EPC架构核心网组网方式分析

吕红卫 冯征

（中国移动通信集团设计院有限公司 北京 100080）

1 EPC标准引入背景

与无线技术演进相适应，2004年12月，3GPP在希腊雅典会议启动了面向全IP 的分组域核心网的演进项目SAE( System Architecture Evolution)，并在WI阶段更新为EPC（Envoled Packet Core）。3GPP基于未来移动通信网络向全IP 网络演进、接入方式呈现多样化的态势（UTRAN、GERAN、WiFi、WiMAX等），确定EPC标准的目标是构建一个具有高数据吞吐、低延迟、数据分组化、支持多种无线接入技术的系统架构，以更好地支持实时（包括话音业务）和非实时业务，并保证端到端QoS。3GPP于2009年3月完成R8 Stage3标准制定工作，于2009年12月完成R9 Stage3标准制定工作，与R8版本相比，R9版本主要针对SGSN Gn/Gp支持双栈等功能方面进行改进，目前各厂家即将具备商用条件的产品大多基于R8版本。

随着LTE技术在移动无线网络中的引入，2G/3G分组域将向EPC架构演进，并推动移动网络向全IP网络演进。

2 EPC标准架构

EPC核心网主要由移动性管理设备（MME）、服务网关（S-GW）、分组数据网关（P-GW）及存储用户签约信息的HSS和策略控制单元（PCRF）等组成，其中S-GW和P-GW逻辑上分设，物理上可以合设，也可以分设，系统架构如图1所示。

EPC核心网架构秉承了控制与承载分离的理念，将2G/3G分组域中SGSN的移动性管理、信令控制功能和媒体转发功能分离出来，分别由两个网元来完成，其中MME负责移动性管理、信令处理等功能，S-GW负责媒体流处理及转发等功能，P-GW则仍承担GGSN的职能。HSS的职能与HLR类似，但功能有所增强，新增的PCRF主要负责计费、QoS等策略。EPC架构中各功能实体间的接口协议均采用基于IP的协议，部分接口协议是由2G/3G分组域标准演进而来，部分协议则是新增的，如MME与HSS间S6接口的Diameter协议等。

图1 EPC系统架构示意图

3 EPC网络组网方式分析

EPC核心网采用控制承载相分离架构，核心网内及与无线网间的接口均基于IP承载，理论上所有网元均可经IP承载网直接互通，组成一个扁平网络，但在实际组网时，需结合管理维护、局数据设置、接口带宽配置等因素来考虑其组网方式，本节将基于这些因素，重点讨论EPC核心网与无线网间、EPC核心网及与其它核心网的网络组织方式。此外，考虑各运营商网络在网中引入EPC架构后主要是接入LTE网络，因此本文对其它无线网络接入的组网暂不涉及。

3.1 核心网元设置方式

MME主要负责控制层面信息的处理，为纯信令节点，不需要转发媒体数据，对传输带宽要求较小，在实际组网时宜采用集中设置的方式，一般以省为单位设置。

S-GW主要负责连接eNode B，以及eNode B之间的漫游/切换。P-GW主要负责连接外部数据网，以及用户IP地址管理、内容计费、在PCRF的控制下完成策略控制。从网元功能来看，S-GW、P-GW均负责用户媒体流的疏通，其设置与媒体流的流量和流向相关，应根据业务量及业务类型，选择集中或分散的方式，当业务量较小且不需提供语音类点对点业务时，可采用集中设置的方式，当某些本地网业务量较大或需提供点对点业务时，可将S/P-GW下移至本地网。此外，在业务量较小时，可将S-GW与P-GW综合设置。

HSS负责存储用户数据、鉴权管理等功能，与HLR的功能类似，宜采用以省为单位集中设置的方式。

PCRF主要负责QoS策略等功能，宜采用以省为单位集中设置方式，且应适应IMS核心网的组网模式。

3.2 核心网与无线网间组网方式

LTE无线系统中取消了RNC网元，将其功能分别移至基站eNode B和核心网网元，eNode B将直接与核心网互连，简化了无线系统的结构，但由于EPC采用控制与承载分离的架构，因此在业务处理过程中，eNode B需通过S1接口分别与MME、S-GW互通。

3.2.1 eNode B与MME间的互通

eNode B与MME间采用S1接口主要互通控制信令信息，其间的网络组织有两种方案：

方案一：归属方式，即每个eNode B固定由一个MME为之服务，点对点互连，如图2所示。

图2 eNode B与MME组网方式示意图（归属方式）

该方案需在MME与其覆盖范围内的eNode B间配置归属关系，通过IP承载网直接互连，这些eNode B将用户发起的业务固定送到归属的MME进行处理。eNode B与MME间配置归属关系的方式有静态耦联和动态耦联两种，其中静态耦联是由MME和eNode B相互预设对端耦联地址；动态耦联是由eNode B预先配置MME地址，eNode B主动发起耦联建链，MME保存eNode B地址。

