基于LTE实验平台视频即摄即传的设计与信令分析

李毅 付少忠 韩宝彬 郭万里

关键词： LTE移动通信系统; 即摄即传; LTE基站与核心网配置; 随机接入流程; 信令分析; 协议分析

中图分类号： TN929.5?34; G484                    文献标识码： A                   文章编号： 1004?373X（2019）03?0010?04

Abstract： The architecture of LTE mobile communication system and function of each network element are introduced. The live video transmission experiment based on LTE mobile communication system experimental development platform is designed. The experimental network is set up. The connectivity is implemented by configuring the E?UTRAN and evolved packet core （EPC）. Wireshark protocol analysis software is employed to capture messages， analyze and verify the key service processes such as Attach procedure. The experiment based on experimental development platform is verified， and the signaling is analyzed. The experiment platform is helpful to grasp the end?to?end working principle of the LTE mobile communication network， and deeply understand LTE mobile communication system in the aspects of theory study and practice.

Keywords： LTE mobile communication system; live video transmission; E?UTRAN and EPC configuration; Attach process; signaling analysis; protocol analysis

LTE（Long Term Evolution，长期演进）是无线接口部分向4G演进的工作项目，其下行数据速率能够达到150 Mb/s。LTE的商用化为移动互联网的发展提供了必要条件[1?2]。目前，LTE已经成为我国通信业的主流技术，各大运营商均已展开LTE通信业务。基于LTE商用设备的开发实验，一方面促进对LTE技术与理论的研究，另一方面可以在深入理解现有技术的基础上促进对新技术的科学研究与应用开发。传统以理论教学或孤立的模块实验为主的教学方式已难以适应通信业对人才培养的创新性、系统化、开放式的需求[3?5]，LTE技术人才的能力培养亟待提高。利用LTE移动通信系统实验开发平台设计视频即摄即传实验，可以在培养学生掌握LTE技术应用能力的同时深入理解LTE的工作原理，并开展系统性、综合性与创新性实验的能力。

1  LTE网络的基本结构

完整的LTE网络包括三个组成部分：EPC（Evolved Packet Core，演进的分组核心网）、E?UTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，演进的UMTS陆地无线接入网）和UE（User Equipment，用户设备）[6]，如图1所示。eNodeB（Evolved NodeB，演进的节点B）是E?UTRAN中负责UE接入的网元。Uu接口连接eNodeB和UE，X2接口连接eNodeB与eNodeB，而S1接口连接eNodeB和EPC。S1接口包括S1?MME（与MME相连的接口）和S1?U（与S?GW相连的接口）。S1?MME传输信令，而S1?U传输数据。

eNodeB由UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系统）网络中的NodeB演进而来，相当于LTE网络中的基站，负责RRM（Radio Resource Management，无线资源管理）、上下行数据分类和QoS执行、空中接口的数据压缩和加密等。MME（Mobility Management Entity，移动性管理实体）、S?GW（Serving Gateway，服务网关）、P?GW（PDN Gateway，分组数据网网关）、HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）以及PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略和计费规则功能）等是EPC的主要功能实体[7]。

2  实现视频即摄即传的实验环境与原理

2.1  实验网络系统组成

LTE移动通信系统实验开发平台实现手机与网络摄像头之间端到端视频即摄即传的完整网络连接原理如图2所示，包括手机、LTE移动通信系统实验开发平台、CPE与网络摄像头三部分。

2.2  实现即摄即传实验所需的必要配置

1） PLMN配置：添加MCC和MNC。MCC表示移动国家码，而MNC表示移动网络码。MCC建议配置为460，代表中国;MNC取值范围为0～999，但是要区别于公网的数据，目前中国移动的MNC为00，02，04和06，中国联通的MNC为01，05，07，中国电信的MNC为03。

