù)和流程。

在電信領(lǐng)域，RadiSys 的產(chǎn)品部署在世界各地，RadiSys 的客戶包括世界上已經(jīng)采用 ATCA 的所有主要電信 OEM。使用其預(yù)集成應(yīng)用就緒平臺解決方案的方法，RadiSys 已經(jīng)成功幫助其 TEM 客戶在創(chuàng)記錄的時間里向市場提供了解決方案（在某些案例中，從選擇供應(yīng)商到解決方案投入商用只要 12 個月）。

Aricent 在無線領(lǐng)域提供產(chǎn)品與服務(wù)已有 15 年以上的歷史。它合作開發(fā)了很多行業(yè)第一，例如 Femtocell 解決方案和 WiMAX 基站。它擁有跨幾種無線技術(shù)領(lǐng)域的眾多知識產(chǎn)權(quán)，包括 GSM、GPRS、UMTS、HSPA 和 WiMAX，并且最近宣布推出針對分組核心節(jié)點的預(yù)優(yōu)化 LTE 框架，包括 MME、SGW 和 PGW。

6WINDGate 已經(jīng)獲得所有主要多核芯片組供應(yīng)商的認可。它專為在嵌入式芯片組及其操作系統(tǒng)環(huán)境以及在多核設(shè)備上使用而設(shè)計，用于電信、網(wǎng)絡(luò)和安全等方面。6WINDGate 分組處理解決方案已經(jīng)被眾多一流設(shè)備制造商選中，用于部署整個 LTE 基礎(chǔ)設(shè)施，包括 eNodeB 和 EPC 分組核心 (http://www.6wind.com/productdesign-wins.html)。

詞匯表：

COTS: Commercial off-the-shelf，商用現(xiàn)貨

IP: Internet Protocol，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

LTE: Long Term Evolution，長期演進

MME: Mobility Management Entity，移動性管理實體

OEM: Original Equipment Manufacturer，原始設(shè)備制造商

PGW: 分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)

SGW: 服務(wù)網(wǎng)關(guān)

參考：

? 依據(jù)分析研究報告（2008 年 1 月）以及來自各行業(yè)的更新材料。

?? 假定 30% 的節(jié)點通過大城市部署覆蓋 70% 的用戶。在 2011 年，400 萬 LTE 用戶總數(shù)中，有 300 萬用戶在大城市中的 10 個安裝內(nèi) = 30 萬用戶/LTE 節(jié)點。在分散地區(qū)，30 個安裝 = 100 萬用戶 = 3.5 萬用戶/ 安裝。