方案二： MME Pool方式，即每个eNode B的业务由一组MME来处理，点对多点互连，如图3所示。

图3 eNode B与MME组网方式示意图（MME Pool方式）

该方案将网络中的多个MME组成Pool，一个eNode B可与MME Pool中的多个MME互连，用户第一次附着在网络时，由eNode B负责为用户选择1个MME，同时MME为用户分配一个标识（GUTI），来标识其归属的Pool及所在MME，正常情况下，用户在MME Pool服务范围漫游内时不再更换为之服务的MME。

方案一中MME与eNode B间网络组织相对简单，对网元的功能要求较低。但该方案安全可靠性较低，当某一MME出现故障时，其覆盖区内eNode B接入的业务均会受到影响；网内设有多个MME时，不能实现资源共享，会出现不同MME的负荷不均衡的情况。

方案二中由一组MME共同处理业务，具备容灾备份能力，网络安全可靠性较高；在3GPP关于EPC标准中定义的MME Pool与MSC/SGSN Pool相比，增加了MME向eNode B反馈其负荷状态的机制，由eNode B根据各MME对应的负荷权重比例进行选择，可使Pool内的MME负荷相对均衡，资源利用率高。但该方案对eNode B及MME的功能要求较高，eNode B需具备为用户选择服务MME的节点选择功能；eNode B与MME间的网络组织相对复杂；在实施容灾备份机制时，对于语音等业务，需考虑与IMS核心网配合解决被叫业务的问题。

从网络可靠性及技术发展角度，建议优选方案二。实际组网时，可将一定区域内（一般以省为单位或省内分区）设置的MME组成Pool，这些MME与Pool内的eNode B通过IP承载网互连，eNode B按预先设定的选择原则来与相应MME互通。

3.2.2 eNode B与S-GW间的互通

eNode B与S-GW间采用S1-U接口，主要传送用户媒体流及用户发生跨eNode B切换时的信息，其间的组网方式也有两种：

方式一：eNode B与某个(或两个)S-GW配置归属关系并经IP承载网互连，其发起的业务由MME直接选择其归属的S-GW来疏通。

方式二：eNode B与所属区域内的多个S-GW均经IP承载网互连，无归属关系，其业务由一组S-GW负荷分担地疏通。

方式一的优点是易于规划eNode B与S-GW间的IP电路及配置接口带宽，局数据设置相对简单，对MME功能要求较低。其缺点是网络可靠性较低，当某一S-GW出现故障时，其服务的所有eNode B接入的业务均将受到影响；不同eNode B覆盖范围内业务量不均衡时，其归属的S-GW的负荷也将出现不均衡的现象，不能有效利用资源；另外，当用户在不同eNode B覆盖范围内进行业务切换时，需切换到其它S-GW为之服务，增加了信令处理需求。

方式二的优点是网络可靠性高，通过DNS和MME的数据配置，可以实现S-GW的冗灾备份；当用户在一组S-GW服务区域内发生跨eNode B业务切换时，仍由原S-GW服务，可相对减少信令交互；一组S-GW采用负荷分担方式工作，可避免服务区域内不同eNode B接入业务量不均衡带来的问题，资源利用率高。其缺点是不易于规划eNode B与S-GW间的IP传输电路，接口带宽配置核算相对较难；对MME的功能要求较高，需要具备负荷分担选择S-GW的功能。

综合上述分析，方式二优势较明显，建议采用。

在实际组网时，当省内S-GW集中设置且数量较少时，可将这些S-GW设置在同一组内，共同为省内的eNode B服务；当S-GW集中设置但数量较多时，可根据省内本地网划分、各地LTE业务量情况，将S-GW分为多个组，每一组分别为所辖区域内的eNode B服务；当S-GW下放到本地网时，则将同一本地网内的S-GW设为群组，只处理所辖本地网内eNode B的业务。

3.3 核心网内组网方式

3.3.1 MME间及MME与S-GW/P-GW间的互通

与2G/TD分组域不同，在LTE用户附着时，EPC网络即为LTE用户建立LTE用户 — eNode B —S-GW — P-GW的默认承载，MME需为LTE用户选择P-GW和S-GW。MME收到用户附着请求或PDN连接请求消息后，MME从该用户在HSS中的签约信息中获取APN， 向DNS获取该APN对应的S-GW和P-GW地址列表， 再根据配置的策略选择最优的S-GW和P-GW组合，为用户建立默认承载。

从上述过程来看，MME选择S/P-GW需根据DNS解析的结果来实现，同样MME间的选择也需通过DNS，因此在实际组网时不需特别规划其间的组网方式，只需在MME、DNS等节点配置相关数据，网元间经IP承载网直接互连。

