演進的3GPP系統架構分析

方 強

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

從2004年開始,3GPP工作組開始了對3G技術的演進工作,演進的目的主要為了保持3GPP技術在移動通信領域中的領先地位,解決3G技術中存在的問題和不足,適應當前日益增長的分組業務的發展。在無線接入方面的演進稱為LTE(Long Term Evolution),主要包括無線接入技術以及無線接入網絡的演進,為了配合無線接入方面的演進,3GPP同時對核心網絡進行了演進稱為SAE。SAE是一種新的網絡架構,特點是可以提高網絡覆蓋能力,降低成本,融合其他異構網絡,支持各種網絡的接入等。

1 系統架構和功能

3GPP在 R7版本中給出了SAE的網絡架構,SAE支持 3GPP系統以及非 3GPP系統接入,其中3GPP系統包括傳統的2G/3G接入系統和LTE接入系統,非3GPP系統包括WLAN、WiMax等接入系統,SAE是一個全分組扁平網絡結構,能夠實現接入系統之間用戶移動性管理以及接入網絡之間無縫操作,提供和業務網絡的接口,減少包丟失和中斷時間,同時支持移動IP。

SAE包括2個核心網絡,一個是通用分組無線業務(GPRS)核心網絡,另一個是演進的分組核心網絡(Evolved Packet Core,EPC)。GPRS核心網絡是由傳統GPRS網絡演進而來,用于支持2G/3G無線接入網絡服務,包括GPRS無線接入網GERAN和通用移動通信系統(UMTS)接入網UTRAN。EPC作為主要的核心網絡,可以為3GPP接入網絡、LET接入網絡E-UTRAN以及非3GPP的IP接入網絡提供接入服務。EPC通過相應接口和內部數據網絡(例如IMS)以及外部數據網絡(例如互連網)相連。圖1給出了無漫游情況下的系統架構。

EPC的功能主要包括IP接入業務使能,分組路由與轉發,和PDN互通網關,策略控制的執行,計費信息收集,E-UTRAN接入支持,3GPP接入系統內部移動性支持,3GPP接入和非3GPP接入之間的移動性支持,尋呼的發起,IP包壓縮,用戶面加密終止,SAE承載管理,合法監聽用戶面業務和信令面業務,信令的加密和完整性檢查,用戶臨時標識的管理和存儲,認證和授權等。

圖1 無漫游SAE系統架構

EPC包括移動性管理實體(Mobility Management Entity,MME)、用戶面實體(User Plane Entity,UPE)、接入系統間支撐(Inter AccessSystem Anchor,IASA)以及演進分組數據網關(Evolved Packet Data Gateway,ePDG)等。MME/UPE是E-UTRAN在EPC中的接入點,實現移動終端UE控制面和用戶面在網絡側的終結。IASA用于3GPP接入系統以及非3GPP系統的接入,它包括2部分,一個是3GPP Anchor,一個是SAE Anchor,其中3GPP Anchor為3GPP系統提供網關服務,SAEAnchor為非3GPP系統以及WLAN提供接入和網關服務。IASA通過SGi接口和提供服務的分組網絡、IMS網絡以及互聯網互通,實現IP業務或其他分組業務,ePDG是WLAN接入EPC的接入網關,實現WLAN接入EPC功能。

在SAE架構中用戶屬性服務器(Home Subscriber Server,HSS)和策略控制和計費規則實體(Policy Control and Charging Rules Function,PCRF)獨立于EPC之外,其中HSS完成對用戶的認證、鑒權以及移動性管理功能,PCRF用于實現策略和計費控制決策,包括QoS和計費的決策功能,策略和計費執行實體(Policy and Charging Enforcement Function,PCEF)沒有在圖中給出,它和PCRF共同實現QoS和計費控制,其中PCEF是執行者,一般位于網關或業務的接入點中,如MME/UPE、IASA或ePDG。

2 功能實體

2.1 移動性管理實體

移動性管理實體MME是用戶在網絡側的終止點,主要完成LET接入網絡的接入功能,實現控制面的功能,包括處理非接入層(Non-Access Stratum,NAS)信令,進行NAS信令的加密和完整性保護,終結用戶信令,選擇分組網關、服務網關SGSN,完成鑒權、加密功能,管理承載連接控制,合法監聽信令業務,管理和分配臨時用戶標識等。

