核心網(wǎng)分組域引入EPC架構(gòu)分析

呂紅衛(wèi)，馮 征

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100080）

1 EPC技術(shù)概述

隨著3G技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，如何進(jìn)一步提升無線網(wǎng)絡(luò)帶寬，支持更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，成為業(yè)界關(guān)注的問題。2004年，3GPP多倫多會(huì)議提出了LTE無線標(biāo)準(zhǔn)，它定義了一種適應(yīng)3GPP無線接入系統(tǒng)向高速、低延時(shí)和優(yōu)化數(shù)據(jù)包傳輸演進(jìn)的架構(gòu)，采用與3G不同的空中接口技術(shù)——基于OFDM的空中接口技術(shù)，在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行326 Mbit/s,上行86 Mbit/s的峰值速率。

與無線技術(shù)演進(jìn)相適應(yīng)，2004年12月，3GPP在希臘雅典會(huì)議啟動(dòng)了面向全I(xiàn)P分組域核心網(wǎng)的演進(jìn)項(xiàng)目SAE(system architecture evolution)，并在 WI階段更新為 EPC（envoled packet core）。EPC的目標(biāo)是制定一個(gè)具有高數(shù)據(jù)率、低延遲、數(shù)據(jù)分組化、支持多種無線接入技術(shù)為特征的具有可移植性的3GPP系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，且基于未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)成為全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，接入方式多樣化，不僅有UTRAN/GERAN，還有Wi-Fi、WiMAX等。EPC網(wǎng)絡(luò)的主要特征包括：

·支持端到端的QoS保證；

·端到端業(yè)務(wù)分組化；

·支持多接入技術(shù)，支持和現(xiàn)有3GPP系統(tǒng)的互通，同時(shí)支持非 3GPP網(wǎng)絡(luò)(如 WLAN、WiMAX)的接入，支持用戶在3GPP網(wǎng)絡(luò)和非3GPP網(wǎng)絡(luò)之間的漫游和切換；

·增加對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的支持，簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，簡化用戶業(yè)務(wù)連接建立信令流程，降低業(yè)務(wù)連接的時(shí)延，連接建立的時(shí)間要求小于200 ms；

·網(wǎng)絡(luò)層次扁平化，用戶面節(jié)點(diǎn)盡量壓縮，接入網(wǎng)取消RNC，核心網(wǎng)用戶面節(jié)點(diǎn)在非漫游時(shí)合并為一個(gè)。

隨著LTE技術(shù)在移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)中的引入，分組域?qū)⑾駿PC架構(gòu)演進(jìn)，并推動(dòng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。

2 EPC核心網(wǎng)架構(gòu)

EPC核心網(wǎng)主要由移動(dòng)性管理設(shè)備（MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān) （P-GW）、存儲(chǔ)用戶簽約信息的HSS、策略控制單元（PCRF）等組成，其中 S-GW 和 P-GW可以合設(shè)，也可以分設(shè)，EPS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

EPC核心網(wǎng)架構(gòu)秉承了控制與承載分離的理念，將分組域中SGSN的移動(dòng)性管理、信令控制功能和媒體轉(zhuǎn)發(fā)功能分離出來，分別由兩個(gè)網(wǎng)元來完成，其中，MME負(fù)責(zé)移動(dòng)性管理、信令處理等功能，S-GW負(fù)責(zé)媒體流處理及轉(zhuǎn)發(fā)等功能，P-GW則仍承擔(dān)GGSN的職能。LTE無線系統(tǒng)中取消了RNC網(wǎng)元，將其功能分別移至基站eNodeB和核心網(wǎng)網(wǎng)元，eNodeB將直接通過S1接口與MME、S-GW互通，簡化了無線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

