LTE网络S1接口控制面CDR合成方法及合成装置

摘要

本发明请求保护一种LTE网络S1接口控制面CDR合成技术，涉及LTE通信网络信令监测技术领域。本发明结合3GPP标准规范，采集S1-MME接口的信令数据，解析出合成所需要的参数，采用超时管理机制对超时的CDR进行处理，确保合成的准确性，通过缓存器提高对数据操作的速度，以实现对S1接口CDR快速、有效的合成，进而达到S1-MME接口实时监测的目的，从而为LTE网络的建设和维护提供技术支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及长期演进LTE通信网络信令监测技术领域，尤其涉及LTE网络S1接口控制面。

背景技术

作为第三代移动通信3G与第四代移动通信4G之间的一个过渡，长期演进LTE（Long Term Evolution）网络通信技术能够提供更高的数据传输率、支持各种数据的传输，并提供对移动设备的无缝连接。LTE简化了网络架构，在接入网将3G系统中的基站NodeB和无线网络控制器RNC的功能合并到演进后的基站eNB中，而核心网则取消了电路交换域，仅保留了分组交换域。由于LTE网络的众多技术优势，国内外运营商和各设备厂商均积极推进LTE的进程，LTE产业化得到了飞速发展。近年来，国内外已有多个运营商建立了LTE的商用试验网，LTE网络质量和业务运行状况的评估等都需要借助网络监测来完成。

LTE网络由演进的接入网E-UTRAN和演进的核心网EPC组成，E-UTRAN和EPC通过S1接口连接。S1接口定义为eNB和移动性管理实体MME/服务网关S-GW之间，包括了用户面和控制面两个部分。

其中，S1接口控制面是eNB和MME之间的接口，即S1-MME接口；S1接口业务面是eNB和S-GW之间的接口，即S1-U接口。所有从接入网到核心网的信令和业务数据都通过S1接口传输，而MME通过S1接口控制面为业务数据传输提供承载，且具有S1接口管理等功能，对S1接口控制面的研究尤为重要。

信令监测技术作为通信网络监测的重要手段，在网络建设、维护和优化过程中起着不可替代的作用。目前，各种网络监测产品主要是针对现有的第二代移动通信2G和3G网络，针对LTE网络的产品较少。LTE的网络架构简化后，对各网元和接口也重新进行了功能定义。

呼叫详细记录CDR表示一个完整的流程，CDR合成则表示将不同消息中属于同一信令流程的消息关联起来，并生成数据记录。CDR合成是信令监测的重要手段，但LTE网络S1接口控制面上采用的应用协议具有不同的信令流程和消息结构，现有合成方法不适用，且现有合成方法中未充分考虑网络设备故障造成的信令不全、采集丢包等异常情形导致的合成结果不准确的问题。

信令监测技术通过对数据采集和解析后，合成CDR为分析信令流程和统计提供基础信息，以供多维度的分析网络运行状况和业务质量。S1接口控制面CDR合成方法及其信令监测装置为LTE网络的信令监测提供了一种有效方式，也为LTE网络建设、优化和维护提供了重要的技术支撑。

发明内容

针对LTE网络进行信令监测，为网络维护和优化人员评估网络运行状况和业务质量、优化网络、解决故障提供技术支撑，并解决网络设备故障造成的信令不全、采集丢包等异常情形带来的合成结果不准确等问题，本发明提出一种应用于LTE网络中S1接口控制面的CDR合成方法及其信令监测装置。

本发明的信令监测装置包括：采集模块、预处理模块、解码模块、超时管理模块、合成模块和缓存器。采集模块采集LTE网络中eNB和MME之间S1接口控制面的信令数据，预处理模块对S1接口控制面的消息进行预处理，即对消息进行编号，提取消息时间戳、配置信息等参数；解码模块对消息进行逐层解码，提取合成模块所需的关键信息；缓存器中存储了超时管理模块和合成模块所需的数据，缓存器存储key与CDRID、key与超时时间之间的映射关系，且存储合成开始和合成中的CDR，超时管理模块通过本条消息时间与缓存器中各CDR的超时时间进行比较，对网络中设备故障等原因造成的信令不全、采集丢包等异常情形进行处理；合成模块根据信令流程中不同消息之间的关联关系，将属于一次信令流程的S1接口控制面消息关联在一起，并生成CDR记录。

