核心网分组域引入EPC架构分析

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技术概述

随着3G技术的大规模应用，如何进一步提升无线网络带宽，支持更高速率的数据业务，成为业界关注的问题。2004年，3GPP多伦多会议提出了LTE无线标准，它定义了一种适应3GPP无线接入系统向高速、低延时和优化数据包传输演进的架构，采用与3G不同的空中接口技术——基于OFDM的空中接口技术，在20 MHz频谱带宽下能够提供下行326 Mbit/s,上行86 Mbit/s的峰值速率。

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）。EPC的目标是制定一个具有高数据率、低延迟、数据分组化、支持多种无线接入技术为特征的具有可移植性的3GPP系统框架结构，且基于未来移动通信网络成为全IP网络，接入方式多样化，不仅有UTRAN/GERAN，还有Wi-Fi、WiMAX等。EPC网络的主要特征包括：

·支持端到端的QoS保证；

·端到端业务分组化；

·支持多接入技术，支持和现有3GPP系统的互通，同时支持非 3GPP网络(如 WLAN、WiMAX)的接入，支持用户在3GPP网络和非3GPP网络之间的漫游和切换；

·增加对实时业务的支持，简化网络架构，简化用户业务连接建立信令流程，降低业务连接的时延，连接建立的时间要求小于200 ms；

·网络层次扁平化，用户面节点尽量压缩，接入网取消RNC，核心网用户面节点在非漫游时合并为一个。

随着LTE技术在移动无线网络中的引入，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核心网架构

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）、存储用户签约信息的HSS、策略控制单元（PCRF）等组成，其中 S-GW 和 P-GW可以合设，也可以分设，EPS网络架构如图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。LTE无线系统中取消了RNC网元，将其功能分别移至基站eNodeB和核心网网元，eNodeB将直接通过S1接口与MME、S-GW互通，简化了无线系统的结构。

3 EPC核心网架构引入方式分析

目前，LTE/EPC技术的产业链尚不成熟，相关标准及产品（包括网络和终端产品）仍处于不断完善的过程中，还不具备规模商用的条件。随着标准组织、运营企业及生产厂家的大力推进，未来几年内LTE/EPC技术的产业链将逐渐成熟，并可在网络中规模应用。鉴于此，运营商引入LTE/EPC技术的时间点不同，则可选择的引入模式也将不同。本节将提出几种可能的引入模式，并对各种模式下核心网的功能需求进行分析。

3.1 模式一：小范围引入，孤岛式组网，进行技术试验

该模式适用于当前阶段，主要由于LTE网络设备和终端推出时间较短，技术成熟度相对低，需要通过试验来验证产品、业务、组网、计费等各环节的成熟度。可选择少量城市进行小范围的现场试验，EPC核心网与LTE无线网自成系统，与现网不互联。该模式下的组网架构如图2所示。

由于支持语音业务的LTE手机终端推出进程慢于数据卡类终端，因此该模式只为试验用户提供数据业务，且只能在本地LTE试验网内漫游，不提供至2G/3G网络的漫游和切换。模式一对EPC核心网的主要功能如下：

·核心网元需具备3GPP R8版本规定的相关功能；

·HSS需具备基于IP的S6a接口，不需具备与SGSN的Gr接口。

3.2 模式二：全网引入并独立组网，不与现有2G/3G网络互联，只提供数据业务

该模式适用于LTE及EPC网络设备较成熟的阶段，具备全网部署的条件，并可联网实现LTE用户在网内的漫游，由于LTE手机终端成熟较晚，且VoIP业务的支持程度较弱，因此只为用户提供数据业务。考虑到该阶段LTE网络仍需进行相关试验，以验证大范围组网的各种特性，为避免对现网的改造和影响，LTE网络单独组网，不与现网互联，不提供LTE漫游至2G/3G网络的业务。组网架构如图3所示。

模式二要求EPC网络除需具备模式一中的功能外，还要求不同省SAE-GW间通过S5接口进行通信，全网MME与HSS间需全互联，需确定Diameter IP信令网组网方式等。

