曹樹(shù)玲

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關(guān)于EPC核心網(wǎng)中SAE架構(gòu)的解析

曹樹(shù)玲

公誠(chéng)管理咨詢(xún)有限公司，廣東 惠州 516003

通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，移動(dòng)通信的更新?lián)Q代速度也在逐步加快。各運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已向LTE演進(jìn)，與之相適應(yīng)的核心網(wǎng)分組域也向SAE架構(gòu)演進(jìn)。通過(guò)介紹SAE的組網(wǎng)特點(diǎn)，提出了需要關(guān)注的技術(shù)重點(diǎn)。

融合；系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)；IP地址池；扁平架構(gòu)

引言

隨著移動(dòng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，移動(dòng)用戶(hù)數(shù)量不斷增長(zhǎng)，而用戶(hù)要求也越來(lái)越高。只有能支持豐富業(yè)務(wù)種類(lèi)的網(wǎng)絡(luò)，才能提升用戶(hù)滿(mǎn)意度，才能增加業(yè)務(wù)收入。通信網(wǎng)絡(luò)中處于核心骨干位置的核心網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入了SAE系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)時(shí)代，核心網(wǎng)網(wǎng)元變得更加智能、集成、IP化。

1 SAE架構(gòu)組網(wǎng)介紹

1.1 SAE中主要網(wǎng)元及接口功能

目前，EPC中主設(shè)備由MME、SGW、CG、PCRF等網(wǎng)元組成。其中，PCRF是新增網(wǎng)元，是移動(dòng)核心分組域核心網(wǎng)向EPC演進(jìn)的重點(diǎn)變化之一，實(shí)現(xiàn)控制和承載分離的重要標(biāo)志和網(wǎng)絡(luò)部件。MME（Mobility Managemnet Entity）負(fù)責(zé)信令處理部分，功能為移動(dòng)性管理、安全控制（鑒權(quán)認(rèn)證）、空閑狀態(tài)的移動(dòng)性控制、切換到2G或3G接入網(wǎng)時(shí)的SGSN選擇，是SAE的控制核心。S-GW（Serving Gateway）是原3G核心網(wǎng)PS域的演進(jìn)版本，即在新的EPC網(wǎng)絡(luò)中，控制面功能和媒體面功能分離更加徹底，功能類(lèi)似Gn GGSN。PDN Gateway（P-GW）是SAE網(wǎng)絡(luò)的邊界網(wǎng)關(guān)，提供承載控制、計(jì)費(fèi)、地址分配和非3GPP接入等功能，相當(dāng)于傳統(tǒng)GGSN。PCRF（Policy and Charging Rules Function）是服務(wù)數(shù)據(jù)流和IP承載資源的策略與計(jì)費(fèi)控制策略決策點(diǎn)，它為PCEF（策略與計(jì)費(fèi)執(zhí)行功能）選擇及提供可用的策略和計(jì)費(fèi)控制決策。可以對(duì)用戶(hù)和業(yè)務(wù)態(tài)Q0S服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行控制，為用戶(hù)提供差異化服務(wù)。并且能為用戶(hù)提供業(yè)務(wù)流承載資源保障以及流計(jì)費(fèi)策略，讓運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)基于業(yè)務(wù)和用戶(hù)分類(lèi)的更精細(xì)化業(yè)務(wù)控制和計(jì)費(fèi)方式，更加合理地使用網(wǎng)絡(luò)資源，將利益最大化。為PS域開(kāi)展多媒體實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供了可靠的保障。PCRF包含策略控制決策和基于流的計(jì)費(fèi)控制功能。PCRF接收來(lái)自PCC架構(gòu)中的其他設(shè)備的輸入，結(jié)合自身的自定義信息作出PCC決策。引入PCRF后，在網(wǎng)絡(luò)中就可實(shí)施QoS保障技術(shù)，這樣運(yùn)營(yíng)商也就可以在網(wǎng)絡(luò)中提供用戶(hù)差分服務(wù)和業(yè)務(wù)的差異化服務(wù)。這樣，利用PCRF節(jié)點(diǎn)的控制功能，可以為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)如下好處：（1）運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)GGSN與PCRF的互控對(duì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)每個(gè)業(yè)務(wù)的帶寬進(jìn)行限制。這樣可以防止網(wǎng)絡(luò)中的資源濫用。其中一個(gè)典型情形是特定應(yīng)用可能會(huì)消耗大量的可用網(wǎng)絡(luò)資源。針對(duì)同一用戶(hù)在網(wǎng)絡(luò)中使用不同應(yīng)用，運(yùn)營(yíng)商能夠基于PCRF對(duì)每個(gè)IP流或每個(gè)應(yīng)用限制用戶(hù)話(huà)務(wù)[1]。（2）運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)PS數(shù)據(jù)域的QoS保障機(jī)制對(duì)用戶(hù)和業(yè)務(wù)進(jìn)行精細(xì)的差分化管理和控制。這對(duì)開(kāi)展PS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具有重要的影響。（3）運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)對(duì)不同的用戶(hù)等級(jí)（如預(yù)付費(fèi)用戶(hù)）進(jìn)行用戶(hù)服務(wù)區(qū)分，進(jìn)而為用戶(hù)提供差異化服務(wù)。例如，當(dāng)用戶(hù)的業(yè)務(wù)使用流量達(dá)到一定的門(mén)限時(shí)，進(jìn)行降低QoS 服務(wù)質(zhì)量等控制。（4）運(yùn)營(yíng)商對(duì)于少量用戶(hù)進(jìn)行QoS 控制，從而為大多數(shù)用戶(hù)保障網(wǎng)絡(luò)的資源，提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)品質(zhì)。更加合理地管理網(wǎng)絡(luò)資源就可以提高用戶(hù)業(yè)務(wù)感受度，更加優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的資源利用。

