论文部分内容阅读
【摘要】通信技术的发展日新月异，移动通信的更新换代速度也在逐步加快。各运营商移动网络已向LTE演进，与之相适应的核心网分组域也向SAE架构演进。通过介绍SAE的组网特点，提出了需要关注的技术重点。
【关键词】融合；系统架构演进；IP地址池；扁平架构
Analysis of SAE Architecture in EPC Core Network
Ma Yun-fei
（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）
【Abstract】The rapid development of communication technology， mobile communication replacement speed is gradually accelerating. The operator's mobile network has evolved to LTE， and the corresponding core network packet domain has evolved to the SAE architecture. Through the introduction of SAE network characteristics， put forward the need to focus on the technical focus.
【Key words】Integration；System architecture evolution；IP address pool；Flat architecture
1. 前言
隨着移动业务的快速发展，移动用户数量不断增长，而用户要求也越来越高。只有能支持丰富业务种类的网络，才能提升用户满意度，才能增加业务收入。通信网络中处于核心骨干位置的核心网已经进入了SAE系统架构演进时代，核心网网元变得更加智能、集成、IP化。
2. SAE架构组网介绍
2.1SAE中主要网元及接口功能。
目前，EPC中主设备由MME、SGW、CG、PCRF等网元组成。其中，PCRF是新增网元，是移动核心分组域核心网向EPC演进的重点变化之一，实现控制和承载分离的重要标志和网络部件。MME（Mobility Managemnet Entity）负责信令处理部分，功能为移动性管理、安全控制（鉴权认证）、空闲状态的移动性控制、切换到2G或3G接入网时的SGSN选择，是SAE的控制核心。S-GW（Serving Gateway）是原3G核心网PS域的演进版本，即在新的EPC网络中，控制面功能和媒体面功能分离更加彻底，功能类似Gn GGSN。PDN Gateway（P-GW）是SAE网络的边界网关，提供承载控制、计费、地址分配和非3GPP接入等功能，相当于传统GGSN。PCRF（Policy and Charging Rules Function）是服务数据流和IP承载资源的策略与计费控制策略决策点，它为PCEF（策略与计费执行功能）选择及提供可用的策略和计费控制决策。可以对用户和业务态Q0S服务质量进行控制，为用户提供差异化服务。并且能为用户提供业务流承载资源保障以及流计费策略，让运营商实现基于业务和用户分类的更精细化业务控制和计费方式，更加合理地使用网络资源，将利益最大化。为PS域开展多媒体实时业务提供了可靠的保障。PCRF包含策略控制决策和基于流的计费控制功能。PCRF接收来自PCC架构中的其他设备的输入，结合自身的自定义信息作出PCC决策。引入PCRF后，在网络中就可实施QoS保障技术，这样运营商也就可以在网络中提供用户差分服务和业务的差异化服务。这样，利用PCRF节点的控制功能，可以为运营商带来如下好处：
2.1.1运营商可以通过GGSN与PCRF的互控对可实现对用户每个业务的带宽进行限制。这样可以防止网络中的资源滥用。其中一个典型情形是特定应用可能会消耗大量的可用网络资源。针对同一用户在网络中使用不同应用，运营商能够基于PCRF对每个IP流或每个应用限制用户话务[1]。
2.1.2运营商可以通过PS数据域的QoS保障机制对用户和业务进行精细的差分化管理和控制。这对开展PS数据业务具有重要的影响。
2.1.3运营商可以通过对不同的用户等级（如预付费用户）进行用户服务区分，进而为用户提供差异化服务。例如，当用户的业务使用流量达到一定的门限时，进行降低QoS服务质量等控制。
