EPC系统原理-业务功能详细介绍.docx

EPC系统原理-业务功能详细介绍R1.0版本鲜枣课堂目录EPC系统原理-业务功能详细介绍41LTE的背景42EPC系统的网络结构43EPC系统的业务功能介绍63.1基本功能63.1.1标识管理63.1.2节点选择43.1.3移动性管理53.1.4切换管理73.1.5会话管理73.2特性功能83.2.1安全功能83.2.2与现有网络的互通功能83.2.3支持多PDN接入功能93.2.4负荷均衡功能94名词术语及缩略语10EPC系统原理-业务功能详细介绍1 LTE的背景随着移动通信技术的不断成熟和用户需求的不断提升，宽带无线接入的概念开始被越来越多的运营商和用户关注。相比较于WiFi（Wireless Fidelity，无线保真）和WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波接入互操作性）等无线接入方案的迅猛发展，3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）组织制定的WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址）、HSDPA（HighSpeed Downlink Packet Access，高速下行分组接入）、HSUPA（High Speed Uplink PacketAccess，高速上行分组接入）虽然在支持移动性和QoS（Quality of Service，服务质量）方面有较大优势，但是在无线频谱利用率和传输时延等方面有所落后。此外，一方面目前的数据类业务种类繁多且数据量大，对空口的数据传输数率提出了更高的要求；另一方面OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术）技术为核心的无线接入技术逐渐成熟，大幅度提升空口速率可以变为现实。目前WCDMA提供的2 Mbit/s，HSDPA提供的14.4 Mbit/s峰值速率已经无法满足需求。为此3GPP在2004年底决定使用现在为3G分配的频段，采用新的技术来进行网络演进，并为此制定了长期演进计划LTE（Long Term Evolution，长期演进）。2 EPC系统的网络结构图2-1 EPC的网络结构图2-1所示为EPC的网络结构，其中UE（User Equipment，用户设备）UE为终端用户完成各种数据业务和其他业务的载体，负责存储UE相关信息，完成无线资源管理功能、移动性管理功能、安全功能和承载管理功能。E-UTRAN（Evolved UTRAN，演进的无线接入网）E-UTRAN可以提供更高的上下行速率，更低的传输延迟和更加可靠的无线传输。E-UTRAN中包含的网元是eNodeB（Evolved NodeB，演进的NodeB），为终端的接入提供无线资源。MME（Mobility Management Entity，移动管理实体）MME为控制面功能实体，临时存储用户数据的服务器，负责管理和存储UE相关信息，比如UE用户标识、移动性管理状态、用户安全参数，为用户分配临时标识。当UE驻扎在该跟踪区域或者该网络时负责对该用户进行鉴权，处理MME和UE之间的所有非接入层消息。SGW（Serving Gateway，服务网关）SGW为用户面实体，负责用户面数据路由处理，终结处于空闲状态的UE（用户终端设备）的下行数据，管理和存储UE的承载信息，比如IP承载业务参数和网络内部路由信息。PGW（PDN Gateway，分组数据网网关）PGW负责UE接入PDN的网关，分配用户IP地址，同时是3GPP和非3GPP接入系统的移动性锚点。用户在同一时刻能够接入多个PDN GW。PCRF（Policy and Charging Rule Functionality，策略和计费规则功能实体）PCRF功能实体主要根据业务信息和用户签约信息以及运营商的配置信息产生控制用户数据传递的QoS（Quality of Service，服务质量）规则以及计费规则。该功能实体也可以控制接入网中承载的建立和释放。