互動(dòng)式LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)用設(shè)計(jì)

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，通信技術(shù)正逐漸成為增長(zhǎng)的主動(dòng)力， 是推動(dòng)第三次、第四次工業(yè)革命的核心基礎(chǔ)。它不僅掌握著信息社會(huì)的命脈，更是國(guó)家發(fā)展的新機(jī)遇和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。隨著 4G 牌照的發(fā)放，需要大量的LTE 專業(yè)人才，但是目前高素質(zhì)專業(yè)人才嚴(yán)重匱乏，主要是由于高校著重理論教學(xué)，缺乏實(shí)踐造成的。因此需要把握市場(chǎng)人才需求與人才培養(yǎng)的關(guān)系， 創(chuàng)新培養(yǎng)方式，建立健全的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)既懂理論又懂技術(shù)的通信專業(yè)人才。

Android 系統(tǒng)的底層建立在 Linux 系統(tǒng)之上，由操作系統(tǒng)、 中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件 4 層組成 [1]，采用軟件疊層方式 進(jìn)行構(gòu)建。Android 目前的市場(chǎng)份額已經(jīng)突破 80%，并且市場(chǎng) 份額還在不斷增長(zhǎng) [2,3]。

本文針對(duì)當(dāng)前高校通信專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)方式的不足之處， 基于 Android 平臺(tái)，以 TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為理論基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)設(shè) 計(jì)了互動(dòng)式 LTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，通過(guò)較短時(shí)間迅速提 升學(xué)生的專業(yè)技能。

 1 系統(tǒng)原理介紹

 LTE 是繼第三代移動(dòng)通信之后國(guó)際上主流的新一代移 動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，TD-LTE 是時(shí)分雙工模式的 LTE 系統(tǒng)，是 TD- SCDMA 的后續(xù)演進(jìn)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，LTE 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分 為兩部分，包括演進(jìn)后的核心網(wǎng) EPC 和演進(jìn)后的接入網(wǎng) E-UTRAN。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示 [4]。

 LTE 網(wǎng)路架構(gòu)由演進(jìn)后的核心網(wǎng)（MME/S-GW）和演進(jìn) 后的接入網(wǎng)（eNode B）組成。MME 為信令實(shí)體，負(fù)責(zé)移動(dòng) 性管理、承載管理、用戶的鑒權(quán)認(rèn)證，S-GW 主要作用為數(shù)據(jù) 包的轉(zhuǎn)發(fā)。eNode B 提供由接入網(wǎng)到 UE 的 E-UTRA 控制平 面與用戶平面的協(xié)議終止點(diǎn)。eNode B 與 EPC 之間通過(guò) S1 接 口連接，eNOde B 之間通過(guò) X2 接口連接。S1 接口支持多對(duì)多 的鏈接方式，X2 接口存在于源 eNOde B 與目標(biāo) eNode B 之間。 TD-LTE 中網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)趨于扁平化，有 利于降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，帶來(lái) OPEX 與 CAPEX 的降低息 [5,6]。

S1 接口分為控制平面和用戶平面，控制平面有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、IP 層和 SCTP 層。為了保證信息傳輸?shù)目煽啃裕?減少額外延時(shí)，采用SCTP。在兩個(gè)信令節(jié)點(diǎn)間提供消息即無(wú)重復(fù)的可靠信令傳輸，也支持順序傳遞、網(wǎng)絡(luò)級(jí)容錯(cuò)、避免擁塞、避免遭受泛播和匿名攻擊等功能。用戶平面由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、IP 層、UDP 層和 GTP-U 組成。GTP-U 基于IPv4/UDP 或IPv6/UDP 進(jìn)行傳輸，GTP-U 頭包含協(xié)議版本、消息類型和長(zhǎng)度信息[7]。

X2 是 eNode B 與 eNode B 之間的接口。X2 接口采用了與S1 接口相投的原則，主要功能為ECM_Connected 狀態(tài)UE 的LTE 接入系統(tǒng)內(nèi)移動(dòng)性，主要體現(xiàn)在允許 eNode B 當(dāng)前控制的UE 切換到另一個(gè) eNOde B，負(fù)載管理功能允許在eNOde B 之間交換過(guò)載和業(yè)務(wù)負(fù)載信息，從而使eNode B 能夠適時(shí)的控制業(yè)務(wù)負(fù)載。eNode B 之間允許協(xié)調(diào)干擾，通過(guò)交互分配無(wú)線資源，使得相互干擾最小[8]。

