LTE EPC：预集成框架的推动因素和优点

      目录

      市场趋势
      OEM 面临的挑战与要求
      流量模型
      RADISYS 的 LTE 就绪平台
      OEM 从 RADISYS/ ARICENT/6WIND 产品获得的好处
      词汇表参考

      市场趋势

      移动通信已经成为信息共享的首选来源，并且不断出现新的令人兴奋不已的大带宽多媒体应用来推动视频和数据的这种传送。众多应用，例如互动电视、移动播客、高级游戏、高清多媒体和广播电视应用，都需要极大的带宽并且最大程度地减少延迟以提供最佳消费者体验。这些应用以及很多更具创意的丰富媒体应用，已经形成了对长期演进 (Long Term Evolution, LTE) 的需求，预期分别提供 50mbps 和 100 mbps 的上行链路和下行链路数据传输速率。LTE 提供很多独特的优势，包括提高的峰值数据传输速率、提高的蜂窝小区边缘性能、减少的延迟和更低的每吉字节成本。LTE 也预期不久以后将主要通过固定技术迎合宽带市场的需求，这是因为固定技术可提供具有竞争力的数据速率，协助运营商增加用户群。LTE 提供一种轻松的迁移途径，并且是 3GPP 和 CDMA 运营商的共同目标。它向下一代移动技术，通常称为 4G，迈出了一大步。LTE 将多种技术汇聚在一起，并且通过降低运营商的资本支出 (CAPEX) 和运营支出 (OPEX) 向运营商提供独特的成本优势。

      预计 LTE 初期部署始于 2010 年，Verizon、NTT Docomo、 Teliasonera、Telenor 是第一批部署的运营商。依据 GSA Report，1全球已经有 39 家运营商承诺部署 LTE。预计这个数字在接下来的五年里会显著增大，因为 LTE 将继续作为可供运营商满足用户日益增长的对更高数据传输速率的需求的首选。

      但是，也有会影响在世界范围内部署 LTE 的障碍。LTE 是一种新的复杂技术，需要原始设备制造商 (OEM) 进行巨额投资。估计从头建立 LTE 节点，OEM 需要至少 18-24 个月才能完成开发、集成、测试、实验室试用、现场试用等各个阶段。此外，这些节点需要高得惊人的数亿美元投资。由于最近的经济低迷，大多数 OEM 已经减少了他们的研发 (R&D) 投资，这当然也影响了很多供应商的 LTE 计划。很多领先的 OEM 已经延迟了他们的开发计划，并且寻求代替品以进行内部开发，其中成本优化是一个关键条件。很多 OEM 正在组建联盟以划分投资并制订联合解决方案。因此，一方面对更快数据传输速率支持的需求越来越大，从而推动服务提供商急需引入 LTE，另一方面因为当前的经济环境，研发预算却不断紧缩。

      OEM 面临的挑战与要求

      对于 LTE 基础设施的开发，OEM 正面临着若干挑战与要求。以下列出在满足运营商需求的过程中 OEM 面临的某些主要挑战与要求。

      上市时间

      随着用户对应用越来越了解，并且表现出对使用需要高带宽和高品质体验的新服务做出越来越充分的准备，服务提供商既看到了机遇，也看到了威胁。部署新服务增加每单元平均收入 (ARPU) 是机遇，如果不能及时部署新功能并提供这些服务则面临威胁，竞争会“吃掉他们的蛋糕”！ 这正在驱使运营商缩短他们的上市时间，因为他们希望能够首先启用并体验更大的带宽服务。这反过来又会推动 OEM 做相同的事情。依据 GSA Report，1在 2010 年结束前有 14 个 LTE 网络会投入服务。大多数 OEM 仍在从经济低迷中恢复，并且已经减少了他们的研发支出。在这种情况下，OEM（一流公司除外）不太可能在要求的时间内提供可行的 LTE 解决方案—尤其如果他们从头开始的话。这些 OEM 正在寻求代替解决方案，这些解决方案既能帮助他们满足上市时间要求，又能减少需要的投资水平。使用能实现所需可扩展性和灵活性的基于构建块的预集成框架，能够帮助缩短开发周期，前提是已经在一流硅技术的基础之上为解决方案标定了需要的性能。此类解决方案不仅显著缩短 OEM 交付时间，还帮助 OEM 专注于他们自己的应用强项和增值项目。