3 EPC核心網(wǎng)架構(gòu)引入方式分析

目前，LTE/EPC技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品（包括網(wǎng)絡(luò)和終端產(chǎn)品）仍處于不斷完善的過程中，還不具備規(guī)模商用的條件。隨著標(biāo)準(zhǔn)組織、運(yùn)營企業(yè)及生產(chǎn)廠家的大力推進(jìn)，未來幾年內(nèi)LTE/EPC技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈將逐漸成熟，并可在網(wǎng)絡(luò)中規(guī)模應(yīng)用。鑒于此，運(yùn)營商引入LTE/EPC技術(shù)的時(shí)間點(diǎn)不同，則可選擇的引入模式也將不同。本節(jié)將提出幾種可能的引入模式，并對各種模式下核心網(wǎng)的功能需求進(jìn)行分析。

3.1 模式一：小范圍引入，孤島式組網(wǎng)，進(jìn)行技術(shù)試驗(yàn)

該模式適用于當(dāng)前階段，主要由于LTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和終端推出時(shí)間較短，技術(shù)成熟度相對低，需要通過試驗(yàn)來驗(yàn)證產(chǎn)品、業(yè)務(wù)、組網(wǎng)、計(jì)費(fèi)等各環(huán)節(jié)的成熟度。可選擇少量城市進(jìn)行小范圍的現(xiàn)場試驗(yàn)，EPC核心網(wǎng)與LTE無線網(wǎng)自成系統(tǒng)，與現(xiàn)網(wǎng)不互聯(lián)。該模式下的組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

由于支持語音業(yè)務(wù)的LTE手機(jī)終端推出進(jìn)程慢于數(shù)據(jù)卡類終端，因此該模式只為試驗(yàn)用戶提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，且只能在本地LTE試驗(yàn)網(wǎng)內(nèi)漫游，不提供至2G/3G網(wǎng)絡(luò)的漫游和切換。模式一對EPC核心網(wǎng)的主要功能如下：

·核心網(wǎng)元需具備3GPP R8版本規(guī)定的相關(guān)功能；

·HSS需具備基于IP的S6a接口，不需具備與SGSN的Gr接口。

3.2 模式二：全網(wǎng)引入并獨(dú)立組網(wǎng)，不與現(xiàn)有2G/3G網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，只提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

該模式適用于LTE及EPC網(wǎng)絡(luò)設(shè)備較成熟的階段，具備全網(wǎng)部署的條件，并可聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)LTE用戶在網(wǎng)內(nèi)的漫游，由于LTE手機(jī)終端成熟較晚，且VoIP業(yè)務(wù)的支持程度較弱，因此只為用戶提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。考慮到該階段LTE網(wǎng)絡(luò)仍需進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，以驗(yàn)證大范圍組網(wǎng)的各種特性，為避免對現(xiàn)網(wǎng)的改造和影響，LTE網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)組網(wǎng)，不與現(xiàn)網(wǎng)互聯(lián)，不提供LTE漫游至2G/3G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)。組網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。

模式二要求EPC網(wǎng)絡(luò)除需具備模式一中的功能外，還要求不同省SAE-GW間通過S5接口進(jìn)行通信，全網(wǎng)MME與HSS間需全互聯(lián)，需確定Diameter IP信令網(wǎng)組網(wǎng)方式等。

3.3 模式三：全網(wǎng)引入，與現(xiàn)有2G/3G網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)，只提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

該模式適用于LTE及EPC網(wǎng)絡(luò)設(shè)備已成熟的階段，具備商用條件，可與現(xiàn)網(wǎng)互聯(lián)、互操作，實(shí)現(xiàn)LTE用戶在LTE網(wǎng)及現(xiàn)有2G/3G網(wǎng)中均可使用業(yè)務(wù)。該模式要求LTE用戶使用LTE/2G/3G多模終端，由于手機(jī)終端的成熟時(shí)間相對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備較晚，因此該模式可只提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。組網(wǎng)架構(gòu)如圖4所示。