2.1.4运营商对于少量用户进行QoS控制，从而为大多数用户保障网络的资源，提高网络的服务品质。更加合理地管理网络资源就可以提高用户业务感受度，更加优化网络的资源利用。
（1）S1接口是LTE eNodeB（基站）与 EPC（分组核心网）之间的通讯接口。包括控制面接口S1-MME和用户接口S-U。
（2）S2接口是非3GPP网络与PDN Gateway之间的接口，基于IETF协议。当用户在3GPP网络和非3GPP网络间漫游时使用该接口。
（3）S3接口是MME与原有3GPP网络SGSN之间的接口，类似于原SGSN之间的GN接口。S5接口是S-GW和P-GW间接口，包括控制面和用户面。S10接口是MME之间的接口。
（4）S11接口是控制面网元MME和用户面网元S-GW间的信令接口，基于GTPv2SGi接口是SGI接口类似于GI接口，是外部分组数据网的接口，是终端IP地址在外部数据网络的呈现点。所有3GPP范畴的终端移动性能终结都在SGI接口前处理。
2.2SAE组网介绍。
2.2.1SAE所定义的核心网络在GSM/GPRS核心网的基础上进行了激进式演进，SAE的基本原则是在分组交换域集中，从电路交换域脱离。因此它获得新的名字——EPC（Envoled Packet Core）增强型分组核心网。EPC网络的全IP承载，控制面与用户面分离的扁平架构并支持各种网络共接入的特点（见图1）满足了如上要求[2]。 2.2.2全IP承载是目前发展的趋势，因此EPC从标准制定之处即确定以全IP承载，不仅包括无线侧eNodeB与EPC间的S1接口，也包括EPC内部MME与HSS之间的借口采用IP承载的diameter协议。
2.2.3EPC网络实现了核心网的融合，支持各种3GPP接入方式和non-3GPP网络的共接入，并支持多模终端用户的无缝移动性。LTE的引入和移动运营商全业务运营的发展趋势，使得单个运营商开始面对运营多种制式网络。支持多种网络同时接入EPC网络，实现核心网的融合，使得网络结构更加简单，降低了网络运营成本。同时EPC网络支持各种接入方式之间的无缝移动性，提高LTE用户在LTE部署初期局部覆盖时的使用感受。
2.2.4当3GPP发展到R8版本时，确定了SAE的最终架构。对比传统3GPP 3G网络，这种架构具有以下优势：
（1）控制和承载分离，组网灵活性强。在SAE架构中，控制平面和用户平面是完全分离的，由MME负责控制平面的处理。在这种架构下，运营商可以更加灵活地根据用户和业务量的情况，来选择扩展控制平面还是扩容用户平面，从而提高网络资源的利用率，降低成本。而用户平面设备可以通过适当的合并和归一化来减少网络层次，提升网络性能。通过将用户平面设备下移至网络边缘，节省回程传输资源，降低运维成本。
（2）网络结构扁平化，减少了网络层次。在原来的3GPP网络中，数据传输需要经过基站、基站控制器、SGSN、GGSN才能到达业务网络，而在SAE架构中，去掉了基站控制器节点，将其功能分配到核心网和基站上处理。数据传输从原来经过四个节点降到了只经过2个节点。这种架构不但避免了对中间节点的投资，而且检查了数据传输的路径，降低了传输时延，为吞吐能力的提升奠定了基础。
（3）所有接口基于IP。在SAE架构中，所有的接口均支持基于IP协议、业务和语言，基于IP的数据连接为运营商降低了成本。SAE支持不同的IP版本，便于不同层次的网络共享，并支持没有IP连接的终端的IP地址配置。SAE的全IP组网，充分利用了IP网高吞吐量、低成本的优势，能够降低运营商的成本，而IP网络天然的开放性和共享性，便于运营商开展更多业务、提高网络效率，也有利于网络扩容。
（4）支持多种网络计入。SAE的体系结构是一个支持多种网络（GSM、WCDNA/HSPA、LTE）的通用分组核心网。对于GSM、WCDMA/HSPA系统，则通过SGSN和演进后的核心网之间的标准接口集成到演进后的系统中。SAE从架构上融合了不同制式的无线接口，考虑到了不同无线网络的平滑演进，有利于保护运营商现有的投资。
2.3基于SAE架构的IP POOL组网介绍。
（1）在EPS架构中，POOL技术应用到MME域，称为MME Pool。MME Pool指由一个或者多个MME组成的区域，是完整的TA区集合，MME Pool内每个eNodeB与MME全互联；不同MME Pool之间可相互叠加，重叠区域中的eNB可以同时与两个MME池中的某些MME建立S1连接。UE在MME Pool内的TA区域移动可不用更换服务MME。