S3/S4 SGSN（Service GPRS Supporting Node，服务GPRS支持节点）S3/S4 SGSN为临时存储用户数据的服务器，负责管理和存储UE相关信息，如UE用户标识、移动性管理状态、用户安全参数等，为用户分配临时标识，完成用户安全功能，完成用户移动性管理功能和会话管理功能，处理SGSN和UE之间的所有非接入层消息。HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）HSS存储并管理用户签约数据，包括用户鉴权信息、位置信息及路由信息。UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network，统一的陆地无线接入网络）UTRAN为第三代移动通讯网络（3G）的无线接入网络，为终端的接入提供无线资源。GERAN（GSM EDGE Radio Access Network，GSM/EDGE无线接入网）GERAN是GPRS/EDGE的无线接入网络，为终端的接入提供无线资源。3 EPC系统的业务功能介绍3.1 基本功能3.1.1 标识管理在EPC中，通过MME对以下标识进行分配和管理。IMSIGUTIMSISDNIMEIAPNTAIQCIARPAPN-AMBRUE-AMBRPTIEBI3.1.1.1 IMSIIMSI是核心网交换系统分配给移动用户的唯一的识别号。IMSI由三部分组成，结构为MCCMNCMSIN，格式如图3-1所示。图3-1 IMSI结构MCC为移动国家码，标识移动用户所属的国家。MNC为移动网络号，标识移动用户的归属PLMN（Public Land Mobile Network，公共陆地移动网）。MSIN为移动用户识别码，标识一个PLMN内的移动用户。3.1.1.2 GUTIGUTI是EPS核心网交换系统分配给移动用户的唯一的识别号。GUTI由五部分组成，结构为MCCMNCMME Group IDMME CodeM-TMSIMCC标识移动用户所属的国家MNC标识移动用户的归属PLMNMME Group ID为MME网元组标识MMEC为MME的编码M-TMSI由于在MME内用户本地标识，M-TMSI的结构和编码可以由运营商和制造商共同确定，以满足实际运营的需要。3.1.1.3 MSISDNMSISDN指主叫用户在呼叫GSM PLMN中的一个移动用户所需拨的号码，作用同于固定网PSTN号码，是在公共电话网交换网络编号计划中，唯一能识别移动用户的号码。MSISDN采用E.164编码方式存储在HLR和VLR中，在MAP接口上传送。MSISDN由三部分组成，结构为CCNDCSN。3.1.1.4 IMEIIMEI用于标识终端设备，可以用于验证终端设备的合法性。IMEI由三部分组成，结构为TACSNRSpare。TAC是设备发行时定义的。l SNR由各设备厂商自主分配Spare通常为03.1.1.5 APNAPN用于通过DNS将APN转换为PGW的IP地址。APN由二部分组成，结构为APN网络标识APN运营者标识。APN网络标识是由网络运营者分配给ISP或公司的、与其固定Internet域名一样的一个标识APN运营者标识用于标识归属网络由三部分组成。APN网络标识通常作为用户签约数据存储在HSS中，用户在发起分组业务时也可向MME提供APN。3.1.1.6 TAITAI用于标识TA。TAI由三部分组成，格式为TACMNCMCC。TAC 在EPS中，一个或多个小区组成一个跟踪区，跟踪区之间没有重叠区域。MNC 移动网络号，标识移动用户的归属PLMN。两个数字MCC 移动国家码，标识移动用户所属的国家。三个数字TAI由E-UTRAN分配。3.1.1.7 QCIQCI是一个标度值，用于衡量特定的提供给SDF的包转发行为（如丢包率、包延迟预算），同时应用于GBR和Non-GBR承载，用于指定访问节点内定义的控制承载级分组转发方式（如调度权重、接纳门限、队列管理门限、链路层协议配置等），这些都由运营商预先配置到接入网节点中。QCI由一个字节组成。MME将签约的QCI带给PGW，由PGW决定QCI取值。3.1.1.8 ARPARP用于表示承载相对于其它承载的优先级。