3.3.2 MME与HSS间互通

EPC核心网中MME与HSS间采用Diameter协议互通，完成用户接入认证、插入用户签约数据、对用户接入PDN进行授权等功能。对于同一本地网内的MME与HSS间可采用静态配置数据方式，直接经IP承载网互连；对于跨本地网及跨省的MME与HSS的网络组织方案有以下3种。

方案一：MME静态配置HSS地址数据；需MME配置外地所有HSS的地址（与LTE IMSI号码段有对应关系）。

方案二：通过DNS寻址；即由DNS根据LTE IMSI号码或其它信息解析出HSS的设备标识(主机名)或IP地址，返回给MME。

方案三：Diameter代理中继方式，即在网中设置Diameter代理中继服务器来转接MME与HSS间的Diameter信令，如图4所示。

对于方案一，MME与HSS间可直接互通信令，信令传送时延较小，服务质量较高，但该方案适合MME与HSS数量较少，网络规模较小的情况。当EPC网络规模比较大、网内MME和HSS较多时，MME需配置大量路由数据，且每当网内新增HSS时，均需MME增加相应的数据，网络维护工作量大，不利于网元的稳定。

对于方案二，由DNS负责解析相应节点的地址并反馈给MME，MME的数据配置相对简单，且MME直接与HSS进行信令消息的交互，但在跨省寻址时，需要经多个DNS进行解析，特别是方式二，需经多级DNS解析地址，信令传送时延较长；当网络规模较大时，对DNS的解析能力要求较高。

对于方案三，Diameter代理中继类似于七号信令网中的STP，转接MME与HSS间的Diameter信令，MME的数据配置也相对简单，HSS、MME拓扑对外隐藏，安全性高；但Diameter信令需经多个节点转接，传送时延将较长，且需考虑Diameter代理中继的设置和组网问题，在网络规模较小时，设置独立的Diameter代理中继服务器不太经济。

图4 Diameter代理中继方式

根据上述3个方案的特点可看出，方案一适用于网络规模小的情况。方案二和方案三均为转接方式，其区别在于，方案三由Diameter中继代理完成信令转接功能，需分析Diameter信令消息中的路由信息，并根据其选路并进行消息转接；而方案二中DNS只根据IMSI或其它信息解析出相关地址信息反馈MME，并不分析Diameter信令消息。相比较而言，方案三是电信网中较为传统的信令转接方案，依托于现有七号信令网成熟的架构和信令转接模式，可保证较好的业务质量；方案二是IP网中常用的寻址方案，当信令消息转接量较大时，DNS的解析能力可能会成为瓶颈。因此宜优选方案三。此外，该方案有利于当网中设置了多个PCRF节点时，不同PCRF节点间Diameter信令消息的转接。

对于Diameter中继代理节点的设置，有3种方式可选择：方式一：全国集中设置；方式二：分大区设置；方式三：以省为单位设置。具体采用哪种方式，需结合EPC网络建设范围和建设规模来选择。为了保证网络安全可靠，Diameter中继代理节点应成对设置。

3.4 与其他网络间组网方式

3.4.1 与2G/3G核心网间互连

从技术发展和网络建设来看，LTE/EPC网络在现网中的布署将是一个渐进的过程，必将有与2G/3G网络并存的阶段，而且在LTE网络建设初期，需通过现有2G/3G网络来弥补其覆盖范围有限的问题，使LTE用户在无LTE覆盖的区域内仍能接入到2G/3G网络继续使用业务，保证业务的连接性，因此要求EPC与2G/3G核心网互连。

EPC与2G/3G分组域间直接通过IP承载网实现互连，若EPC核心网与2G/3G分组域承载在不同的IP承载网时，两网间的互通可通过设置BG的方式来实现。当提供一些特定业务如短信业务时，要求EPC与2G/3G电路域互连，MME与MSC Server间SGs接口可以通过IP承载网实现互连，HSS设备需具备No.7信令接口，通过No.7信令网与短信中心互连。

3.4.2 与IMS核心网及其他外部数据网间互连

EPC核心网需与IMS核心网及其它外部数据网互连，以便为LTE用户提供IMS业务和其它数据业务，P-GW经SGi接口与这些网通过IP承载网实现互连。

4 结束语

EPC核心网虽可由2G/3G分组域演进而来，但因其网络架构发生变化，组网方式与现有分组域有所不同，本文根据EPC技术特点，对其网元设置方式、核心网及与其它网间组网方式进行了分析和探讨，并提出了相应的组网方案，可为运营商布署EPC网络提供参考，但在实际组网中还有一些细节问题有待进一步研究。

[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]中国移动集团设计院有限公司. 现有GPRS向SAE演进方案研究.2009，12