3.3 模式三：全网引入，与现有2G/3G网络混合组网，只提供数据业务

该模式适用于LTE及EPC网络设备已成熟的阶段，具备商用条件，可与现网互联、互操作，实现LTE用户在LTE网及现有2G/3G网中均可使用业务。该模式要求LTE用户使用LTE/2G/3G多模终端，由于手机终端的成熟时间相对网络设备较晚，因此该模式可只提供数据业务。组网架构如图4所示。

为LTE用户提供漫游至现有2G/3G网络的服务，要求现有网络配合，从对现网改造的工作量来看，可分为两种情况：一种为只实现网间漫游业务；另一种，可实现网间漫游、切换业务。前一种情况要求EPC核心网元除需具备模式二的功能外，HSS还需具备Gr接口，与现网SGSN互通，现网配合改造工作量很小，但当用户在两网边界使用业务时，业务将出现中断。后一种情况要求EPC网元与现网SGSN间进行切换操作，需要EPC网络MME增加支持分组切换 （packet handover）相关功能，P-GW支持GGSN功能，并要求现网网元进行升级改造，当用户在两网边界使用业务时，业务可保持连续。

实现EPC网元与现网的切换要求ECP核心网元与2G/3G SGSN、GGSN之间采用相关的接口协议互通，接口协议的选择可有以下两种方案。

（1）方案一

采用Gn接口，即2G/3G SGSN通过Gn接口与EPC网中的MME和P-GW互通，通过Gr接口与HSS进行互通。

对于LTE至2G/3G网的切换，2G/3G网SGSN与EPC网MME通过Gn接口互通，并根据RAU/TAU消息中的信息，仍选择切换前为该用户服务的EPC网P-GW作为GGSN建立PDP承载。

对于2G/3G至LTE网的切换，LTE用户漫游到2G/3G无线网并发起业务请求时，通常情况下，2G/3G SGSN应能判断用户为LTE用户，选择EPC网P-GW作为GGSN建立PDP承载，当发生至LTE网的切换时，EPC网MME与2G/3G SGSN通过Gn接口互通，并选择相应S-GW和原来为用户服务的P-GW，建立PDP承载。2G/3G SGSN判断LTE用户的具体方式有以下4种：

·方式一，LTE业务使用特殊APN；

·方式二，终端上报MS network capability中包含EPC capability（EPC not supported （0）/EPC supported （1）），核心网可以据此进行判断；

·方式三，终端上报 Radio Access Capability IE，其中包含E-UTRA TDD support/E-UTRA FDD support字段，核心网可以据此进行判断；

·方式四，LTE USIM的AMF=1，LTE的用户需要使用新的USIM卡，因此存在通过合理规划IMSI号段来区分LTE用户的可能，进而可以通过使用IMSI号段来进行GW选择。

经综合比较，建议采用方式二。

（2）方案二

采用S3/S4接口，即2G/3G SGSN通过S3接口与EPC网中的MME互通，通过S4接口与S-GW互通，通过Gr接口与HSS互通。

对于LTE至2G/3G网的切换，2G/3G网SGSN与EPC网MME交互，并根据互通信息，选择切换前为该用户服务的S-GW，建立PDP承载。

对于2G/3G至LTE网的切换，与方案一类似，只是切换前2G/3G SGSN判断用户为LTE用户后选择EPC网相应的S-GW，并经S-GW建立PDP承载，当发生至LTE网的切换时，EPC网MME与2G/3G SGSN通过S3接口互通，并选择原来为用户服务的S-GW，建立PDP承载。

（3）方案比较

从接口协议角度看，Gn接口基于GTPv1，S4接口基于GTPv2，GTPv2相对于GTPv1，增加了扩展性、适应性和错误处理能力，方案二较方案一更优。

从用户体验角度看，方案一能够支持ISR(idle mode signaling reduction)功能，解决在LTE覆盖比较差的情况减少用户在Idle状态下移动带来的信令开销，提升用户体验，但在LTE覆盖比较好的情况下对用户体验提升影响不大；方案二能够支持R8 DT功能，解决3G数据业务流量大时节约SGSN用户面容量的问题，但对用户体验提升影响不大。总体来看，这两种方案在用户体验方面没有明显的差异。