S1接口是LTE eNodeB（基站）與 EPC（分組核心網(wǎng)）之間的通訊接口。包括控制面接口S1-MME和用戶(hù)接口S-U。

S2接口是非3GPP網(wǎng)絡(luò)與PDN Gateway之間的接口，基于IETF協(xié)議。當(dāng)用戶(hù)在3GPP網(wǎng)絡(luò)和非3GPP網(wǎng)絡(luò)間漫游時(shí)使用該接口。

S3接口是MME與原有3GPP網(wǎng)絡(luò)SGSN之間的接口，類(lèi)似于原SGSN之間的GN接口。S5接口是S-GW和P-GW間接口，包括控制面和用戶(hù)面。S10接口是MME之間的接口。

S11接口是控制面網(wǎng)元MME和用戶(hù)面網(wǎng)元S-GW間的信令接口，基于GTPv2SGi接口是SGI接口類(lèi)似于GI接口，是外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的接口，是終端IP地址在外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的呈現(xiàn)點(diǎn)。所有3GPP范疇的終端移動(dòng)性能終結(jié)都在SGI接口前處理。

1.2 SAE組網(wǎng)介紹

SAE所定義的核心網(wǎng)絡(luò)在GSM/GPRS核心網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了激進(jìn)式演進(jìn)，SAE的基本原則是在分組交換域集中，從電路交換域脫離。因此它獲得新的名字——EPC（Envoled Packet Core）增強(qiáng)型分組核心網(wǎng)。EPC網(wǎng)絡(luò)的全I(xiàn)P承載，控制面與用戶(hù)面分離的扁平架構(gòu)并支持各種網(wǎng)絡(luò)共接入的特點(diǎn)（見(jiàn)圖1）滿(mǎn)足了如上要求[2]。

圖 1

全I(xiàn)P承載是目前發(fā)展的趨勢(shì)，因此EPC從標(biāo)準(zhǔn)制定之處即確定以全I(xiàn)P承載，不僅包括無(wú)線(xiàn)側(cè)eNodeB與EPC間的S1接口，也包括EPC內(nèi)部MME與HSS之間的借口采用IP承載的diameter協(xié)議。

EPC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了核心網(wǎng)的融合，支持各種3GPP接入方式和non-3GPP網(wǎng)絡(luò)的共接入，并支持多模終端用戶(hù)的無(wú)縫移動(dòng)性。LTE的引入和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商全業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的發(fā)展趨勢(shì)，使得單個(gè)運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始面對(duì)運(yùn)營(yíng)多種制式網(wǎng)絡(luò)。支持多種網(wǎng)絡(luò)同時(shí)接入EPC網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)的融合，使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，降低了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本。同時(shí)EPC網(wǎng)絡(luò)支持各種接入方式之間的無(wú)縫移動(dòng)性，提高LTE用戶(hù)在LTE部署初期局部覆蓋時(shí)的使用感受。