2.2 用戶面實體

用戶面實體UPE是LET接入網用戶面在網絡側的終止點,主要實現用戶面的業務功能,具體包括為用戶分配業務IP地址,產生呼叫詳細記錄,并且發送給計費系統,實現用戶面業務加密,IP頭壓縮,合法監聽用戶面業務,觸發或發起尋呼等。

2.3 3GPP Anchor

3GPP Anchor功能實體用于支持用戶面在3GPP的2G/3G接入系統和LTE接入系統之間的移動性,實現3GPP系統和外部數據網絡的互通功能。3GPP Anchor和GPRS核心網絡中的SGSN之間一般采用GTP協議,類似于GPRS網絡中的GGSN。

2.4 SAE Anchor

SAE Anchor支持用戶面在3GPP IP接入系統和非3GPP接入系統之間的移動性,處理UPE/3GPP Anchor的重定位,實現分組路由和轉發、PDN網關、策略和計費執行功能,合法監聽等功能。

2.5 演進分組數據網關

ePDG是WLAN 3GPP IP網絡接入EPC時的網關,實現分組業務路由、隧道鑒權認證、業務封裝和解封裝、IP地址分配、QoS策略執行以及合法監聽等功能。

2.6 策略控制和計費規則實體

策略控制和計費規則實體PCRF是一個獨立于EPC的功能實體,主要實現策略控制決策以及計費控制功能。PCRF提供有關業務數據流檢測、門控、QoS保障以及基于流計費的網絡控制,決定PCEF如何處理業務流,同時授權QoS資源。PRCF也檢查由AF提供的業務信息是否和用戶的簽約信息一致性。

2.7 策略和計費執行實體

策略和計費執行功能PCEF是一個邏輯功能實體,一般集成在接入網關和互通網關中(例如GGSN或IASA中),通常不單獨部署,PCEF是策略和計費控制的執行者,具體功能包括業務流檢測、用戶面業務處理、觸發控制面會話管理、QoS處理、業務流的測量以及和計費系統的交互等。

3 接口

SAE網絡架構中增加了新的功能實體,同時定義許多新的接口,部分接口是在3G網絡接口上演進而來。

S1是E-UTRAN和EPC之間的接口,實現用戶面和控制面業務傳輸。由于E-UTRAN中沒有了RNC,所以無線接入側控制終止于eNodeB(Evolved NodeB),核心網絡側終止于EPC中的MME/UPE。S1包括2部分：控制面接口S1-C和用戶面接口S1-U。其中S1-C和MME相連,實現對控制面的管理,S1-U和UPE相連實現對用戶面的管理。

S2a是非3GPP IP接入系統和EPC之間的接口,在EPC中終止于IASA中SAE Anchor。S2b是ePDG和SAE Anchor之間的接口,目的為了實現WLAN 3GPP IP網絡通過ePDG接入到核心網絡。

S3接口用于GPRS核心網絡和EPC之間交換用戶和承載信息,具體是SGSN和MMU/UPE之間的接口,類似與GPRS中的SGSN和SGSN之間的接口Gn,接口協議一般基于GTP協議,主要實現用戶在傳統3GPP網絡和演進的3GPP網絡之間的移動性。

S4存在于GPRS核心網絡和3GPP Anchor之間為用戶面提供相關的控制以及移動性支持,類似于GPRS系統中SGSN和GGSN之間的Gn接口,傳統的3GPP接入系統通過S4接口訪問外部分組數據網絡。

S5a為EPC系統內部接口,為MME/UPE和3GPP Anchor實體之間的用戶面和控制面提供相關的控制以及移動性支持。S5b為EPC系統內部接口,為3GPP Anchor和SAE Anchor實體之間的用戶面和控制面提供相關的控制以及移動性支持。S5a和S5b是否定義成公開接口還需進一步研究,它的存在可能和網絡的部署有關,如果某些實體合并,這些接口可能就成為內部接口。

S6是EPC和HSS之間的接口,它由傳統的Gr接口(SGSN和HLR之間的接口)演進而來,用于用戶的認證、鑒權、移動性管理等,接口上傳輸用戶的簽名、鑒權數據以及位置信息。

S7是PCRF和EPC之間接口,傳輸QoS策略以及計費規則,其中PCRF中保存有這些策略和規則,在業務過程中通過該接口下載到EPC系統中的策略和計費執行點PCEF,實現QoS保障以及計費信息的收集。

