演进的3GPP系统架构分析

方 强

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

从2004年开始,3GPP工作组开始了对3G技术的演进工作,演进的目的主要为了保持3GPP技术在移动通信领域中的领先地位,解决3G技术中存在的问题和不足,适应当前日益增长的分组业务的发展。在无线接入方面的演进称为LTE(Long Term Evolution),主要包括无线接入技术以及无线接入网络的演进,为了配合无线接入方面的演进,3GPP同时对核心网络进行了演进称为SAE。SAE是一种新的网络架构,特点是可以提高网络覆盖能力,降低成本,融合其他异构网络,支持各种网络的接入等。

1 系统架构和功能

3GPP在 R7版本中给出了SAE的网络架构,SAE支持 3GPP系统以及非 3GPP系统接入,其中3GPP系统包括传统的2G/3G接入系统和LTE接入系统,非3GPP系统包括WLAN、WiMax等接入系统,SAE是一个全分组扁平网络结构,能够实现接入系统之间用户移动性管理以及接入网络之间无缝操作,提供和业务网络的接口,减少包丢失和中断时间,同时支持移动IP。

SAE包括2个核心网络,一个是通用分组无线业务(GPRS)核心网络,另一个是演进的分组核心网络(Evolved Packet Core,EPC)。GPRS核心网络是由传统GPRS网络演进而来,用于支持2G/3G无线接入网络服务,包括GPRS无线接入网GERAN和通用移动通信系统(UMTS)接入网UTRAN。EPC作为主要的核心网络,可以为3GPP接入网络、LET接入网络E-UTRAN以及非3GPP的IP接入网络提供接入服务。EPC通过相应接口和内部数据网络(例如IMS)以及外部数据网络(例如互连网)相连。图1给出了无漫游情况下的系统架构。

EPC的功能主要包括IP接入业务使能,分组路由与转发,和PDN互通网关,策略控制的执行,计费信息收集,E-UTRAN接入支持,3GPP接入系统内部移动性支持,3GPP接入和非3GPP接入之间的移动性支持,寻呼的发起,IP包压缩,用户面加密终止,SAE承载管理,合法监听用户面业务和信令面业务,信令的加密和完整性检查,用户临时标识的管理和存储,认证和授权等。

图1 无漫游SAE系统架构

EPC包括移动性管理实体(Mobility Management Entity,MME)、用户面实体(User Plane Entity,UPE)、接入系统间支撑(Inter AccessSystem Anchor,IASA)以及演进分组数据网关(Evolved Packet Data Gateway,ePDG)等。MME/UPE是E-UTRAN在EPC中的接入点,实现移动终端UE控制面和用户面在网络侧的终结。IASA用于3GPP接入系统以及非3GPP系统的接入,它包括2部分,一个是3GPP Anchor,一个是SAE Anchor,其中3GPP Anchor为3GPP系统提供网关服务,SAEAnchor为非3GPP系统以及WLAN提供接入和网关服务。IASA通过SGi接口和提供服务的分组网络、IMS网络以及互联网互通,实现IP业务或其他分组业务,ePDG是WLAN接入EPC的接入网关,实现WLAN接入EPC功能。

在SAE架构中用户属性服务器(Home Subscriber Server,HSS)和策略控制和计费规则实体(Policy Control and Charging Rules Function,PCRF)独立于EPC之外,其中HSS完成对用户的认证、鉴权以及移动性管理功能,PCRF用于实现策略和计费控制决策,包括QoS和计费的决策功能,策略和计费执行实体(Policy and Charging Enforcement Function,PCEF)没有在图中给出,它和PCRF共同实现QoS和计费控制,其中PCEF是执行者,一般位于网关或业务的接入点中,如MME/UPE、IASA或ePDG。

2 功能实体

2.1 移动性管理实体

移动性管理实体MME是用户在网络侧的终止点,主要完成LET接入网络的接入功能,实现控制面的功能,包括处理非接入层(Non-Access Stratum,NAS)信令,进行NAS信令的加密和完整性保护,终结用户信令,选择分组网关、服务网关SGSN,完成鉴权、加密功能,管理承载连接控制,合法监听信令业务,管理和分配临时用户标识等。