      减少初始投资

      尽管通过电信服务提供商网络的数据流量正在呈指数增长，但是 ARPU 仍然保持在相对平坦的水平。请参阅来自 GSA Report 的图 1。

      图 1. 预期流量增

      因此，服务提供商面临将任何网络扩展货币化的挑战。如果运营商要求资本支出水平，这会限制 OEM 建立更加灵活且可扩展性更好的解决方案，这些解决方案能够在初期满足数以千计的用户的需要，然后可依据市场需求扩展。预计 LTE 部署始于 2010 年，而用户的实际增长将在接下来的三至四年里出现。依据 Juniper Research，2 到 2014 年年底，将会有一亿 LTE 用户。这正在推动对初始同位置 LTE 分组核心演进 (EPC) 节点的需求，这种节点只为一组有限的用户服务，并且之后能够扩展以满足用户增长。这些节点将随着带宽需求的增长而逐步扩展。分布式 EPC 节点还能提供更好的覆盖范围和地理位置冗余。同位置节点和分布式节点将服务于同一区域， 并且将不断地从现有部署进行扩张。

      与原有网络的相互作用

      OEM 需要确保正在建立的新 LTE 节点能够与原来的网络节点相互作用。LTE EPC 基础设施内的移动性管理实体 (MME) 必须在用户从 2G/3G 网络路由区域移入 LTE 区域时能够处理用户环境。同样，如果用户正期待连接到一个接入点名称 (APN)，运营商可能希望单个分组网关 (PGQ) 担当 GGSN。在被名为调用服务网关 (SGW) 的 LTE EPC 元素请求时，担当 PGW 的同时，在被 SGSN 请求时，PGW 也可起到 APN 的作用。因此，EPC 元素必须允许与原来的 2G/3G 核心网络以及 CDMA 网络具有无缝互用性。

      语音和短信 (SMS) 支持

      尽管很多运营商正在将赌注下在最初为数据服务而部署的 LTE 上，他们仍然计划部署能支持语音和短信等“现金奶牛”的网络。有多种选项支持语音和短信，包括 CSFB、VoIP（需要 IMS 基础设施）和 VoLGA（一种针对 LTE 的本地语音解决方案）。运营商可能会看好证明了一种或多种语音功能支持选项的 OEM 解决方案。

      对可定制构建块的需要

      OEM 的大多数增值项目是应用空间，但是他们通常还拥有为了在市场中脱颖而出而开发和维护的高级专有元素。在某些情形下，服务提供商的要求可能因网络而异。例如，某些运营商可能希望增加他们自己的软件以提供网络接入功能或进行记费。能够充分利用一个模块化兼灵活性的构建块库非常重要，它使 OEM 能够依据需要代替具体的层。

      满足不同用户使用需要的共同解决方案

      无论从开发还是从支持的观点来看，依不同的部署节点使用不同的解决方案对 OEM 和服务提供商而言都非常昂贵。解决方案应有足够的灵活性，在高密度市区允许扩展，同时在低密度郊区又能符合成本效益。

      流量模型

      依据市场数据，无线数据流量持续增长，但是来自数据流量的收入并没有以相同的水平增加。Cisco3 预计流量增长的最大推动因素将来自视频流量，在 2013 年，该流量将占所有移动数据流量的 64% 左右。在 2008 年，每月的视频流量平均约为 13,000 太字节，或约为所有移动流量的 39%。Cisco 预计到 2013 年，视频流量将增加 100 倍以上，每月的流量平均约为 130 万太字节。移动浏览器开发商 Opera Software 进行的一项研究表明，与 2007 年11 月相比，发送到手机的数据流量在 2008 年 11 月跃升了 463%，同一时间在手机上查看的网页增加了 303%。

      依据运营商的数据，10% 的用户 — 通常是带宽密集型视频游戏玩家或音乐爱好者 — 占了数据流量的 80%。Allemand 说，解密狗和智能手机的扩展使用造成 SFR 移动网络的数据流量增加了十倍，而收入增加了 30%。

      流量模式

      为了理解部署要求，为简单起见，可以在两个主要业务内研究流量模式：

      用户集中地区（例如大城市）中的网络节点高数据用户密度

      用户分散地区（例如郊区/偏远地区）中的低数据用户密度

      用于流量模型的数据

      为了研究和分析需求，我们必须做出几个假设以估计通过 LTE 节点的流量。

      以下分析以 Cisco VNI3 预测、[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 为基础。

      依据此预测，到 2011 年，估计（全球）每月有约 50 万太字节的移动下载流量。在此时间内，预计约有 20% 的流量（依据 UMTS Forum 2008 年 2 月的白皮书）将通过 LTE 网络 [10 万太字节]。假定 80% 的流量出现在 20% 的时间/天数中，这会得出每天有 4.8 小时的峰值下载时间。我们计算出通过 LTE 网络的数据吞吐量约为 0.1 x 106 *8*0.8/(4.8*30*3600) = 1.23 太比特/秒。现在，估计到 2011 年约有 400 3万移动用户在 LTE 基础设施之上。这带来平均 0.30 Mbps/用户的数据流量。