采集模块从S1接口控制面采集原始信令，并将时间戳、消息长度、采集卡类型、采集卡编号和链路等信息作为包头对原始信令进行封装，即按照“时间戳+消息长度+采集卡类型+采集卡编号+链路信息+原始信令”的格式封装并发送到预处理模块；预处理模块按照数据的封装格式进行解析，对消息进行编号，并提取时间戳、消息长度、配置信息等数据，将数据流送入解码模块；解码模块负责对消息进行以太网协议Ethernet、互联网协议IP、流控制传输协议SCTP、S1接口应用协议S1AP的逐层解码，提取合成模块所需的信息，并将解码结果送入超时管理模块；超时管理模块在接收到消息后，提取该条消息的时间t与缓存器中的各个CDR的超时时间逐个比较，若t小于CDR的超时时间，则判定该CDR未超时，不对其进行任何处理；若t大于或等于CDR的超时时间，则判定该CDR超时。通过超时时间与合成关键字key之间的映射关系获取到key，再通过与该key对应的CDR编号CDRID取出该CDR，将CDR合成状态设置为超时后存入硬盘，删除缓存器中相应的CDR、key与CDRID的映射关系和key与超时时间的映射关系。超时处理完成后，将该条消息解码结果送至合成模块。合成模块根据解码结果，采用下述的LTE网络S1接口控制面合成方法进行CDR合成。缓存器存储建立key与CDRID和key与超时时间之间的映射关系，且存储合成状态为合成开始和合成中的CDR，为超时管理模块和合成模块对CDR进行操作提供数据，且为超时管理模块和合成模块之间交互带来了便利，提高了对数据操作的速度。

本发明LTE网络S1接口控制面合成方法是通过创建CDR、修改CDR和关闭CDR，将S1接口上属于同一个信令流程的消息关联起来，同时填写CDR记录和设置各CDR的超时时间。其中，CDR与合成关键字key一一对应的关系，合成关键字key必须能够唯一的标识一次信令流程，因此采用源/目的IP地址、SCTP源/目的端口号、MME内S1接口上UE标识MME UE S1AP ID和eNB内S1接口上UE标识eNB UE S1AP ID组成key。源/目的IP地址和SCTP源/目的端口号能唯一标识传送地址，eNB UE S1AP ID能够唯一标识eNB内S1接口上的UE，MME UE S1AP ID能够唯一标识MME内S1接口上的UE。

进一步，对CDR进行相应处理包括以下步骤：

（1）提取消息的S1AP消息类型，判断是否为初始UE消息Initial UE Message，若是则转入第（2）步，否则转入第（3）步；

（2）创建CDR：新建一个CDR并为其分配CDRID，建立合成关键字key和超时时间，建立CDR与key、key与超时时间的映射关系，并将上述CDR及映射关系存入缓存器。

在接收到初始UE消息Initial UE Message，新建一个CDR并为其分配新的CDRID，因为该类型消息不携带MME UE S1AP ID，故将该消息的MME UE S1AP ID赋值为0后，以此消息的源/目的IP地址和SCTP源/目的端口号、eNB UE S1AP ID和MME UE S1AP ID创建key，并建立CDRID与key之间的映射关系，一个CDRID对应一个key。同时，使用此消息的时间填写CDR开始时间，把CDR合成状态设置为开始，把CDRID与key之间的映射关系和CDR存入缓存器。

此外，将本条消息时间加上等待时间间隔的值作为超时时间，以供超时管理模块判定CDR是否超时，建立key与超时时间之间的映射关系，并将该映射关系存入缓存器。一个key仅对应一个超时时间，但一个超时时间可以对应多个key。