當(dāng)3GPP發(fā)展到R8版本時(shí)，確定了SAE的最終架構(gòu)。對(duì)比傳統(tǒng)3GPP 3G網(wǎng)絡(luò)，這種架構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）控制和承載分離，組網(wǎng)靈活性強(qiáng)。在SAE架構(gòu)中，控制平面和用戶(hù)平面是完全分離的，由MME負(fù)責(zé)控制平面的處理。在這種架構(gòu)下，運(yùn)營(yíng)商可以更加靈活地根據(jù)用戶(hù)和業(yè)務(wù)量的情況，來(lái)選擇擴(kuò)展控制平面還是擴(kuò)容用戶(hù)平面，從而提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，降低成本。而用戶(hù)平面設(shè)備可以通過(guò)適當(dāng)?shù)暮喜⒑蜌w一化來(lái)減少網(wǎng)絡(luò)層次，提升網(wǎng)絡(luò)性能。通過(guò)將用戶(hù)平面設(shè)備下移至網(wǎng)絡(luò)邊緣，節(jié)省回程傳輸資源，降低運(yùn)維成本。

（2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化，減少了網(wǎng)絡(luò)層次。在原來(lái)的3GPP網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳輸需要經(jīng)過(guò)基站、基站控制器、SGSN、GGSN才能到達(dá)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，而在SAE架構(gòu)中，去掉了基站控制器節(jié)點(diǎn)，將其功能分配到核心網(wǎng)和基站上處理。數(shù)據(jù)傳輸從原來(lái)經(jīng)過(guò)四個(gè)節(jié)點(diǎn)降到了只經(jīng)過(guò)2個(gè)節(jié)點(diǎn)。這種架構(gòu)不但避免了對(duì)中間節(jié)點(diǎn)的投資，而且檢查了數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，降低了傳輸時(shí)延，為吞吐能力的提升奠定了基礎(chǔ)。

（3）所有接口基于IP。在SAE架構(gòu)中，所有的接口均支持基于IP協(xié)議、業(yè)務(wù)和語(yǔ)言，基于IP的數(shù)據(jù)連接為運(yùn)營(yíng)商降低了成本。SAE支持不同的IP版本，便于不同層次的網(wǎng)絡(luò)共享，并支持沒(méi)有IP連接的終端的IP地址配置。SAE的全I(xiàn)P組網(wǎng)，充分利用了IP網(wǎng)高吞吐量、低成本的優(yōu)勢(shì)，能夠降低運(yùn)營(yíng)商的成本，而IP網(wǎng)絡(luò)天然的開(kāi)放性和共享性，便于運(yùn)營(yíng)商開(kāi)展更多業(yè)務(wù)、提高網(wǎng)絡(luò)效率，也有利于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容。

（4）支持多種網(wǎng)絡(luò)計(jì)入。SAE的體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)支持多種網(wǎng)絡(luò)（GSM、WCDNA/HSPA、LTE）的通用分組核心網(wǎng)。對(duì)于GSM、WCDMA/HSPA系統(tǒng)，則通過(guò)SGSN和演進(jìn)后的核心網(wǎng)之間的標(biāo)準(zhǔn)接口集成到演進(jìn)后的系統(tǒng)中。SAE從架構(gòu)上融合了不同制式的無(wú)線(xiàn)接口，考慮到了不同無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的平滑演進(jìn)，有利于保護(hù)運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有的投資。

1.3 基于SAE架構(gòu)的IP POOL組網(wǎng)介紹

在EPS架構(gòu)中，POOL技術(shù)應(yīng)用到MME域，稱(chēng)為MME Pool。MME Pool指由一個(gè)或者多個(gè)MME組成的區(qū)域，是完整的TA區(qū)集合，MME Pool內(nèi)每個(gè)eNodeB與MME全互聯(lián)；不同MME Pool之間可相互疊加，重疊區(qū)域中的eNB可以同時(shí)與兩個(gè)MME池中的某些MME建立S1連接。UE在MME Pool內(nèi)的TA區(qū)域移動(dòng)可不用更換服務(wù)MME。