2.2 用户面实体

用户面实体UPE是LET接入网用户面在网络侧的终止点,主要实现用户面的业务功能,具体包括为用户分配业务IP地址,产生呼叫详细记录,并且发送给计费系统,实现用户面业务加密,IP头压缩,合法监听用户面业务,触发或发起寻呼等。

2.3 3GPP Anchor

3GPP Anchor功能实体用于支持用户面在3GPP的2G/3G接入系统和LTE接入系统之间的移动性,实现3GPP系统和外部数据网络的互通功能。3GPP Anchor和GPRS核心网络中的SGSN之间一般采用GTP协议,类似于GPRS网络中的GGSN。

2.4 SAE Anchor

SAE Anchor支持用户面在3GPP IP接入系统和非3GPP接入系统之间的移动性,处理UPE/3GPP Anchor的重定位,实现分组路由和转发、PDN网关、策略和计费执行功能,合法监听等功能。

2.5 演进分组数据网关

ePDG是WLAN 3GPP IP网络接入EPC时的网关,实现分组业务路由、隧道鉴权认证、业务封装和解封装、IP地址分配、QoS策略执行以及合法监听等功能。

2.6 策略控制和计费规则实体

策略控制和计费规则实体PCRF是一个独立于EPC的功能实体,主要实现策略控制决策以及计费控制功能。PCRF提供有关业务数据流检测、门控、QoS保障以及基于流计费的网络控制,决定PCEF如何处理业务流,同时授权QoS资源。PRCF也检查由AF提供的业务信息是否和用户的签约信息一致性。

2.7 策略和计费执行实体

策略和计费执行功能PCEF是一个逻辑功能实体,一般集成在接入网关和互通网关中(例如GGSN或IASA中),通常不单独部署,PCEF是策略和计费控制的执行者,具体功能包括业务流检测、用户面业务处理、触发控制面会话管理、QoS处理、业务流的测量以及和计费系统的交互等。

3 接口

SAE网络架构中增加了新的功能实体,同时定义许多新的接口,部分接口是在3G网络接口上演进而来。

S1是E-UTRAN和EPC之间的接口,实现用户面和控制面业务传输。由于E-UTRAN中没有了RNC,所以无线接入侧控制终止于eNodeB(Evolved NodeB),核心网络侧终止于EPC中的MME/UPE。S1包括2部分：控制面接口S1-C和用户面接口S1-U。其中S1-C和MME相连,实现对控制面的管理,S1-U和UPE相连实现对用户面的管理。

S2a是非3GPP IP接入系统和EPC之间的接口,在EPC中终止于IASA中SAE Anchor。S2b是ePDG和SAE Anchor之间的接口,目的为了实现WLAN 3GPP IP网络通过ePDG接入到核心网络。

S3接口用于GPRS核心网络和EPC之间交换用户和承载信息,具体是SGSN和MMU/UPE之间的接口,类似与GPRS中的SGSN和SGSN之间的接口Gn,接口协议一般基于GTP协议,主要实现用户在传统3GPP网络和演进的3GPP网络之间的移动性。

S4存在于GPRS核心网络和3GPP Anchor之间为用户面提供相关的控制以及移动性支持,类似于GPRS系统中SGSN和GGSN之间的Gn接口,传统的3GPP接入系统通过S4接口访问外部分组数据网络。

S5a为EPC系统内部接口,为MME/UPE和3GPP Anchor实体之间的用户面和控制面提供相关的控制以及移动性支持。S5b为EPC系统内部接口,为3GPP Anchor和SAE Anchor实体之间的用户面和控制面提供相关的控制以及移动性支持。S5a和S5b是否定义成公开接口还需进一步研究,它的存在可能和网络的部署有关,如果某些实体合并,这些接口可能就成为内部接口。

S6是EPC和HSS之间的接口,它由传统的Gr接口(SGSN和HLR之间的接口)演进而来,用于用户的认证、鉴权、移动性管理等,接口上传输用户的签名、鉴权数据以及位置信息。

S7是PCRF和EPC之间接口,传输QoS策略以及计费规则,其中PCRF中保存有这些策略和规则,在业务过程中通过该接口下载到EPC系统中的策略和计费执行点PCEF,实现QoS保障以及计费信息的收集。