      高密度 — 集中地区

      此模式在大城市部署或一级城市部署中最常见。依据 GSA 预测的数据，我们假设到 2011 年将安装 40 个 LTE 网络。并且依据分析预测和其他参考资料，假定每年的用户数量和数据流量都增倍。

      试用/初期部署（2011 年为基准），每个安装面向约 300,000†8224 . 名用户。峰值数据传输速率为 0.30Mbps，这意味着每个 LTE 分组核心演进(EPC) 节点将需要支持约 90Gbps 的流量。

      接下来的 24 个月（2013 年）：每年用户数量加倍（120 万），数据流量也加倍 (1.20Mbps)，每个安装的流量将需要支持 1.4Tbps 的数据吞吐量。

      历史上，以每个安装的用户群为基础，运营商在指定安装上供应的典型用户数量范围约为一百万至两百万（超过此范围通常会被视为有极大的风险）。

      在此部署中，会期待 EPC 将部署在至少两个位置中以维持冗余性。

      低 LTE 密度 — 分散地区

      此模式在低认知度的的分散地区（包括若干二级或三级城市或乡村）中最常见。

试用/初期部署：35,000 名平均数据流量为 0.3Mbps 的用户，使每个安装约支持 10.5Gbps 的数据流量。

      接下来的 24 个月（2013 年）：14 万用户，每个用户 1.2Mbps 的流量。每个安装需要支持 168Gps 的总峰值流量。

      RADISYS 的 LTE 就绪平台

      RadiSys/Aricent/6WIND 提供一种预集成、预优化的 EPC 解决方案，在构建 LTE EPC 节点方面向 OEM 提供实质性的时间与成本节约。此联合解决方案包含 RadiSys 的行业领先的 Promentum®ATCA 分组处理平台，采用最新的 Intel 和 Cavium Octeon 多核处理器，还包含 Aricent 的用于 EPC 节点的 LTE 就绪框架，由 6WINDGate™Linux 分组处理框架（IP 控制层协议、硬化 Linux 网络堆叠和高性能快速路径）提供动力。

      RadiSys 提供最广泛的 ATCA 产品系列，包括交换、基于 x86 的处理、分组处理与采用最新硅技术的媒体处理电路板，为 LTE EPC 提供最佳配置。RadiSys 的 ATCA 应用就绪平台还包含一个集成机架、操作系统、诊断程序、系统管理器及高可用性中间件。此平台已经使 35 个以上的电信应用成为可能，并且在 LTE EPC 中针对 10G 和 40G 配置的强大性能进行了特别配置。

      6WINDGate 实施提供一个生产就绪确认快速路径分组处理，包括 IPv4 和 IPv6 转发、虚拟路由 (VRF)、链路汇聚、VLAN、GRE 封装、IP in IP、GTP、过滤与防火墙、IPsec、QoS、IP 碎片重组、ROHC 等。RadiSys 充分利用 6WINDGate 实施来为 Intel 和 Octeon 多核电路板提供强大动力，使平台能够用一组多核 CPU 进行扩展。Aricent 使用 6WINDGate 路由和安全控制层协议来集成 LTE 信令协议。解决方案提供在 SGW 中用于 GTP 穿隧的 EPC 数据路径处理、在 PGW 中用于 GTP-U 至 IP 转发的数据路径处理，以及依据 EPC 要求进行测量、过滤和QoS。

      Aricent 提供针对 MME、SGW 和 PGW 的预集成预优化框架。这些框架基于 Aricent 行业领先的 Diameter 和 GTP 知识产权，它们经过众多供应商和网络的充分测试、集成与部署。MME 解决方案提供一组全面的用于支持移动性管理、会话管理和安全的功能集。此解决方案支持的外部接口包括 S1-MME、S11、S6a、S10、S13、S101、S102、S3、 SGs。SGW/PGW 解决方案支持的功能集包括联机和脱机充电、静态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）。控制框架预先集成有一个管理接口，该接口可被客户自己的管理框架轻松代替。LTE 解决方案可扩展到支持一百万用户。

      部署模型

      联合框架提供以下两种部署模型：

      单一部署中的可扩展节点

      这种部署会构成一个容纳 6WINDGate 分组处理框架和针对 MME、SGW 和 PGW 的 Aricent EPC 框架的 RadiSys 机架。当用户和流量要求增加时，添加更多刀片服务器以增加吞吐量。添加的刀片服务器将担当池中的其他 MME、SGW 或 PGW。每个刀片服务器会服务于一组跟踪区域 (TA)。eNodeB 会依据跟踪区域指示符 (TAI) 选择正确的MME。MME 会进一步依据 TAI 选择正确的 SGW。因此，当添加新的刀片服务器时，配置会允许 MME 选择新的 SGW 而不会停机。可以依据 APN 为每名用户选择 PGW。

