EPC核心网技术相关研究综述

1.1 EPC网络架构 EPC核心网技术(TD-LTE)搭建在3GPP R8版本组织结构的基础上,将承载和控制隔离,其中的功能单元主要包含:服务网关、移动设备管理、计费网关、分组数据网网关、归属签约用户服务器、策略和计费控制单元、域名服务器等。其中,P-GW与S-GW可

1.1 EPC网络架构

       EPC核心网技术(TD-LTE)搭建在3GPP R8版本组织结构的基础上,将承载和控制隔离,其中的功能单元主要包含:服务网关、移动设备管理、计费网关、分组数据网网关、归属签约用户服务器、策略和计费控制单元、域名服务器等。其中,P-GW与S-GW可以合设,也可以分设。EPC架构如图所示:
图2-1EPC网络架构(S-GW与P-GW分设)
EPC核心网技术相关研究综述
图-2 EPC网络架构(S-GW与P-GW合设)

1.2 EPC主要技术功能

       MME:主要实现移动性管理以及对信令的处理,主要功能包含:Tracking Area(追踪区域)列表管理;NAS信令及其安全稳定;跨MME转换时对其选择;

       P-GW与S-GW之间的选择;在向2G/3G网络接入系统转换过程中对SGSN的选择;对不同3GPP网络之间的核心网络节点的移动性管理(至S3节点截止);鉴权、信令面的合法监听、漫游控制及其承载管理等。
       SAE-GW:包含P-GW与S-GW,P-GW同分组数据网(PDN)连接;S-GW则作为在面对eNodeB终结S1-U接口的网关以及对数据进行处理;P-GW和S-GW都在MME控制范围之内,承载用户面的数据。S-GW功能主要包含:在eNodeB之间转换时承担本地锚定点的角色并配合完成实现eNodeB的重新排序功能;合法监听及其数据包的前转和路由;在不同3GPP接入系统之间切换的移动性锚点(在S4接口所终结,并在P-GW和2G/3G系统之间实现业务路由);依据每一个QCI、UE与PDN之间的上下行链路的有关计费等。P-GW功能包含: 3GPP与非3GPP网络之间的Anchor功能;计费和QoS策略的执行功能;针对用户的包过滤;分组数据包路由与转发;合法监听;UE IP地址分派以及接入非内部PDN的网关功能;下行和上行服务等级的计费,对服务水平门限的控制;DIP功能;在上行链路中对数据进行包传送级标注;针对业务基础的上行和下行速率的把控等。
       HSS:数据库,用来对用户签约信息进行存储。具体的功能包含:对签约数据的管理和授权,比如用户的APN信息、用户接入网络的类型限制、计费信息的管理;存储跟用户有关的数据信息;跟不同域与子系统之间的呼叫控制以及会话的管理和实体互通;支持不同类型的卡类和不同类型方式的鉴权等。
       PCRF:策略与计费控制单元,一些主要的功能都有如下:对用户签约数据的管理功能;策略计费控制功能;业务优先等级和对冲突处理的功能;对事件触发条件的定制功能;IP-CAN会话和IP-CAN承载两者之间相互关联的策略信息的管理功能;QOS功能以及网络安全性功能等。此外,除了以上所罗列的,还可应用在:针对高端用户来保证其流量带宽;在用户无限量包月滥用时限制其带宽;保障对高质量业务层面上的服务质量;动态配置计费的策略以完成内容计费。
       CG:在3GPP R8版本的EPC架构之中计费节点是P-GW与S-GW,S-GW形成的计费信息与SGSN类似;P-GW产生的计费信息跟GGSN类似。计费点把计费的话单送达计费网关CG,通过完成实现对计费话单的纠错、检错与话单的合并,并且同时完成实现对话单合适进行转换,接下来按标准的格式把计费话单送达运营公司的计费系统。
       DNS:专给EPC核心网网元和终端来提供域名解析的功能。