（3）根据key判定消息是否与已创建的CDR属于同一信令流程

建立临时索引变量key’，使用接收到消息的源/目的IP地址和SCTP源/目的端口号、eNB UE S1AP ID和MME UE S1AP ID填写key’，使用key’在缓存器的CDRID与key的映射表中查找是否有key与该key’匹配，若有key与key’匹配，获取与该key对应的CDRID，并通过该CDRID从缓存器中取出CDR。若CDR的合成状态为合成开始，使用此消息中的MME UE S1AP ID修改该key中的MME UE S1AP ID，得到完整的key，更新key与CDRID和key与超时时间之间的映射关系，并将这两个映射关系重新存入缓存器；反之，如果没有key与其匹配，结束合成流程。

（4）判断消息类型是否为UE释放上下文完成UE Context Release Complete，若不是，则转入第（5）步，否则转入第（6）步；

（5）修改CDR

将CDR合成状态修改为合成中；再将本条消息时间加上等待时间间隔的值作为新的超时时间，更新key与超时时间的映射关系，把CDR、key与超时时间的映射关系存入缓存器。

（6）关闭CDR

使用此消息的时间填写CDR结束时间，并把CDR合成状态设置为合成完；将CDR存入硬盘后，且删除缓存器中的CDR、CDRID与key的映射关系和key与超时时间的映射关系。

如上所述的临时索引变量key’与映射表中key的匹配原则为：当MME UE S1AP ID不为0时，若key’与key的源/目的IP地址、SCTP源/目的端口号、MME UE S1AP ID和eNB UE S1AP ID都相等，判定key’与key匹配；当MME UE S1AP ID为0时，若key’的源IP地址等于key的目的IP地址、key’的目的IP地址等于key的源IP地址、key’的SCTP源端口号等于key的SCTP目的端口号、key’的SCTP目的端口号等于key的SCTP源端口号、key’与key的eNB UE S1AP ID相等时，判定为匹配；否则，均判定为不匹配。

所述的标识CDRID采用“名称+时间+编号”组合的方式进行定义，具体格式为“协议名-CDR名称-MME名年.月.日.时：编号”，如“S1AP-CDR1-MME12011.10.01.14：1”，表示2011年10月1日14时MME1下协议为S1AP的第一条名字为CDR1的CDR。通过这种方式可以克服传统方式只以数字作为标识时，编号无限增大和意义不明确的缺陷；而且此方式可以很快的获取该CDR所属的MME和协议，并且能够得知CDR的名称和时间，可读性强。

本发明LTE网络S1接口控制面CDR合成方法及合成装置是结合3GPP标准规范，对S1接口控制面的信令数据进行采集和预处理后，按照消息格式解码后，通过超时管理模块、合成模块和缓存器的相互配合完成S1接口控制面CDR的合成。其中，超时管理模块可以对由于各种原因造成的信令不全等问题进行处理，以减少了缓存器的负担，提高合成的效率和准确性。本发明为LTE网络S1接口控制面的信令监测提供了一种有效手段，并为多维度地分析S1接口状况提供了基础数据，从而为LTE网络运行状况和业务质量评估、为网络维护人员进行网络优化和故障处理提供了技术支撑。

附图说明

附图1是LTE的E-UTRAN结构示意图；

附图2是本发明LTE监测装置结构示意图；

附图3是本发明S1接口控制面CDR合成的合成流程图；

附图4是本发明超时管理模块实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的实现做进一步的说明。

附图1为LTE网络演进的接入网E-UTRAN结构示意图，由图可知，长期演进LTE简化了通信网络的架构，将第三代移动通信3G网络中的基站NodeB和基站控制器RNC的功能都集中到了演进后的基站eNB中，降低了网络建设和维护的成本。LTE由演进的接入网E-UTRAN和演进的核心网EPC组成，E-UTRAN中包含的网元为eNB，主要接口有eNB和移动性管理实体MME/服务网关SGW之间的S1接口、eNB之间的X2接口。其中，S1接口控制面是eNB和MME之间的接口S1-MME，而MME通过S1-MME为业务数据提供承载，且S1-MME还负责了S1接口的管理等功能。