      使用分布式部署的可扩展节点

      这种部署模式会适合地理冗余。在这种情形中，EPC 节点应位于 eNodeB 附近的不同位置。每个位置应将 EPC 节点部署在单独的机架中。所有 EPC 节点都应相互知道。同样在这种情形中，通过识别每个新的 MME、SGW 或 PGW 的新节点的刀片服务器，即可实现扩展。新的刀片服务器的使用与上面的相同。在这里，如果一个位置关闭，则不同位置中的其他 EPC 节点能够处理流量。运营商获得扩展和地理冗余的双重好处。

      流量模型的使用案例

      如第 3.1.2 节和第 3.1.3 节中的流量和用户要求假定，可以使用 RadiSys Promentum ATCA 平台和构建块来开发 LTE EPC 解决方案，从而具备运营商级可靠性和冗余、可扩展性，因此可用符合成本效益的方式，以最小配置开始部署，并且随着用户群的增长通过模块化升级来增加容量。依据 Cavium Octeon 和 Intel 处理器以及带 6WIND 和 Aricent 软件堆叠的 RadiSys 构建块的性能基准，建议以下硬件配置（图 6 和图 7），以作为构建集成分组数据网关和服务网关解决方案的例子：

      高密度 — 集中地区（表 1）

      如大致的数量级计算所示，需要二至十个 14 至 16-插槽系统才能支持 120 万用户。图 6 是一个系统配置例子。

      性能可扩展

      给定资本支出限制和期待的用户与数据增长率，解决方案的性能是一个关键的考虑因素：

      6WINDGate 的基于快速路径的架构提供可能的最佳分组处理性能。例如，它在 CN5860 Octeon 处理器上提供 14.8 Mpps 转发性能，在 RadiSys 双 Octeon ATCA 电路板上提供约 30 Mpps 的速率。由于其分布式架构，6WINDGate 性能与多核 Octeon 和多核 -x86 RadiSys 电路板集群成比例，在 ATCA 机架中为 Aricent LTE 信令和 LTE 用户分组处理提供动力，无论机架配置如何。

      弹性和高可用性

      6WINDGate 软件与高可用性系统完全集成在一起。6WINDGate 提供高可用性就绪关键功能，包括 NSR（Non Stop Routing，不间断路由）、NSF（Non-Stop Forwarding，不间断转发）、ISU（In Service Upgrades，服务中升级）、Graceful Restart（优雅重启）、监视服务和针对路由、安全和防火墙等关键功能的控制层协议之间的活动同步。

      全管理解决方案

      RadiSys/Aricent/6WIND/ 解决方案有一个完整的管理系统。它为 L2-L4 软件集成了 6WINDGate 的 XML-based Management Software (XMS)。从管理观点来看，XMS 的开放架构简化了增值功能的集成。

      部署经验

      LTE 就绪平台基于历经证明的技术和流程。

      在电信领域，RadiSys 的产品部署在世界各地，RadiSys 的客户包括世界上已经采用 ATCA 的所有主要电信 OEM。使用其预集成应用就绪平台解决方案的方法，RadiSys 已经成功帮助其 TEM 客户在创记录的时间里向市场提供了解决方案（在某些案例中，从选择供应商到解决方案投入商用只要 12 个月）。

      Aricent 在无线领域提供产品与服务已有 15 年以上的历史。它合作开发了很多行业第一，例如 Femtocell 解决方案和 WiMAX 基站。它拥有跨几种无线技术领域的众多知识产权，包括 GSM、GPRS、UMTS、HSPA 和 WiMAX，并且最近宣布推出针对分组核心节点的预优化 LTE 框架，包括 MME、SGW 和 PGW。

      6WINDGate 已经获得所有主要多核芯片组供应商的认可。它专为在嵌入式芯片组及其操作系统环境以及在多核设备上使用而设计，用于电信、网络和安全等方面。6WINDGate 分组处理解决方案已经被众多一流设备制造商选中，用于部署整个 LTE 基础设施，包括 eNodeB 和 EPC 分组核心 (http://www.6wind.com/productdesign-wins.html)。

      词汇表：

      COTS: Commercial off-the-shelf，商用现货

      IP: Internet Protocol，互联网协议

      LTE: Long Term Evolution，长期演进

      MME: Mobility Management Entity，移动性管理实体

      OEM: Original Equipment Manufacturer，原始设备制造商

      PGW: 分组数据网关

      SGW: 服务网关

      参考：

      † 依据分析研究报告（2008 年 1 月）以及来自各行业的更新材料。

      †† 假定 30% 的节点通过大城市部署覆盖 70% 的用户。在 2011 年，400 万 LTE 用户总数中，有 300 万用户在大城市中的 10 个安装内 = 30 万用户/LTE 节点。在分散地区，30 个安装 = 100 万用户 = 3.5 万用户/ 安装。