（2）MME Pool关键技术原理是在SAE中，继承并沿用关于MIP的这个概念，定义了MME池/SAE-GW池/SAE-GW池的概念。MME Pool最终目的是满足系统负荷分担，通过定义池区域（POOL AREA），使在其区域内漫游的终端，不需要改变其提供服务的核心网节点，从而减少系统信令负荷。一方面，用户进入MME Pool区域，eNB根据权重信息为UE选择接入的MME，均衡POOL内MME的负载，最终使POOL内的MME均衡的接入UE，达到系统内的平衡；另一方面，通过网管触发或相关策略迁移部分或者全部UE迁移到MME Pool内其他MME，有序卸载，最终达到负载重分配，同时，当MME出现过载后，通过信令触发ENB进行过载控制策略，减少转发给过载的MME消息数量。通过MME Pool功能可实现灵活的负载重分配方式：满足运营策略及设备运维各场景下的负载迁移，动态调整负载，达到卸载有序并不影响网络。MME Pool中所有MME由统一网管进行管理，通过集中配置、集中故障管理、集中呈现达到简化管理。MME Pool继承了UMTS中的SGSN Pool优势，通过对池域资源的管理，减少系统信令负荷，提升网络效率及可靠性。
3. SAE演进过程
3.1LTE试点阶段。
运营商选择小范围区域部署独立的SAE网络。可以避免对现网的业务造成影响，并且可以进行核心网侧各种业务及功能的测试验证，积累相关经验。
3.2LTE与现网融合部署阶段。
随着LTE的技术成熟，对数据流较高的地区进行现网网元改造。演进步骤可以优先实现用户面网元的融合，再按需实现控制码面网元的融合。
3.3数据业务主导阶段。
可以将控制面集中设置，用户面结合VoLTE需求和數据业务本地需求分布部署。将网关下移，进一步接近用户，减少了数据传输的路径，降低了传输时延，也节约了网络的投资。
4. 结束语
SAE架构在目前通讯技术的发展中占有相当重要的地位。它支持各种类型的接入，支持各种数据业务资源管控；通过建设SAE架构网络，改造现有网络，实现多种制式网络的融合。目前2/3/4G融合组网已在广东顺利完成了三期工程的建设，随着技术的进度，在SAE架构的基础上，融合其他接入技术，最终实现全面融合的目标。
参考文献
[1]邓达豪.下一代核心网的工程技术风险评估参数优化研究[J].电信工程技术与标准化，2015（4）：46～49.
[2]吕红卫，冯征.核心网分组域引入EPC架构分析[J].电信科学，2012（10）：85.
【关键词】融合；系统架构演进；IP地址池；扁平架构
Analysis of SAE Architecture in EPC Core Network
Ma Yun-fei
（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）
【Abstract】The rapid development of communication technology， mobile communication replacement speed is gradually accelerating. The operator's mobile network has evolved to LTE， and the corresponding core network packet domain has evolved to the SAE architecture. Through the introduction of SAE network characteristics， put forward the need to focus on the technical focus.
【Key words】Integration；System architecture evolution；IP address pool；Flat architecture
1. 前言
隨着移动业务的快速发展，移动用户数量不断增长，而用户要求也越来越高。只有能支持丰富业务种类的网络，才能提升用户满意度，才能增加业务收入。通信网络中处于核心骨干位置的核心网已经进入了SAE系统架构演进时代，核心网网元变得更加智能、集成、IP化。
2. SAE架构组网介绍
2.1SAE中主要网元及接口功能。