SGi是EPC和外部分組數據網絡之間的接口,分組數據網絡既可以是公共分組數據網也可以是私有分組數據網絡,當然也可以是一個內部數據網絡如IMS服務。SGi接口類似于Gi接口(GPRS和外部數據網絡之間的接口)或Wi接口(WLAN和PDN之間的接口)。

4 關鍵技術

4.1 策略和計費控制

策略和計費控制(Policy and Charging Control,PCC)是SAE架構中的一個關鍵技術,用于實現策略控制和計費控制。策略控制包括門控和QoS控制,計費控制主要是根據簽約信息在PCC規則中標識業務流以及指定計費控制參數。PCC的實現需要SAE中多個實體協同完成,這些實體包括PRCF、PCEF、簽約信息庫(Subscription Profile Repository,SPR)以及應用(Application Function,AF)等。SAE通過PCC規則實現策略和計費控制,動態PCC規則由PRCF實體生成,所需信息來源于PCEF、SPR以及AF,其中PCEF提供的信息包括：用戶標識、UE的IP地址、IP-CAN承載屬性,IP-CAN的類型 (例如GPRS、I-WLAN)、戶的位置信息 、PDN 標識 、PLMN 標識、IP-CAN承載建立模式。SPR提供的信息包括：用戶允許的業務、業務優先級、基本帶寬QoS、計費相關信息、用戶類別。應用AF提供的信息包括：用戶標識、UE的IP地址、媒體類型以及格式、帶寬、數據流描述(例如源和目的地址)。

PCRF生成PCC規則后發送給PCEF,PCEF根據PPC規則進行策略控制和計費控制。策略控制通過2種方法：一種是門控,它允許遵守策略控制規則的業務流通過PCEF;另一種是QoS控制,PCEF根據PCC規則執行授權的QoS。對于計費控制,PCEF通過檢查業務流是否符合PCC規則中的計費控制規則確定是否允許業務流通過PCEF。

4.2 接入系統之間的切換

接入系統之間的切換是為了滿足用戶在激活狀態下的移動性需求。SAE在移動性方面的需求包括：滿足不同終端的移動性、移動時用戶業務路由的優化,支持IPv4和IPv6的連接性,傳輸過載時的優化。SAE支持的接入系統之間的切換包括：3GPP接入系統之間的切換,即UTRAN/GERAN和SAE/LTE接入系統之間的切換;3GPP接入系統和非3GPP接入系統(例如WLAN 3GPP IP接入)之間的切換。

3GPP接入系統之間的切換解決方案主要分為2類：基于用戶IP層以下的切換和基于用戶IP層的切換。基于用戶IP層以下的切換的方案有2種,二者在實現時采用機制類似,不同在于網絡的部署有所區別。第1種方案中IASA作為移動性支撐點,切換由SGSN、MME/UPE以及IASA共同完成,SGSN和MME/UPE之間采用S3接口實現切換準備和數據的轉發。第2種方案由UPE作為移動支撐點,它和IASA集成在一起,這種方案可能會造成數據的丟失,但是可以通過其他機制減少數據的丟失。基于用戶IP層的切換主要利用移動IP協議或代理移動IP協議來實現,采用移動IP協議的方法,用戶終端需要支持MIP協議;采用代理移動IP協議時,用戶終端無須支持MIP協議,同時可以減少無線接口上的信令過程,節省無線資源。

3GPP接入系統和非3GPP無線接入系統(例如WLAN 3GPP IP接入)之間的切換在用戶IP層上進行,涉及 到 MME/UPE、3GPP Anchor、SAE anchor、ePDG等功能實體,采用的方法包括MIPv4、MIPv6、代理MIP、DS-MIPv6、NetLMM 等,但是每一種方法都無法滿足SAE移動性的全部需求,需要通過增加其他機制來實現。

5 結束語

3GPP的SAE架構在3GPP技術演進中起著重要作用,它是一個全新的移動通信核心網絡架構,SAE在設計上既考慮到未來分組網絡的發展需求,又很好地兼容了目前的各種網絡,網絡結構更加簡單,接入功能更加強大,但是由于SAE技術的復雜性,所以還存在許多需要進一步研究的問題,例如某些實體的功能定位,網絡接口協議的定義,網絡的具體部署、網絡功能的劃分等,同時為了支持SAE功能,現有的接入網絡功能也需要進行相應的升級,這些問題的解決還需要一段時間。

[1]3GPP TR 23.882.3GPP system architectureevolution(SAE)：Report on technical options and conclusions[S],Rel 8.V8.0.0(2008-09).