關于EPC核心網中SAE架構的解析

曹樹玲

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關于EPC核心網中SAE架構的解析

曹樹玲

公誠管理咨詢有限公司，廣東 惠州 516003

通信技術的發展日新月異，移動通信的更新換代速度也在逐步加快。各運營商移動網絡已向LTE演進，與之相適應的核心網分組域也向SAE架構演進。通過介紹SAE的組網特點，提出了需要關注的技術重點。

融合；系統架構演進；IP地址池；扁平架構

引言

隨著移動業務的快速發展，移動用戶數量不斷增長，而用戶要求也越來越高。只有能支持豐富業務種類的網絡，才能提升用戶滿意度，才能增加業務收入。通信網絡中處于核心骨干位置的核心網已經進入了SAE系統架構演進時代，核心網網元變得更加智能、集成、IP化。

1 SAE架構組網介紹

1.1 SAE中主要網元及接口功能

目前，EPC中主設備由MME、SGW、CG、PCRF等網元組成。其中，PCRF是新增網元，是移動核心分組域核心網向EPC演進的重點變化之一，實現控制和承載分離的重要標志和網絡部件。MME（Mobility Managemnet Entity）負責信令處理部分，功能為移動性管理、安全控制（鑒權認證）、空閑狀態的移動性控制、切換到2G或3G接入網時的SGSN選擇，是SAE的控制核心。S-GW（Serving Gateway）是原3G核心網PS域的演進版本，即在新的EPC網絡中，控制面功能和媒體面功能分離更加徹底，功能類似Gn GGSN。PDN Gateway（P-GW）是SAE網絡的邊界網關，提供承載控制、計費、地址分配和非3GPP接入等功能，相當于傳統GGSN。PCRF（Policy and Charging Rules Function）是服務數據流和IP承載資源的策略與計費控制策略決策點，它為PCEF（策略與計費執行功能）選擇及提供可用的策略和計費控制決策?？梢詫τ脩艉蜆I務態Q0S服務質量進行控制，為用戶提供差異化服務。并且能為用戶提供業務流承載資源保障以及流計費策略，讓運營商實現基于業務和用戶分類的更精細化業務控制和計費方式，更加合理地使用網絡資源，將利益最大化。為PS域開展多媒體實時業務提供了可靠的保障。PCRF包含策略控制決策和基于流的計費控制功能。PCRF接收來自PCC架構中的其他設備的輸入，結合自身的自定義信息作出PCC決策。引入PCRF后，在網絡中就可實施QoS保障技術，這樣運營商也就可以在網絡中提供用戶差分服務和業務的差異化服務。這樣，利用PCRF節點的控制功能，可以為運營商帶來如下好處：（1）運營商可以通過GGSN與PCRF的互控對可實現對用戶每個業務的帶寬進行限制。這樣可以防止網絡中的資源濫用。其中一個典型情形是特定應用可能會消耗大量的可用網絡資源。針對同一用戶在網絡中使用不同應用，運營商能夠基于PCRF對每個IP流或每個應用限制用戶話務[1]。（2）運營商可以通過PS數據域的QoS保障機制對用戶和業務進行精細的差分化管理和控制。這對開展PS數據業務具有重要的影響。（3）運營商可以通過對不同的用戶等級（如預付費用戶）進行用戶服務區分，進而為用戶提供差異化服務。例如，當用戶的業務使用流量達到一定的門限時，進行降低QoS 服務質量等控制。（4）運營商對于少量用戶進行QoS 控制，從而為大多數用戶保障網絡的資源，提高網絡的服務品質。更加合理地管理網絡資源就可以提高用戶業務感受度，更加優化網絡的資源利用。

S1接口是LTE eNodeB（基站）與 EPC（分組核心網）之間的通訊接口。包括控制面接口S1-MME和用戶接口S-U。

S2接口是非3GPP網絡與PDN Gateway之間的接口，基于IETF協議。當用戶在3GPP網絡和非3GPP網絡間漫游時使用該接口。

S3接口是MME與原有3GPP網絡SGSN之間的接口，類似于原SGSN之間的GN接口。S5接口是S-GW和P-GW間接口，包括控制面和用戶面。S10接口是MME之間的接口。

S11接口是控制面網元MME和用戶面網元S-GW間的信令接口，基于GTPv2SGi接口是SGI接口類似于GI接口，是外部分組數據網的接口，是終端IP地址在外部數據網絡的呈現點。所有3GPP范疇的終端移動性能終結都在SGI接口前處理。

1.2 SAE組網介紹

SAE所定義的核心網絡在GSM/GPRS核心網的基礎上進行了激進式演進，SAE的基本原則是在分組交換域集中，從電路交換域脫離。因此它獲得新的名字——EPC（Envoled Packet Core）增強型分組核心網。EPC網絡的全IP承載，控制面與用戶面分離的扁平架構并支持各種網絡共接入的特點（見圖1）滿足了如上要求[2]。

圖 1

全IP承載是目前發展的趨勢，因此EPC從標準制定之處即確定以全IP承載，不僅包括無線側eNodeB與EPC間的S1接口，也包括EPC內部MME與HSS之間的借口采用IP承載的diameter協議。

EPC網絡實現了核心網的融合，支持各種3GPP接入方式和non-3GPP網絡的共接入，并支持多模終端用戶的無縫移動性。LTE的引入和移動運營商全業務運營的發展趨勢，使得單個運營商開始面對運營多種制式網絡。支持多種網絡同時接入EPC網絡，實現核心網的融合，使得網絡結構更加簡單，降低了網絡運營成本。同時EPC網絡支持各種接入方式之間的無縫移動性，提高LTE用戶在LTE部署初期局部覆蓋時的使用感受。