目前，EPC中主设备由MME、SGW、CG、PCRF等网元组成。其中，PCRF是新增网元，是移动核心分组域核心网向EPC演进的重点变化之一，实现控制和承载分离的重要标志和网络部件。MME（Mobility Managemnet Entity）负责信令处理部分，功能为移动性管理、安全控制（鉴权认证）、空闲状态的移动性控制、切换到2G或3G接入网时的SGSN选择，是SAE的控制核心。S-GW（Serving Gateway）是原3G核心网PS域的演进版本，即在新的EPC网络中，控制面功能和媒体面功能分离更加彻底，功能类似Gn GGSN。PDN Gateway（P-GW）是SAE网络的边界网关，提供承载控制、计费、地址分配和非3GPP接入等功能，相当于传统GGSN。PCRF（Policy and Charging Rules Function）是服务数据流和IP承载资源的策略与计费控制策略决策点，它为PCEF（策略与计费执行功能）选择及提供可用的策略和计费控制决策。可以对用户和业务态Q0S服务质量进行控制，为用户提供差异化服务。并且能为用户提供业务流承载资源保障以及流计费策略，让运营商实现基于业务和用户分类的更精细化业务控制和计费方式，更加合理地使用网络资源，将利益最大化。为PS域开展多媒体实时业务提供了可靠的保障。PCRF包含策略控制决策和基于流的计费控制功能。PCRF接收来自PCC架构中的其他设备的输入，结合自身的自定义信息作出PCC决策。引入PCRF后，在网络中就可实施QoS保障技术，这样运营商也就可以在网络中提供用户差分服务和业务的差异化服务。这样，利用PCRF节点的控制功能，可以为运营商带来如下好处：
2.1.1运营商可以通过GGSN与PCRF的互控对可实现对用户每个业务的带宽进行限制。这样可以防止网络中的资源滥用。其中一个典型情形是特定应用可能会消耗大量的可用网络资源。针对同一用户在网络中使用不同应用，运营商能够基于PCRF对每个IP流或每个应用限制用户话务[1]。
2.1.2运营商可以通过PS数据域的QoS保障机制对用户和业务进行精细的差分化管理和控制。这对开展PS数据业务具有重要的影响。
2.1.3运营商可以通过对不同的用户等级（如预付费用户）进行用户服务区分，进而为用户提供差异化服务。例如，当用户的业务使用流量达到一定的门限时，进行降低QoS服务质量等控制。
2.1.4运营商对于少量用户进行QoS控制，从而为大多数用户保障网络的资源，提高网络的服务品质。更加合理地管理网络资源就可以提高用户业务感受度，更加优化网络的资源利用。
（1）S1接口是LTE eNodeB（基站）与 EPC（分组核心网）之间的通讯接口。包括控制面接口S1-MME和用户接口S-U。
（2）S2接口是非3GPP网络与PDN Gateway之间的接口，基于IETF协议。当用户在3GPP网络和非3GPP网络间漫游时使用该接口。
（3）S3接口是MME与原有3GPP网络SGSN之间的接口，类似于原SGSN之间的GN接口。S5接口是S-GW和P-GW间接口，包括控制面和用户面。S10接口是MME之间的接口。
（4）S11接口是控制面网元MME和用户面网元S-GW间的信令接口，基于GTPv2SGi接口是SGI接口类似于GI接口，是外部分组数据网的接口，是终端IP地址在外部数据网络的呈现点。所有3GPP范畴的终端移动性能终结都在SGI接口前处理。
2.2SAE组网介绍。
2.2.1SAE所定义的核心网络在GSM/GPRS核心网的基础上进行了激进式演进，SAE的基本原则是在分组交换域集中，从电路交换域脱离。因此它获得新的名字——EPC（Envoled Packet Core）增强型分组核心网。EPC网络的全IP承载，控制面与用户面分离的扁平架构并支持各种网络共接入的特点（见图1）满足了如上要求[2]。 2.2.2全IP承载是目前发展的趋势，因此EPC从标准制定之处即确定以全IP承载，不仅包括无线侧eNodeB与EPC间的S1接口，也包括EPC内部MME与HSS之间的借口采用IP承载的diameter协议。
2.2.3EPC网络实现了核心网的融合，支持各种3GPP接入方式和non-3GPP网络的共接入，并支持多模终端用户的无缝移动性。LTE的引入和移动运营商全业务运营的发展趋势，使得单个运营商开始面对运营多种制式网络。支持多种网络同时接入EPC网络，实现核心网的融合，使得网络结构更加简单，降低了网络运营成本。同时EPC网络支持各种接入方式之间的无缝移动性，提高LTE用户在LTE部署初期局部覆盖时的使用感受。
2.2.4当3GPP发展到R8版本时，确定了SAE的最终架构。对比传统3GPP 3G网络，这种架构具有以下优势：