SGi是EPC和外部分组数据网络之间的接口,分组数据网络既可以是公共分组数据网也可以是私有分组数据网络,当然也可以是一个内部数据网络如IMS服务。SGi接口类似于Gi接口(GPRS和外部数据网络之间的接口)或Wi接口(WLAN和PDN之间的接口)。

4 关键技术

4.1 策略和计费控制

策略和计费控制(Policy and Charging Control,PCC)是SAE架构中的一个关键技术,用于实现策略控制和计费控制。策略控制包括门控和QoS控制,计费控制主要是根据签约信息在PCC规则中标识业务流以及指定计费控制参数。PCC的实现需要SAE中多个实体协同完成,这些实体包括PRCF、PCEF、签约信息库(Subscription Profile Repository,SPR)以及应用(Application Function,AF)等。SAE通过PCC规则实现策略和计费控制,动态PCC规则由PRCF实体生成,所需信息来源于PCEF、SPR以及AF,其中PCEF提供的信息包括：用户标识、UE的IP地址、IP-CAN承载属性,IP-CAN的类型 (例如GPRS、I-WLAN)、户的位置信息 、PDN 标识 、PLMN 标识、IP-CAN承载建立模式。SPR提供的信息包括：用户允许的业务、业务优先级、基本带宽QoS、计费相关信息、用户类别。应用AF提供的信息包括：用户标识、UE的IP地址、媒体类型以及格式、带宽、数据流描述(例如源和目的地址)。

PCRF生成PCC规则后发送给PCEF,PCEF根据PPC规则进行策略控制和计费控制。策略控制通过2种方法：一种是门控,它允许遵守策略控制规则的业务流通过PCEF;另一种是QoS控制,PCEF根据PCC规则执行授权的QoS。对于计费控制,PCEF通过检查业务流是否符合PCC规则中的计费控制规则确定是否允许业务流通过PCEF。

4.2 接入系统之间的切换

接入系统之间的切换是为了满足用户在激活状态下的移动性需求。SAE在移动性方面的需求包括：满足不同终端的移动性、移动时用户业务路由的优化,支持IPv4和IPv6的连接性,传输过载时的优化。SAE支持的接入系统之间的切换包括：3GPP接入系统之间的切换,即UTRAN/GERAN和SAE/LTE接入系统之间的切换;3GPP接入系统和非3GPP接入系统(例如WLAN 3GPP IP接入)之间的切换。

3GPP接入系统之间的切换解决方案主要分为2类：基于用户IP层以下的切换和基于用户IP层的切换。基于用户IP层以下的切换的方案有2种,二者在实现时采用机制类似,不同在于网络的部署有所区别。第1种方案中IASA作为移动性支撑点,切换由SGSN、MME/UPE以及IASA共同完成,SGSN和MME/UPE之间采用S3接口实现切换准备和数据的转发。第2种方案由UPE作为移动支撑点,它和IASA集成在一起,这种方案可能会造成数据的丢失,但是可以通过其他机制减少数据的丢失。基于用户IP层的切换主要利用移动IP协议或代理移动IP协议来实现,采用移动IP协议的方法,用户终端需要支持MIP协议;采用代理移动IP协议时,用户终端无须支持MIP协议,同时可以减少无线接口上的信令过程,节省无线资源。

3GPP接入系统和非3GPP无线接入系统(例如WLAN 3GPP IP接入)之间的切换在用户IP层上进行,涉及 到 MME/UPE、3GPP Anchor、SAE anchor、ePDG等功能实体,采用的方法包括MIPv4、MIPv6、代理MIP、DS-MIPv6、NetLMM 等,但是每一种方法都无法满足SAE移动性的全部需求,需要通过增加其他机制来实现。

5 结束语

3GPP的SAE架构在3GPP技术演进中起着重要作用,它是一个全新的移动通信核心网络架构,SAE在设计上既考虑到未来分组网络的发展需求,又很好地兼容了目前的各种网络,网络结构更加简单,接入功能更加强大,但是由于SAE技术的复杂性,所以还存在许多需要进一步研究的问题,例如某些实体的功能定位,网络接口协议的定义,网络的具体部署、网络功能的划分等,同时为了支持SAE功能,现有的接入网络功能也需要进行相应的升级,这些问题的解决还需要一段时间。

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