1.3 EPC接口与协议

       EPC核心网是基于2G/3G的分组域架构演变形成,采取使用承载和控制相互分离的架构,新添加了部分接口,并且这部分接口都是建立在IP协议基础之上的,详细包括如下:
       S1-MME接口:MME与eNodeB之间的接口,用来传送用户的数据以及对相应的用户平面此接口的底层是采取使用SCTP协议,而应用层则采用的是S1-AP协议。
       S1-U接口:S-GW与eNodeB之间的接口,主要用来承载用户面隧道与切换时在eNodeB之间的途径互换。采用的是GTP-U协议,下层是UDP,在其中GTP-U协议是用于在        S-GW跟eNodeB之间基于用户数据进行隧道传输,而UDP协议则用来封装用户数据。
       S3接口:是在MME跟SGSN之间的接口,与在3G系统里的Gn接口类似,在3GPP网之间实现交互,采用GTP-C协议,下层为UDP。
       S4接口:是在S-GW跟SGSN之间的接口,与在3G系统之中GGSN跟SGSN之间的Gn接口相类似。为S-GW跟GPRS网络来提供有关的控制以及移动性管理。S4接口不仅只存在信令面的接口(GTP-C),同时也能包含与用户面接口(GTP-U)。若S4接口仅仅是用来作信令面的接口,则基于GTPv2-C协议,而GTPv2-C协议是被用于在S-GW跟GSN之间传递信令的消息。
       S5/S8接口:是P-GW跟S-GW两者之间的接口,具体包含用户平面和控制平面。而S5接口则是在网络的内部P-GW跟S-GW两者之间的接口。该接口应能在S-GW和P-GW分设情况下,提供用户移动过程中的S-GW重定位的功能。S8是跨PLMN的S-GW和P-GW之间的接口,在漫游的情况下应该具备S5接口功能。此接口是基于GTP协议的,下层是UDP。
       S6a接口:是MME跟HSS两者之间的接口,可以完成实现对用户接入的认证、插入用户的签约数据、对用户的接入PDN鉴权,以及在跟非3GPP系统相互联接时针对用户移动性的管理消息实现认证等功能。此接口的下层是采用SCTP,而应用层则是Diameter协议。
       S10接口:是在MME内的控制面接口,它给MME的二次分布与MME之间的信息进行传输。其基于GTPv2协议,而下层是UDP。
       S11接口:是在S-GW跟MME两者之间的接口,它主要用来对承载控制和会话控制的信息进行传输。其采用的是GTPv2-C,也就是GTPv2 的控制面协议,其中下层是UDP,其中GTP‑C主要是用来在S-GW跟MME之间对信令信息实现隧道化的包装。UDP用于传送MME和S-GW间的信令消息。
       Gn/Gp接口:MME和3GPP Pre R8版本的SGSN之间的接口,其用途是传输会话控制等消息。这同时也是P-GW跟2G/3G SGSN之间的接口,具体包含用户平面与控制平面两种,是基于GTP v1的。不在漫游情况下时,Gn提供同一PLMN内P-GW跟2G/3G SGSN之间的控制面跟用户面的接口功能,而P-GW是提供的2G/3G GGSN功能。在漫游的情况下,P-GW是提供的2G/3G GGSN功能,而Gp乃是提供的跨越PLMN的P-GW跟2G/3G SGSN两者之间的控制面与用户面的接口功能。
       S12接口:UTRAN与S-GW之间的用户面的接口(GTP-U)。当直接传输隧道建立后,S12成为UTRAN和S-GW间用户平面隧道的接口点。S12接口的用户面采用GTPv1协议。
       Gx接口:是PCEF跟PCRF之间的接口,这里面PCEF是处在P-GW之中的,为QoS准则与计费标准提供传输功能。
       SGi接口:是分组的数据网络与P-GW之间的接口,其中包含:外部公共或者私人的数据网以及IMS核心网,这一点与Gi接口是类似的。
       Rx接口:是AF跟PCRF之间的接口,其中的AF功能是处于业务平台。
       EPC核心网主要接口及协议汇总如下表2.1所示:
       表1 EPC核心网主要接口及协议表

网元 接口名称 采用协议
eNodeB—MME S1-MME S1-AP/SCTP
eNodeB—S-GW S1-U GTP-U /UDP
S-GW—P-GW S5/S8 GTP/UDP
HSS—MME S6a Diameter/SCTP
MME—MME S10 GTP/UDP
MME—S-GW S11 GTP-C/UDP
UTRAN—S-GW S12 GTP-U/UDP
PCRF—PCEF Gx Diameter/SCTP
PCRF—PCRF S9 Diameter/SCTP
PCRF—AF Rx  
P-GW—分组数据网 SGi TCP/IP
SGSN—MME S3 GTP-C/UDP
Gn/Gp GTP-U/UDP
SGSN—S-GW S4 GTP-C、U/UDP
SGSN—P-GW Gn/Gp GTP-U/UDP
 