从对现网影响角度看，方案一对现有SGSN没有新增功能要求，对现网影响较小，方案二要求现有SGSN升级支持S3/S4接口，对现网的改造工作量较大。

综合比较，在EPC网络采用新建方式时，与现网的互通建议采用方式一，即Gn接口互通的方式。当现网SGSN进行与MME融合功能改造时，再考虑使用S4接口方式。

3.4 模式四：全网引入，与现有2G/3G网络混合组网，提供语音和数据业务

该模式适用LTE/EPC网络和终端产品均已成熟的阶段，可在全网范围内规模应用，并为用户提供语音和数据业务。LTE用户使用LTE/2G/3G多模终端（包括手机终端和数据卡终端）可在LTE网及2G/3G网内漫游，并具备切换功能。模式四的组网结构与模式三相同，如图4所示。

模式四需解决LTE网络与2G/3G网络并存期，LTE用户语音业务在两网间连续性的问题，从目前的相关规范来看，有两种解决方式。

（1）方式一：回落电路域（cs fallback）方式

该方式中，LTE用户的数据业务由LTE/EPC疏通，语音业务由2G/3G电路域疏通，语音业务不支持在LTE与2G/3G无线网之间的切换。LTE终端同时附着在LTE网和2G/3G电路域，当终端发起数据业务，由EPC网络处理；当终端同时发起语音业务时，回落到2G/3G网络，由CS域处理，并将数据业务转移到2G/3G分组域。此种方式对于LTE用户而言，语音业务是由电路域来实现的，要求LTE终端同时附着在两个网上，与2G/3G用户的语音业务实现方式相同。

表1 4种模式的比较

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

该方式中，LTE用户的语音业务和数据业务均由LTE/EPC网络疏通，当LTE用户在使用语音业务的过程中在LTE网和2G/3G网络间漫游时，需要EPC核心网与2G/3G电路域互通，采用SRVCC方式实现语音业务在LTE与2G/3G无线网间的切换。

方式一对终端功能要求较高，需要同时附着在两张网，要求电路域MSC Server与MME间新增SGs接口（扩展的Gs接口），HSS与MSC SERVER之间增开MAP接口；方式二不要求终端同时附着在两网，但在MME和电路域MSC Server以及SGSN和MSC之间增开Sv接口以支持SRVCC功能。这两种方式各有利弊，且各厂家支持情况不太一样，具体选择何种方式需要在网络部署时，根据业务开放及产品支持程度来选择。

3.5 4种模式的比较

运营商选择EPC技术的引入模式与部署时间、业务提供方式、网络及终端设备的成熟度等密切相关，需要综合考虑各种因素，表1是对以上4种模式的比较。

4 现有分组域核心网向EPC演进的建议

从EPC核心网的架构可知，EPC核心网元可由2G/3G分组域网元升级而来，SGSN可以升级为MME，GGSN可升级为SAE-GW。通过对厂家现有2G/3G分组域设备的调研，大多数设备可升级支持EPC功能，因此现有2G/3G分组域向EPC架构的演进，需根据LTE的建设进度及业务需求，并结合现网设备的升级支持程度来选择演进步骤和进程。总体来讲，逐步从EPC独立组网到与2G/3G分组域融合组网是演进的总原则，可采取以下步骤。

·步骤一：在未引入LTE技术前，现网2G/3G分组域扩容工程（包括新建设备和扩容设备）中选择能够支持向SAE演进的硬件平台设备。

·步骤二：在LTE引入初期，小范围进行LTE数据业务试验，采用新建EPC网元的方式，现网分组域不需要升级，只需配置相关路由数据。

·步骤三：试商用阶段，大范围进行LTE数据业务试验，结合现网设备实际情况和LTE业务特性及需求，优选融合方式，即升级改造现网分组域设备，选择具备条件的SGSN、GGSN设备进行改造，接入LTE无线网。若为LTE数据卡用户提供至2G/3G的漫游业务，除升级为EPC网元的设备外，现网其他GPRS网设备不需改造。若为LTE数据卡用户提供至2G/3G的切换和漫游业务，则现网GPRS设备均需升级支持与EPC网元的互操作，建议采用Gn接口互通方式。

·步骤四：规模商用阶段，将在全网范围内为LTE用户提供语音、数据业务。EPC网络的建设采用与现网全面融合的方式，选择具备条件的SGSN、GGSN进行升级，接入LTE无线网，建议采用S3/S4接口互通方式，实现与现网网元的互操作。

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）