ARP由Priority-Level、Pre-emption-Capability、Pre-emption-Vulnerability组成。MME将签约的ARP带给PGW，由PGW决定ARP取值。3.1.1.9 APN-AMBRAPN-AMBR用来限制相同APN下所有非GBR承载的汇聚最大速率的QoS参数。APN-AMBR由上行APN-AMBR和下行APN-AMBR组成。MME将签约的APN-AMBR带给PGW，由PGW决定APN-AMBR取值。3.1.1.10 UE-AMBRUE-AMBR用来限制每个UE所有非GBR承载的汇聚最大速率的QoS参数。由UE上行汇聚MBR和UE下行汇聚MBRA组成。MME根据APN-AMBR和签约的UE-AMBR计算UE-AMBR。3.1.1.11 PTIPTI用于区分254个不同的双向消息流。由UE或MME为用户分配不同的PTI。3.1.1.12 EBI概念EBI用于标识消息流。由MME为用户分配不同的EBI。3.1.2 节点选择PGW选择功能EPC通过MME来实现PGW选择功能，MME利用HSS提供的用户签约信息和其它可能的附加标准，为3GPP接入分配一个PGW以提供PDN连接。SGW选择功能EPC通过MME来实现SGW选择功能，该功能从EPC网络中为UE选择一个可用的SGW。在SGW服务的重叠区域，SGW的选择需要考虑到目标SGW服务的稳定性，同时还需要考虑到SGW之间的负荷均衡。MME选择功能MME的选择功能基于网络的拓扑结构为服务的UE选择一个可用MME。在MME服务的重叠区域，MME的选择要需要考虑到目标MME服务的稳定性，同时还需要考虑到MME之间的负荷均衡。SGSN选择功能EPC通过MME来实现SGSN选择功能，该功能从EPC网络中为UE选择一个可用SGSN。在SGSN服务重叠区域，SGSN的选择要需要考虑到目标SGSN服务的稳定性，同时还需要考虑到SGSN之间的负荷均衡。3.1.3 移动性管理3.1.3.1 UE附着管理UE附着管理包括UE附着和UE去附着。UE附着提供UE运行业务之前在网络中进行注册功能，包括：a.从EUTRAN网络进行附着。b.从UTRAN/GERAN网络进行附着。当UE不需要继续附着在EPS网络时，就发起去附着过程。UE可以通知网络不再接入EPS网络，并且网络也通知UE没有必要再接入EPS网络。3.1.3.2 UE位置管理UE位置管理功能实现UE在ECM-IDLE状态下UE的位置跟踪功能。网络通过TA列表来获取处在ECM-IDLE状态下的UE位置，从而可以通过对当前注册的TA列表中的小区来寻呼ECM-IDLE状态下的UE。一个UE可以注册到多个TA表中。UE位置管理支持UE周期地执行位置区更新过程（简称为TAU）。位置区更新过程需要支持的内容，包括4种情况：a.MME和SGW改变的位置区更新过程UE驻留在EUTRAN网络中，当UE发现当前的TAI不在UE注册网络的TAI列表中时，检测到一个新的TA的改变，就会发起位置区更新的请求。b.SGW不变的E-UTRAN 位置区更新过程当UE注册到MME或S3/S4 SGSN但需要选择EUTRAN小区，并且UE还没有注册UE选择的EUTRAN小区，或者由于ISR激活时UE和SGSN之间承载配置变更而P-TMSI更新状态是“未更新”时，发起E-UTRAN 位置区更新过程。该过程可以是UE在空闲状态下发起，也可能在ECM-CONNECTED状态下发起。c.与MME交互而SGW不变的RAU过程当UE注册在一个MME而选择一个UTRAN小区或GERAN小区时，会发起与MME交互而SGW不变的RAU过程。这时UE改变到一个还没有注册网络的路由区。该过程是UE在ECM-IDLE状态下发起的。d.与MME交互而SGW改变的RAU过程当UE注册在一个MME而选择一个GERAN小区或UTRAN小区时，会发起与MME交互而SGW改变的RAU过程。这时UE改变到一个还没有注册网络的路由区。该过程可以是UE在ECM-IDLE状态下发起的，也可以是UE在ECM-CONNECTED状态下发起。3.1.3.3 服务请求功能a.UE发起的服务请求功能ECM-IDLE状态的UE发送服务请求消息给MME，为上层信令或者活动的承载预留资源建立一条信令连接，并为后续的信令消息或者资源预留消息提供通道。