如下，表1所示是LTE网络S1接口的协议栈，由表1可知，S1接口包含了控制面和用户面两个部分，物理层Physical Layer传输比特流，数据链路层Data Link Layer采用以太网协议Ethernet向网络层提供服务。在网络层都采用了互联网协议IP，但在传输层则采用了不同的传输机制。控制面采用了流控制传输协议SCTP来保证信令消息的可靠传输，其上承载了S1接口应用协议S1AP；用户面则采用了用户数据包协议UDP进行无连接的传输，其上承载了通用分组无线业务GPRS隧道协议用户面协议GTP-U。

表1

附图2是本发明LTE监测装置结构示意图，由图可知，LTE信令监测装置包括：采集模块、预处理模块、解码模块、超时管理模块、合成模块和缓存器，其中，采集模块从S1接口控制面采集原始信令，并将时间戳、消息长度、采集卡类型、采集卡编号和链路等信息作为包头对原始信令进行封装，即按照“时间戳+消息长度+采集卡类型+采集卡编号+链路信息+原始信令”的格式封装并发送到预处理模块；预处理模块按照数据的封装格式进行解析，对消息进行编号，并提取时间戳、消息长度、采集装置信息等数据，将数据流送入解码模块；解码模块负责对消息进行Ethernet、IP、SCTP、S1AP的逐层解码，提取合成模块所需的信息，并将解码结果送入超时管理模块；超时管理模块接收到消息后，将本条消息时间t与缓存中的各呼叫详细记录CDR的超时时间逐个进行比较，根据各CDR是否超时进行不同的处理。超时处理完成后，将本条消息解码结果送至合成模块。

合成模块根据解码结果，进行CDR合成，并负责设置各CDR的超时时间。

缓存器存储建立的合成关键字key与CDR编号CDRID和合成关键字key与超时时间之间的映射关系，且存储合成状态为合成开始和合成中的CDR，为超时管理模块和合成模块对CDR进行操作提供数据。

附图3是S1接口控制面CDR合成流程示意图，合成过程中还要对CDR的超时时间进行设置，为超时管理模块的提供数据基础。其中，CDR与合成关键字key之间一一对应的关系，因此，key由源/目的IP地址、SCTP源/目的端口号、MME内S1接口上UE标识符MME UE S1AP ID和eNB内S1接口上UE标识符eNB UE S1AP ID组成，以唯一的标识S1接口控制面的一次信令流程。

CDR合成流程具体进一步包括：

（1）提取消息的S1AP消息类型，判断是否为初始UE消息Initial UE Message，若是则转入第（2）步，否则转入第（3）步；

（2）创建CDR：新建一个CDR并为其分配CDRID，建立合成关键字key和超时时间，建立CDR与key、key与超时时间的映射关系，并将上述CDR及映射关系存入缓存器。

在接收到初始UE消息Initial UE Message，新建一个CDR并为其分配新的CDRID，因为该类型消息不携带MME UE S1AP ID，故将该消息的MME UE S1AP ID赋值为0后，以此消息的源/目的IP地址和SCTP源/目的端口号、eNB UE S1AP ID和MME UE S1AP ID创建key，并建立CDRID与key之间的映射关系，一个CDRID对应一个key。同时，使用此消息的时间填写CDR开始时间，把CDR合成状态设置为开始，把CDRID与key之间的映射关系和CDR存入缓存器。

此外，将本条消息时间加上等待时间间隔的值作为超时时间，以供超时管理模块判定CDR是否超时，建立key与超时时间之间的映射关系，并将该映射关系存入缓存器。一个key仅对应一个超时时间，但一个超时时间可以对应多个key。

（3）判定消息是否与已创建的CDR属于同一信令流程。

建立临时索引变量key’，使用接收到消息的源/目的IP地址和SCTP源/目的端口号、eNB UE S1AP ID和MME UE S1AP ID填写key’，使用key’在缓存器的CDRID与key的映射表中查找是否有key与该key’匹配，若有key与key’匹配，获取与该key对应的CDRID，并通过该CDRID从缓存器中取出CDR。若CDR的合成状态为合成开始，使用此消息中的MME UE S1AP ID修改该key中的MME UE S1AP ID，得到完整的key，并更新key与CDRID和key与超时时间之间的映射关系，并将这两个映射关系重新存入缓存器；反之，如果没有key与其匹配，结束合成流程。