（1）控制和承载分离，组网灵活性强。在SAE架构中，控制平面和用户平面是完全分离的，由MME负责控制平面的处理。在这种架构下，运营商可以更加灵活地根据用户和业务量的情况，来选择扩展控制平面还是扩容用户平面，从而提高网络资源的利用率，降低成本。而用户平面设备可以通过适当的合并和归一化来减少网络层次，提升网络性能。通过将用户平面设备下移至网络边缘，节省回程传输资源，降低运维成本。
（2）网络结构扁平化，减少了网络层次。在原来的3GPP网络中，数据传输需要经过基站、基站控制器、SGSN、GGSN才能到达业务网络，而在SAE架构中，去掉了基站控制器节点，将其功能分配到核心网和基站上处理。数据传输从原来经过四个节点降到了只经过2个节点。这种架构不但避免了对中间节点的投资，而且检查了数据传输的路径，降低了传输时延，为吞吐能力的提升奠定了基础。
（3）所有接口基于IP。在SAE架构中，所有的接口均支持基于IP协议、业务和语言，基于IP的数据连接为运营商降低了成本。SAE支持不同的IP版本，便于不同层次的网络共享，并支持没有IP连接的终端的IP地址配置。SAE的全IP组网，充分利用了IP网高吞吐量、低成本的优势，能够降低运营商的成本，而IP网络天然的开放性和共享性，便于运营商开展更多业务、提高网络效率，也有利于网络扩容。
（4）支持多种网络计入。SAE的体系结构是一个支持多种网络（GSM、WCDNA/HSPA、LTE）的通用分组核心网。对于GSM、WCDMA/HSPA系统，则通过SGSN和演进后的核心网之间的标准接口集成到演进后的系统中。SAE从架构上融合了不同制式的无线接口，考虑到了不同无线网络的平滑演进，有利于保护运营商现有的投资。
2.3基于SAE架构的IP POOL组网介绍。
（1）在EPS架构中，POOL技术应用到MME域，称为MME Pool。MME Pool指由一个或者多个MME组成的区域，是完整的TA区集合，MME Pool内每个eNodeB与MME全互联；不同MME Pool之间可相互叠加，重叠区域中的eNB可以同时与两个MME池中的某些MME建立S1连接。UE在MME Pool内的TA区域移动可不用更换服务MME。
（2）MME Pool关键技术原理是在SAE中，继承并沿用关于MIP的这个概念，定义了MME池/SAE-GW池/SAE-GW池的概念。MME Pool最终目的是满足系统负荷分担，通过定义池区域（POOL AREA），使在其区域内漫游的终端，不需要改变其提供服务的核心网节点，从而减少系统信令负荷。一方面，用户进入MME Pool区域，eNB根据权重信息为UE选择接入的MME，均衡POOL内MME的负载，最终使POOL内的MME均衡的接入UE，达到系统内的平衡；另一方面，通过网管触发或相关策略迁移部分或者全部UE迁移到MME Pool内其他MME，有序卸载，最终达到负载重分配，同时，当MME出现过载后，通过信令触发ENB进行过载控制策略，减少转发给过载的MME消息数量。通过MME Pool功能可实现灵活的负载重分配方式：满足运营策略及设备运维各场景下的负载迁移，动态调整负载，达到卸载有序并不影响网络。MME Pool中所有MME由统一网管进行管理，通过集中配置、集中故障管理、集中呈现达到简化管理。MME Pool继承了UMTS中的SGSN Pool优势，通过对池域资源的管理，减少系统信令负荷，提升网络效率及可靠性。
3. SAE演进过程
3.1LTE试点阶段。
运营商选择小范围区域部署独立的SAE网络。可以避免对现网的业务造成影响，并且可以进行核心网侧各种业务及功能的测试验证，积累相关经验。
3.2LTE与现网融合部署阶段。
随着LTE的技术成熟，对数据流较高的地区进行现网网元改造。演进步骤可以优先实现用户面网元的融合，再按需实现控制码面网元的融合。
3.3数据业务主导阶段。
可以将控制面集中设置，用户面结合VoLTE需求和數据业务本地需求分布部署。将网关下移，进一步接近用户，减少了数据传输的路径，降低了传输时延，也节约了网络的投资。
4. 结束语
SAE架构在目前通讯技术的发展中占有相当重要的地位。它支持各种类型的接入，支持各种数据业务资源管控；通过建设SAE架构网络，改造现有网络，实现多种制式网络的融合。目前2/3/4G融合组网已在广东顺利完成了三期工程的建设，随着技术的进度，在SAE架构的基础上，融合其他接入技术，最终实现全面融合的目标。
参考文献
[1]邓达豪.下一代核心网的工程技术风险评估参数优化研究[J].电信工程技术与标准化，2015（4）：46～49.
[2]吕红卫，冯征.核心网分组域引入EPC架构分析[J].电信科学，2012（10）：85.