為LTE用戶提供漫游至現(xiàn)有2G/3G網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，要求現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)配合，從對現(xiàn)網(wǎng)改造的工作量來看，可分為兩種情況：一種為只實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間漫游業(yè)務(wù)；另一種，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間漫游、切換業(yè)務(wù)。前一種情況要求EPC核心網(wǎng)元除需具備模式二的功能外，HSS還需具備Gr接口，與現(xiàn)網(wǎng)SGSN互通，現(xiàn)網(wǎng)配合改造工作量很小，但當(dāng)用戶在兩網(wǎng)邊界使用業(yè)務(wù)時(shí)，業(yè)務(wù)將出現(xiàn)中斷。后一種情況要求EPC網(wǎng)元與現(xiàn)網(wǎng)SGSN間進(jìn)行切換操作，需要EPC網(wǎng)絡(luò)MME增加支持分組切換 （packet handover）相關(guān)功能，P-GW支持GGSN功能，并要求現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)元進(jìn)行升級(jí)改造，當(dāng)用戶在兩網(wǎng)邊界使用業(yè)務(wù)時(shí)，業(yè)務(wù)可保持連續(xù)。

實(shí)現(xiàn)EPC網(wǎng)元與現(xiàn)網(wǎng)的切換要求ECP核心網(wǎng)元與2G/3G SGSN、GGSN之間采用相關(guān)的接口協(xié)議互通，接口協(xié)議的選擇可有以下兩種方案。

（1）方案一

采用Gn接口，即2G/3G SGSN通過Gn接口與EPC網(wǎng)中的MME和P-GW互通，通過Gr接口與HSS進(jìn)行互通。

對于LTE至2G/3G網(wǎng)的切換，2G/3G網(wǎng)SGSN與EPC網(wǎng)MME通過Gn接口互通，并根據(jù)RAU/TAU消息中的信息，仍選擇切換前為該用戶服務(wù)的EPC網(wǎng)P-GW作為GGSN建立PDP承載。

對于2G/3G至LTE網(wǎng)的切換，LTE用戶漫游到2G/3G無線網(wǎng)并發(fā)起業(yè)務(wù)請求時(shí)，通常情況下，2G/3G SGSN應(yīng)能判斷用戶為LTE用戶，選擇EPC網(wǎng)P-GW作為GGSN建立PDP承載，當(dāng)發(fā)生至LTE網(wǎng)的切換時(shí)，EPC網(wǎng)MME與2G/3G SGSN通過Gn接口互通，并選擇相應(yīng)S-GW和原來為用戶服務(wù)的P-GW，建立PDP承載。2G/3G SGSN判斷LTE用戶的具體方式有以下4種：

·方式一，LTE業(yè)務(wù)使用特殊APN；

·方式二，終端上報(bào)MS network capability中包含EPC capability（EPC not supported （0）/EPC supported （1）），核心網(wǎng)可以據(jù)此進(jìn)行判斷；

·方式三，終端上報(bào) Radio Access Capability IE，其中包含E-UTRA TDD support/E-UTRA FDD support字段，核心網(wǎng)可以據(jù)此進(jìn)行判斷；

·方式四，LTE USIM的AMF=1，LTE的用戶需要使用新的USIM卡，因此存在通過合理規(guī)劃IMSI號(hào)段來區(qū)分LTE用戶的可能，進(jìn)而可以通過使用IMSI號(hào)段來進(jìn)行GW選擇。

經(jīng)綜合比較，建議采用方式二。

（2）方案二

采用S3/S4接口，即2G/3G SGSN通過S3接口與EPC網(wǎng)中的MME互通，通過S4接口與S-GW互通，通過Gr接口與HSS互通。

對于LTE至2G/3G網(wǎng)的切換，2G/3G網(wǎng)SGSN與EPC網(wǎng)MME交互，并根據(jù)互通信息，選擇切換前為該用戶服務(wù)的S-GW，建立PDP承載。

對于2G/3G至LTE網(wǎng)的切換，與方案一類似，只是切換前2G/3G SGSN判斷用戶為LTE用戶后選擇EPC網(wǎng)相應(yīng)的S-GW，并經(jīng)S-GW建立PDP承載，當(dāng)發(fā)生至LTE網(wǎng)的切換時(shí)，EPC網(wǎng)MME與2G/3G SGSN通過S3接口互通，并選擇原來為用戶服務(wù)的S-GW，建立PDP承載。