（4）判断消息类型是否为UE释放上下文完成UE Context Release Complete，若不是，则转入第（5）步，否则转入第（6）步；

（5）修改CDR

将CDR合成状态修改为合成中；再将本条消息时间加上等待时间间隔的值作为新的超时时间，更新key与超时时间的映射关系，把CDR、CDRID与key的映射关系和key与超时时间的映射关系存入缓存器。

（6）关闭CDR

使用此消息的时间填写CDR的结束时间，并把CDR合成状态设置为合成完后；将CDR存入硬盘后，且删除缓存器中的CDR、CDRID与key的映射关系和key与超时时间的映射关系。

如上所述的临时索引变量key’与映射表中key的匹配原则为：当MME UE S1AP ID不为0时，若key’与key的源/目的IP地址、SCTP源/目的端口号、MME UE S1AP ID和eNB UE S1AP ID都相等，判定key’与key匹配；当MME UE S1AP ID为0时，若key’的源IP地址等于key的目的IP地址、key’的目的IP地址等于key的源IP地址、key’的SCTP源端口号等于key的SCTP目的端口号、key’的SCTP目的端口号等于key的SCTP源端口号、key’与key的eNB UE S1AP ID相等时，判定为匹配；否则，均判定为不匹配。

本发明通过采集S1接口控制面的信令数据，在预处理模块中对消息进行编号，且获取消息时间和采集配置等信息后；根据协议规范对数据进行逐层解码，提取消息携带的关键信息，并将消息的解码结果送入超时管理模块，其中把消息的时间作为超时管理模块中判断CDR是否超时的时间基准来对CDR进行处理。

附图4是超时管理模块实施例的时间示意图，假设进入超时管理模块的消息时间为ntimeS，等待时间间隔为t’，缓存中三个CDR分别编号为：CDR1、CDR2和CDR3。表2为缓存中CDR相关信息，CDR更新时间表示最近一次触发对该CDR进行操作的消息的时间。由表2可知，CDR1的合成关键字为key1、CDR更新时间为t1、等待时间间隔为t’、超时时间为t1+t’；CDR2的合成关键字为key2、CDR更新时间为t2、等待时间间隔为t’、超时时间为t2+t’；CDR3合成关键字为key3、CDR更新时间为t3、等待时间间隔为t’、超时时间为t3+t’，同时假设ntimeS仅小于t3+t’。

表2

CDR合成关键字CDR更新时间等待时间间隔超时时间CDR1key1t1t’t1+t’CDR2key2t2t’t2+t’CDR3key3t3t’t3+t’

进一步，（1）提取本条消息msg的时间ntimeS，将时间ntimeS与缓存器中的各个CDR的超时时间逐个比较，即将ntimeS依次与t1+t’、t2+t’、t3+t’进行比较；

（2）判断ntimeS与各超时时间的大小，因ntimeS小于t3+t’，则不对CDR3作任何处理；反之，ntimeS大于或等于t1+t’和t2+t’，故将CDR1和CDR2判定为超时;

（3）分别获取与t1+t’对应的key1、与t2+t’对应的key2，再通过key1与CDR1的CDRID获取出CDR1，key2与CDR2的CDRID获取出CDR2；把CDR1和CDR2均存入硬盘后，删除缓存器中的CDR1和CDR2，并删除key1与CDR1对应CDRID的映射关系、key2与CDR2对应CDRID的的映射关系以及超时时间t1+t’和key1、t2+t’与key2的映射关系;

（4）超时处理流程结束，将本条消息msg的解码结果送入合成模块。

本发明结合3GPP标准规范，采集S1-MME接口的信令数据，解析出合成所需要的参数，采用超时管理机制对超时的CDR进行处理，确保合成的准确性，通过缓存器提高对数据操作的速度，以实现对S1接口CDR快速、有效的合成，进而达到S1-MME接口实时监测的目的，从而为LTE网络的建设和维护提供技术支撑。