2） 本地网络参数配置：配置基站的IP地址，需要和核心网的IP在同一网段，适用于基站和核心网之间的通信。

3） HSS参数配置：将SIM卡的IMSI写入到其中，IMSI是每个SIM卡的唯一识别码。

4） APN配置：在基站中进行APN配置，终端的APN配置要和此配置项一致才能使终端上网，否则可能导致终端入网后不能上网。

5） SCTP参数：流控制传输协议SCTP的端口号配置、移动管理实体MME的IP类型、端口号和IP地址配置。

6） CPE配置：绑定网络摄像头MAC地址到指定的内网IP，以后摄像头每次向DHCP请求IP地址时，将获取相同的IP地址。此外，处于内网的摄像头向外网启用服务，需要配置端口转发，以保证服务端口上外网访问可以定向到内网提供服务的摄像头。

2.3  实验步骤

1） LTE移动通信系统实验开发平台做好硬件开启和各项参数的配置;

2） 将专用USIM卡插入测试手机的卡槽中;

3） 用网线把网络摄像头连接到CPE的任意LAN口;

4） 在手机与CPE都成功入网后，即可建立手机到网络摄像头端到端的连接;

5） 打开浏览器访问基站分配给CPE的IP地址（即USIM卡的IP地址），如：http：//a.b.c.d：x （x是摄像头端口号），此时手机能够通过LTE网络访问摄像头所拍摄的实时视频，并且能够控制摄像头的转动、拍照等功能，从而实现视频即摄即传，如图3所示。图3a）为摄像头拍摄的实时视频;图3b）为经过LTE网络传输后手机上所显示的实时视频。

3  Attach流程信令分析

3.1  Attach流程

UE要在LTE/EPC上开展即摄即传实验的数据业务，首先需要通过Attach流程注册到EPC上，因此Attach流程是即摄即传实验的关键信令流程。在Attach流程之后，开始正常的上下行数据传输。

Attach流程中按照如下步骤进行消息的交互[8?11]：

1） UE向eNodeB发送NAS层Attach request信息;

2） eNodeB通过MME选择功能选择一个MME，向MME发送Initial UE message消息，包含转发NAS层Attach request消息;

3） MME向UE发送Identity request消息;

4） UE通过向MME发送Identity response进行响应，使MME从UE处获取ME标识（IMEI）;

5） MME向UE发送Authentication request消息;

6） UE通过向MME发送Authentication response進行响应，使MME完成对UE的认证;

7） MME向eNodeB发送Initial context setup request消息，请求建立默认承载，包含NAS层Attach Accept，Activate default EPS bearer context request消息;

8） eNodeB接收到Initial context setup request消息，如果不包含UE能力信息，则eNodeB向UE发送UE Capability Enquiry消息，查询UE能力;

9） UE向eNodeB发送UE Capability Information消息，报告UE能力信息;

10） eNodeB向MME发送UE capability info indication消息，更新MME的UE能力信息;

11） MME向UE发送Security Mode Command消息，进行安全激活;

12） UE通过向MME发送Security Mode Complete进行响应，表示安全激活完成，确保UE与MME之间的连接是安全的。在响应之前，UE应该验证Security Mode Command消息的完整性;

13） eNodeB向UE发送RRC Connection Reconfiguration消息分配空口资源，消息携带EPS无线承载ID，同时Attach accept也通过该条消息发送给UE;

14） UE向eNodeB发送RRC Connection Reconfiguration Complete消息，表示资源配置完成;

15） eNodeB向MME发送Initial context setup response响应消息，表明UE上下文建立完成;

16） UE向eNodeB发送Direct Transfer消息，包含NAS层Attach Complete，Activate default EPS bearer context accept消息;

17） eNodeB向MME发送Uplink NAS transport消息，包含NAS层Attach Complete，EPS bearer Identity消息。

Attach流程如图4所示。

3.2  随机接入流程信令分析

通过Wireshark软件捕获信令，并在Filter中输入sctp对捕获的信令进行过滤，得到从Attach request到Attach accpet的完整Attach流程的相关信令如图5所示。

从图5可以看出，随机接入流程实际的信令流程与理论一致。

4  结  语

通过在LTE移动通信系统实验平台设计视频即摄即传的实验，利用协议分析软件Wireshark抓取数据包对实验中的Attach流程关键信令进行分析，掌握LTE网络端到端的工作原理，将复杂与抽象的LTE移动通信系统原理具体化、可视化，有利于高校学生从理论与实践两个方面深入理解LTE移动通信系统，并培养学生开展系统性、综合性与创新性实验的能力。

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