（3）方案比較

從接口協(xié)議角度看，Gn接口基于GTPv1，S4接口基于GTPv2，GTPv2相對于GTPv1，增加了擴(kuò)展性、適應(yīng)性和錯(cuò)誤處理能力，方案二較方案一更優(yōu)。

從用戶體驗(yàn)角度看，方案一能夠支持ISR(idle mode signaling reduction)功能，解決在LTE覆蓋比較差的情況減少用戶在Idle狀態(tài)下移動(dòng)帶來的信令開銷，提升用戶體驗(yàn)，但在LTE覆蓋比較好的情況下對用戶體驗(yàn)提升影響不大；方案二能夠支持R8 DT功能，解決3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量大時(shí)節(jié)約SGSN用戶面容量的問題，但對用戶體驗(yàn)提升影響不大。總體來看，這兩種方案在用戶體驗(yàn)方面沒有明顯的差異。

從對現(xiàn)網(wǎng)影響角度看，方案一對現(xiàn)有SGSN沒有新增功能要求，對現(xiàn)網(wǎng)影響較小，方案二要求現(xiàn)有SGSN升級(jí)支持S3/S4接口，對現(xiàn)網(wǎng)的改造工作量較大。

綜合比較，在EPC網(wǎng)絡(luò)采用新建方式時(shí)，與現(xiàn)網(wǎng)的互通建議采用方式一，即Gn接口互通的方式。當(dāng)現(xiàn)網(wǎng)SGSN進(jìn)行與MME融合功能改造時(shí)，再考慮使用S4接口方式。

3.4 模式四：全網(wǎng)引入，與現(xiàn)有2G/3G網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)，提供語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

該模式適用LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)和終端產(chǎn)品均已成熟的階段，可在全網(wǎng)范圍內(nèi)規(guī)模應(yīng)用，并為用戶提供語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。LTE用戶使用LTE/2G/3G多模終端（包括手機(jī)終端和數(shù)據(jù)卡終端）可在LTE網(wǎng)及2G/3G網(wǎng)內(nèi)漫游，并具備切換功能。模式四的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)與模式三相同，如圖4所示。

模式四需解決LTE網(wǎng)絡(luò)與2G/3G網(wǎng)絡(luò)并存期，LTE用戶語音業(yè)務(wù)在兩網(wǎng)間連續(xù)性的問題，從目前的相關(guān)規(guī)范來看，有兩種解決方式。

（1）方式一：回落電路域（cs fallback）方式

該方式中，LTE用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)由LTE/EPC疏通，語音業(yè)務(wù)由2G/3G電路域疏通，語音業(yè)務(wù)不支持在LTE與2G/3G無線網(wǎng)之間的切換。LTE終端同時(shí)附著在LTE網(wǎng)和2G/3G電路域，當(dāng)終端發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，由EPC網(wǎng)絡(luò)處理；當(dāng)終端同時(shí)發(fā)起語音業(yè)務(wù)時(shí)，回落到2G/3G網(wǎng)絡(luò)，由CS域處理，并將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到2G/3G分組域。此種方式對于LTE用戶而言，語音業(yè)務(wù)是由電路域來實(shí)現(xiàn)的，要求LTE終端同時(shí)附著在兩個(gè)網(wǎng)上，與2G/3G用戶的語音業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方式相同。

表1 4種模式的比較

（2）方式二：SRVCC(single radio voice call continuity)方式

該方式中，LTE用戶的語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)均由LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)疏通，當(dāng)LTE用戶在使用語音業(yè)務(wù)的過程中在LTE網(wǎng)和2G/3G網(wǎng)絡(luò)間漫游時(shí)，需要EPC核心網(wǎng)與2G/3G電路域互通，采用SRVCC方式實(shí)現(xiàn)語音業(yè)務(wù)在LTE與2G/3G無線網(wǎng)間的切換。