當3GPP發展到R8版本時，確定了SAE的最終架構。對比傳統3GPP 3G網絡，這種架構具有以下優勢：

（1）控制和承載分離，組網靈活性強。在SAE架構中，控制平面和用戶平面是完全分離的，由MME負責控制平面的處理。在這種架構下，運營商可以更加靈活地根據用戶和業務量的情況，來選擇擴展控制平面還是擴容用戶平面，從而提高網絡資源的利用率，降低成本。而用戶平面設備可以通過適當的合并和歸一化來減少網絡層次，提升網絡性能。通過將用戶平面設備下移至網絡邊緣，節省回程傳輸資源，降低運維成本。

（2）網絡結構扁平化，減少了網絡層次。在原來的3GPP網絡中，數據傳輸需要經過基站、基站控制器、SGSN、GGSN才能到達業務網絡，而在SAE架構中，去掉了基站控制器節點，將其功能分配到核心網和基站上處理。數據傳輸從原來經過四個節點降到了只經過2個節點。這種架構不但避免了對中間節點的投資，而且檢查了數據傳輸的路徑，降低了傳輸時延，為吞吐能力的提升奠定了基礎。

（3）所有接口基于IP。在SAE架構中，所有的接口均支持基于IP協議、業務和語言，基于IP的數據連接為運營商降低了成本。SAE支持不同的IP版本，便于不同層次的網絡共享，并支持沒有IP連接的終端的IP地址配置。SAE的全IP組網，充分利用了IP網高吞吐量、低成本的優勢，能夠降低運營商的成本，而IP網絡天然的開放性和共享性，便于運營商開展更多業務、提高網絡效率，也有利于網絡擴容。

（4）支持多種網絡計入。SAE的體系結構是一個支持多種網絡（GSM、WCDNA/HSPA、LTE）的通用分組核心網。對于GSM、WCDMA/HSPA系統，則通過SGSN和演進后的核心網之間的標準接口集成到演進后的系統中。SAE從架構上融合了不同制式的無線接口，考慮到了不同無線網絡的平滑演進，有利于保護運營商現有的投資。

1.3 基于SAE架構的IP POOL組網介紹

在EPS架構中，POOL技術應用到MME域，稱為MME Pool。MME Pool指由一個或者多個MME組成的區域，是完整的TA區集合，MME Pool內每個eNodeB與MME全互聯；不同MME Pool之間可相互疊加，重疊區域中的eNB可以同時與兩個MME池中的某些MME建立S1連接。UE在MME Pool內的TA區域移動可不用更換服務MME。

MME Pool關鍵技術原理是在SAE中，繼承并沿用關于MIP的這個概念，定義了MME池/SAE-GW池/SAE-GW池的概念。MME Pool最終目的是滿足系統負荷分擔，通過定義池區域（POOL AREA），使在其區域內漫游的終端，不需要改變其提供服務的核心網節點，從而減少系統信令負荷。一方面，用戶進入MME Pool區域，eNB根據權重信息為UE選擇接入的MME，均衡POOL內MME的負載，最終使POOL內的MME均衡的接入UE，達到系統內的平衡；另一方面，通過網管觸發或相關策略遷移部分或者全部UE遷移到MME Pool內其他MME，有序卸載，最終達到負載重分配，同時，當MME出現過載后，通過信令觸發ENB進行過載控制策略，減少轉發給過載的MME消息數量。通過MME Pool功能可實現靈活的負載重分配方式：滿足運營策略及設備運維各場景下的負載遷移，動態調整負載，達到卸載有序并不影響網絡。MME Pool中所有MME由統一網管進行管理，通過集中配置、集中故障管理、集中呈現達到簡化管理。MME Pool繼承了UMTS中的SGSN Pool優勢，通過對池域資源的管理，減少系統信令負荷，提升網絡效率及可靠性。

2 SAE演進過程

2.1 LTE試點階段

運營商選擇小范圍區域部署獨立的SAE網絡?？梢员苊鈱ΜF網的業務造成影響，并且可以進行核心網側各種業務及功能的測試驗證，積累相關經驗。

2.2 LTE與現網融合部署階段

隨著LTE的技術成熟，對數據流較高的地區進行現網網元改造。演進步驟可以優先實現用戶面網元的融合，再按需實現控制碼面網元的融合。

2.3 數據業務主導階段

可以將控制面集中設置，用戶面結合VoLTE需求和數據業務本地需求分布部署。將網關下移，進一步接近用戶，減少了數據傳輸的路徑，降低了傳輸時延，也節約了網絡的投資。

3 結束語

SAE架構在目前通訊技術的發展中占有相當重要的地位。它支持各種類型的接入，支持各種數據業務資源管控；通過建設SAE架構網絡，改造現有網絡，實現多種制式網絡的融合。目前2/3/4G融合組網已在廣東順利完成了三期工程的建設，隨著技術的進度，在SAE架構的基礎上，融合其他接入技術，最終實現全面融合的目標。

[1]鄧達豪.下一代核心網的工程技術風險評估參數優化研究[J].電信工程技術與標準化，2015（4）：46-49.

[2]呂紅衛，馮征.核心網分組域引入EPC架構分析[J].電信科學，2012（10）：85.

Analysis of SAE Architecture in EPC Core Network

Cao Shuling

Public Management Consulting Co., Ltd，Guangdong Huizhou 516003

As the rapid development of communication technology， the replacement rate of mobile communication is gradually accelerating. The mobile network of each communication operator trending to LTE evolution，which adapts the EPC（Evolved Packet Core）evolute to SAE（System Architecture Evolution）. This article introduces the networking features of the SAE，and point out the techniques which need to concern.

fusion；SAE（System Architecture Evolution）；IP pool；flat architecture

TN929.5

A

1009-6434（2017）01-0117-03