2.1 MME POOL与SGSN POOL组网技术研究

       (1)   MME POOL
       一组MME组成一个池组(POOL),共同为一个4G无线片区的无线eNodeB服务。片区内的所有eNodeB,均与POOL内的所有MME设置S1接口链路。当S1链路设立的时候,POOL之内的所有MME通知eNodeB,其自身“权重”。
       ①  终端首次开机,eNodeB根据MME的权重,按比例将用户接入POOL内的一个MME;
       ②  MME为用户分配1个GUTI;GUTI中的MMEGI(MME Group ID)标识MME POOL;MMEC标识MME POOL内的MME;每个MME均由自己的MMEGI和MMEC,其中:同一MME POOL内的所有MME的MMEGI相同、MMEC不同。
       ③  终端保存GUTI,在以后的TAU过程中,TAU请求消息中均携带GUTI,eNodeB分析GUTI:
—       若MMEGI与本POOL相同,则根据MMEC接入POOL内的MME;
—       若MMFGI与本POOL不同,则按比例随机选择POOL内的一个MME,MME根据GUTI中的MMEGI和MMEC访问对应MME POOL内的MME。
—       用户在MME POOL覆盖的无线片区内移动,其接入的MME不变。
      (2)   SGSN POOL
       2/3G核心网分组也能够支持SGSN POOL,基本原理与MME POOL相同;其中的区别只是如下:①通过RNC、BSC来选择SGSN;②在POOL之内的SGSN容量因子需要在RNC和BSC之间进行人工配置;③P-TMSI是SGSN为用户分配的,第23~第17,共7个bit位定义为NRI,其中的高bit位标识SGSN POOL(例第23~第21),低bit位(比如第20—第17)标注POOL之内的SGSN;④SGSN POOL的功能需要RNC、BSC来支持;⑤SGSN将P-TMSI分派给用户,主要用来标识本局用户,这其中一共32个bit,组POOL后,7位NRI固定,分配给本局用户的这7个bit固定不变,P-TMSI容量下降。(注:3GPP规范最大第23~第14,共10个bit可作为NRI)
     (3)SGSN POOL、MME POOL的优势为:①SGSN、 MME的负荷分担以及容灾;②克服“潮汐”效应,提高设备利用率:若早忙时、晚忙时接入不同的2个核心网设备,则2个设备均需按忙时容量需求配置,早忙时、晚忙时接入同一POOL内的2个核心网设备,2个设备总容量满足1个最大忙时需求即可;③降低MME、SGSN与HSS/HLR之间的信令负荷。
     (4)   MME/SGSN 融合 POOL:共无线覆盖区的MME/SGSN组成1个POOL,用户的2/3G与4G互操作由同一MME/SGSN完成。

1.3 提供的功能和开放的业务

     移动通信4G用户终端主要是LTE手机终端、LTE数据卡、MiFi/CPE终端,移动4G网络需具有支持语音业务、数据业务、短信业务、移动性管理及IPv6等功能。

1.3.1 支持基本业务的网络功能

      4G网络需要支持基本业务的网络功能主要包括:
     (1)数据的业务功能:可以支持TD-LTE的移动用户在跟外部的数据网设立业务连接互通的功能。
    (2)语音业务的功能:支持手机终端用户语音业务功能。
    (3)短信业务的功能: TD-LTE移动用户的短信业务功能可被支持。
     (4)双向鉴权:可以支持终端与系统之间的双向鉴权功能,是采用的四元组鉴权。

1.3.2 支持移动性管理的网络功能

       4G网络需要支持移动性管理的网络功能主要包括:
     (1)位置登记功能:具体都包含位置的更新和删除、周期性的位置更新还有IMSI分离或附着与发生故障之后位置寄存器的恢复等。
     (2)切换功能:可以支持在TD-LTE网之内的切换功能。
    (3)漫游功能:可以支持在TD-LTE网之内省内以及省际的漫游功能,中国移动的GSM/TD-SCDMA网络(分组域)和TD-LTE网络两者之间全国范围内的漫游功能,另外还有国际漫游的功能。

1.3.3 拟开放的业务

       根据中国移动4G网络总体发展思路,4G网络将向TD-LTE用户开放数据业务、语音业务和短信业务。


 

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