MME Pool關(guān)鍵技術(shù)原理是在SAE中，繼承并沿用關(guān)于MIP的這個(gè)概念，定義了MME池/SAE-GW池/SAE-GW池的概念。MME Pool最終目的是滿(mǎn)足系統(tǒng)負(fù)荷分擔(dān)，通過(guò)定義池區(qū)域（POOL AREA），使在其區(qū)域內(nèi)漫游的終端，不需要改變其提供服務(wù)的核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，從而減少系統(tǒng)信令負(fù)荷。一方面，用戶(hù)進(jìn)入MME Pool區(qū)域，eNB根據(jù)權(quán)重信息為UE選擇接入的MME，均衡POOL內(nèi)MME的負(fù)載，最終使POOL內(nèi)的MME均衡的接入U(xiǎn)E，達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)的平衡；另一方面，通過(guò)網(wǎng)管觸發(fā)或相關(guān)策略遷移部分或者全部UE遷移到MME Pool內(nèi)其他MME，有序卸載，最終達(dá)到負(fù)載重分配，同時(shí)，當(dāng)MME出現(xiàn)過(guò)載后，通過(guò)信令觸發(fā)ENB進(jìn)行過(guò)載控制策略，減少轉(zhuǎn)發(fā)給過(guò)載的MME消息數(shù)量。通過(guò)MME Pool功能可實(shí)現(xiàn)靈活的負(fù)載重分配方式：滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)策略及設(shè)備運(yùn)維各場(chǎng)景下的負(fù)載遷移，動(dòng)態(tài)調(diào)整負(fù)載，達(dá)到卸載有序并不影響網(wǎng)絡(luò)。MME Pool中所有MME由統(tǒng)一網(wǎng)管進(jìn)行管理，通過(guò)集中配置、集中故障管理、集中呈現(xiàn)達(dá)到簡(jiǎn)化管理。MME Pool繼承了UMTS中的SGSN Pool優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)池域資源的管理，減少系統(tǒng)信令負(fù)荷，提升網(wǎng)絡(luò)效率及可靠性。

2 SAE演進(jìn)過(guò)程

2.1 LTE試點(diǎn)階段

運(yùn)營(yíng)商選擇小范圍區(qū)域部署獨(dú)立的SAE網(wǎng)絡(luò)?？梢员苊鈱?duì)現(xiàn)網(wǎng)的業(yè)務(wù)造成影響，并且可以進(jìn)行核心網(wǎng)側(cè)各種業(yè)務(wù)及功能的測(cè)試驗(yàn)證，積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

2.2 LTE與現(xiàn)網(wǎng)融合部署階段

隨著LTE的技術(shù)成熟，對(duì)數(shù)據(jù)流較高的地區(qū)進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)元改造。演進(jìn)步驟可以?xún)?yōu)先實(shí)現(xiàn)用戶(hù)面網(wǎng)元的融合，再按需實(shí)現(xiàn)控制碼面網(wǎng)元的融合。

2.3 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主導(dǎo)階段

可以將控制面集中設(shè)置，用戶(hù)面結(jié)合VoLTE需求和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)本地需求分布部署。將網(wǎng)關(guān)下移，進(jìn)一步接近用戶(hù)，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂剑档土藗鬏敃r(shí)延，也節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)的投資。

3 結(jié)束語(yǔ)

SAE架構(gòu)在目前通訊技術(shù)的發(fā)展中占有相當(dāng)重要的地位。它支持各種類(lèi)型的接入，支持各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源管控；通過(guò)建設(shè)SAE架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，改造現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多種制式網(wǎng)絡(luò)的融合。目前2/3/4G融合組網(wǎng)已在廣東順利完成了三期工程的建設(shè)，隨著技術(shù)的進(jìn)度，在SAE架構(gòu)的基礎(chǔ)上，融合其他接入技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)全面融合的目標(biāo)。

[1]鄧達(dá)豪.下一代核心網(wǎng)的工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)優(yōu)化研究[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2015（4）：46-49.

[2]呂紅衛(wèi)，馮征.核心網(wǎng)分組域引入EPC架構(gòu)分析[J].電信科學(xué)，2012（10）：85.

Analysis of SAE Architecture in EPC Core Network

Cao Shuling

Public Management Consulting Co., Ltd，Guangdong Huizhou 516003

As the rapid development of communication technology， the replacement rate of mobile communication is gradually accelerating. The mobile network of each communication operator trending to LTE evolution，which adapts the EPC（Evolved Packet Core）evolute to SAE（System Architecture Evolution）. This article introduces the networking features of the SAE，and point out the techniques which need to concern.

fusion；SAE（System Architecture Evolution）；IP pool；flat architecture

TN929.5

A

1009-6434（2017）01-0117-03