方式一對終端功能要求較高，需要同時(shí)附著在兩張網(wǎng)，要求電路域MSC Server與MME間新增SGs接口（擴(kuò)展的Gs接口），HSS與MSC SERVER之間增開MAP接口；方式二不要求終端同時(shí)附著在兩網(wǎng)，但在MME和電路域MSC Server以及SGSN和MSC之間增開Sv接口以支持SRVCC功能。這兩種方式各有利弊，且各廠家支持情況不太一樣，具體選擇何種方式需要在網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，根據(jù)業(yè)務(wù)開放及產(chǎn)品支持程度來選擇。

3.5 4種模式的比較

運(yùn)營商選擇EPC技術(shù)的引入模式與部署時(shí)間、業(yè)務(wù)提供方式、網(wǎng)絡(luò)及終端設(shè)備的成熟度等密切相關(guān)，需要綜合考慮各種因素，表1是對以上4種模式的比較。

4 現(xiàn)有分組域核心網(wǎng)向EPC演進(jìn)的建議

從EPC核心網(wǎng)的架構(gòu)可知，EPC核心網(wǎng)元可由2G/3G分組域網(wǎng)元升級(jí)而來，SGSN可以升級(jí)為MME，GGSN可升級(jí)為SAE-GW。通過對廠家現(xiàn)有2G/3G分組域設(shè)備的調(diào)研，大多數(shù)設(shè)備可升級(jí)支持EPC功能，因此現(xiàn)有2G/3G分組域向EPC架構(gòu)的演進(jìn)，需根據(jù)LTE的建設(shè)進(jìn)度及業(yè)務(wù)需求，并結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備的升級(jí)支持程度來選擇演進(jìn)步驟和進(jìn)程。總體來講，逐步從EPC獨(dú)立組網(wǎng)到與2G/3G分組域融合組網(wǎng)是演進(jìn)的總原則，可采取以下步驟。

·步驟一：在未引入LTE技術(shù)前，現(xiàn)網(wǎng)2G/3G分組域擴(kuò)容工程（包括新建設(shè)備和擴(kuò)容設(shè)備）中選擇能夠支持向SAE演進(jìn)的硬件平臺(tái)設(shè)備。

·步驟二：在LTE引入初期，小范圍進(jìn)行LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)試驗(yàn)，采用新建EPC網(wǎng)元的方式，現(xiàn)網(wǎng)分組域不需要升級(jí)，只需配置相關(guān)路由數(shù)據(jù)。

·步驟三：試商用階段，大范圍進(jìn)行LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備實(shí)際情況和LTE業(yè)務(wù)特性及需求，優(yōu)選融合方式，即升級(jí)改造現(xiàn)網(wǎng)分組域設(shè)備，選擇具備條件的SGSN、GGSN設(shè)備進(jìn)行改造，接入LTE無線網(wǎng)。若為LTE數(shù)據(jù)卡用戶提供至2G/3G的漫游業(yè)務(wù)，除升級(jí)為EPC網(wǎng)元的設(shè)備外，現(xiàn)網(wǎng)其他GPRS網(wǎng)設(shè)備不需改造。若為LTE數(shù)據(jù)卡用戶提供至2G/3G的切換和漫游業(yè)務(wù)，則現(xiàn)網(wǎng)GPRS設(shè)備均需升級(jí)支持與EPC網(wǎng)元的互操作，建議采用Gn接口互通方式。

·步驟四：規(guī)模商用階段，將在全網(wǎng)范圍內(nèi)為LTE用戶提供語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。EPC網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)采用與現(xiàn)網(wǎng)全面融合的方式，選擇具備條件的SGSN、GGSN進(jìn)行升級(jí)，接入LTE無線網(wǎng)，建議采用S3/S4接口互通方式，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)元的互操作。

1 TS 23.002 V9.0.0.Network architecture（release 9）

2 TS 23.401 V9.1.0.GPRS enhancements for E-UTRAN access（release 9）

3 TS 23.060 V9.1.1.GPRS Service description；Stage 2（release 9）

4 TS 23.272 V9.0.0.CS Fallback in EPS；Stage 2（release 9）

5 TS 23.216 V9.0.0.Single radio voice call continuity(SRVCC)；stage 2（release 9）