本文將主要針對(duì) LTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的組成部 分， 在Android 平臺(tái)中進(jìn)行互動(dòng)式展示與講解。將枯燥的理論知識(shí)通過(guò)Android 中的各個(gè)控件、動(dòng)畫(huà)組合起來(lái)，并以游戲的形式將抽象、復(fù)雜的理論知識(shí)，簡(jiǎn)單、形象、生動(dòng)地展現(xiàn)給用戶，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并添加了測(cè)評(píng)系統(tǒng)，能夠及時(shí)對(duì)所學(xué)知識(shí)加以鞏固。

2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用程序架構(gòu)如圖 2 所示，由主窗口、展示模塊，互動(dòng)式游戲模塊，考試模塊與幫助模塊組成。主窗口為應(yīng)用程序的入口，通過(guò)單擊進(jìn)入相應(yīng)的模塊后能夠完成相應(yīng)操作。

本系統(tǒng)主要介紹 LTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的組成，S1 與X2 接口的相關(guān)功能。每個(gè)模塊根據(jù)不同的知識(shí)點(diǎn)，分步驟演示對(duì)應(yīng)的協(xié)議內(nèi)容，以及在實(shí)際中的工作流程。

TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由核心網(wǎng)（MME/S-GW）與演進(jìn)后的接入網(wǎng)組成（eNode B）。將組成結(jié)構(gòu)通過(guò)圖文的形式展現(xiàn)，如圖 3 所示。

S1 接口包括 E-RAB 管理功能、上下文管理功能、切換信令功能、尋呼以及NAS 傳輸?shù)裙δ?。將這些功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程通過(guò)Android 中的逐幀動(dòng)畫(huà)功能，形象生動(dòng)的演示出來(lái)，方便讀者理解與學(xué)習(xí)。

X2 接口的建立過(guò)程為用來(lái)交換兩個(gè) eNode B 所需的應(yīng)用層數(shù)據(jù)。首先eNode B 發(fā)送建立X2 接口的請(qǐng)求消息到候選的eNode B，候選 eNode B 回復(fù) X2 建立響應(yīng)消息 。而后，源eNode B 將其所在服務(wù)的小區(qū)列表發(fā)送給候選 eNode B，候選eNode B 返回自己所服務(wù)的小區(qū)列表。后進(jìn)行 eNode B 的配置更新，此建立的過(guò)程通過(guò)Android 的相關(guān)組件以及動(dòng)畫(huà)展現(xiàn)[9]， 如圖 4 所示。

S1 接口與X2 接口有很多重要的功能，為了能夠生動(dòng)、形象地完成功能介紹，本設(shè)計(jì)采用貪吃蛇的游戲，將各個(gè)功能通過(guò)果實(shí)的形式表現(xiàn)出來(lái)，不同顏色的果實(shí)代表著不同的功能。當(dāng)蛇觸碰到果實(shí)后，通過(guò)對(duì)話框形式告訴給使用者該接口的相應(yīng)功能，方便有趣地幫助使用者學(xué)習(xí)LTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

再設(shè)計(jì)能夠通過(guò)軟件自帶的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)行自測(cè)，進(jìn)一步加強(qiáng)和深入記憶 LTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，如圖 5 所示。

結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)以TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為知識(shí)背景，在 Android 平臺(tái)中，將抽象的技術(shù)理論、協(xié)議規(guī)范，形象生動(dòng)的展示，實(shí)現(xiàn)能夠在手機(jī)上學(xué)習(xí)，在趣味中學(xué)習(xí)，幫助LTE 理論學(xué)習(xí)人員提高學(xué)習(xí)效率。本設(shè)計(jì)只是在高效學(xué)習(xí)方法上的初步探索， 在實(shí)際應(yīng)用中還需進(jìn)一步改進(jìn)。