ECM-IDLE状态的UE发起该过程的目的是发送上行信令消息、用户数据，或者作为寻呼响应，或者让UE重新获得无线覆盖信号。b.网络发起的服务请求功能当SGW接收到发给处于ECM-IDLE状态的UE下行数据，SGW发送下行数据通知消息给MME，触发MME发送寻呼消息给UE，由MME启动网络触发的服务请求过程。3.1.3.4 S1接口释放功能S1接口释放功能用于释放一个UE的逻辑S1-AP信令连接（在S1-MME）和所有S1承载（在S1-U）。该过程把UE和MME从ECM-CONNECTED状态迁移到ECM-IDLE状态，并且所有UE相关的上下文信息在eNodeB被删除。3.1.4 切换管理a.无MME重定位的eNode B间的切换无MME重定位的eNode B间的切换是指在切换过程中不需要变更MME的情况。b.MME重定位的eNode B间的切换该功能是指在切换过程中需要MME重定位或者MME和SGW都重定位。切换由源eNodeB发起，由源MME选择目标MME。同时如果SGW需要重定位，则由目标MME选择SGW。3.1.5 会话管理专有承载激活功能EPS系统在S5/S8接口上提供基于GTP协议的专有承载激活功能，MME根据SGW发送的专有承载请求向eNodeB发送承载建立请求，并为UE分配一个尚未使用的承载标识EPS Bearer Identity。由eNodeB根据此标识激活专有承载。承载修改功能EPS系统提供基于QoS更新和基于非QoS更新的承载修改功能，如将一个新的业务数据流与一个激活的承载合并或从一个激活的承载中移除。a.基于QoS更新的承载修改功能可以由PGW或HSS发起。b.基于非QoS更新的承载修改功能可以由PGW或HSS发起。承载删除功能当UE用户需要通过EPS系统激活的承载访问数据业务和其它业务时，可以通过去激活流程删除承载。在EPS中可以由PGW或MME发起。UE要求的承载资源的分配与释放功能a.UE要求EPS为一个新的SDF分配承载资源，如果EPS接受UE的请求，将调用专有承载激活流程或者专有承载修改流程来完成整个流程。b.UE要求EPS为一个新的SDF释放承载资源，如果EPS接受UE的请求，将调用专有承载去激活流程来完成整个流程。3.2 特性功能3.2.1 安全功能鉴权和密钥管理EPS系统支持网络对UE的鉴权，也支持UE对网络的鉴权，EPS系统支持对安全密钥的管理。接入层的安全EPS系统支持接入层的安全性，包括空中接口用户数据的加密和RRC信令的加密以及完整性。非接入层的安全EPS系统支持NAS的安全，包括UE到MME之间NAS信令的完整性保护。用户标识的安全EPS系统使用临时标识GUTI来全局唯一用户，系统支持对MEID的检查。移动性的安全EPS系统支持当UE在EUTRAN、UTRAN、GERAN之间移动的时候，不同接入系统之间的密钥可以相互推导。MEID检查功能MME、HSS、PGW的运营商可以通过检查MEID的方法来检查用户设备是否合法（该设备是否被偷或者验证该设备是否有错误）。3.2.2 与现有网络的互通功能E-UTRAN与Gn/Gp SGSN之间的互通EPS系统支持E-UTRAN与Gn/Gp SGSN之间的切换，切换模式分如下四种。a.E-UTRAN到UTRAN Iu模式RAT间的切换。b.UTRAN Iu模式到E-UTRAN RAT间的切换。c.E-UTRAN到GERAN A/Gb模式的RAT间的切换。d.GERAN模式到E-UTRAN RAT间的切换E-UTRAN与Pre-Rel-8 SGSN互通EPS系统支持E-UTRAN与Pre-Rel-8 SGSN之间的互通。a.MME提供Gn接口来支持E-UTRAN与Pre-Rel-8 SGSN互通。b.PGW提供Gp接口来支持Pre-Rel-8 SGSN和Pre-Rel-8 GGSN之间的互通。3.2.3 支持多PDN接入功能EPS系统支持接入多个PDN，支持由UE发起PDN连接及去连接。当UE发起PDN连接时，UE可以指明具体连接的APN，也可以指示使用默认APN，由MME决定UE连接到哪个APN。3.2.4 负荷均衡功能EPS系统通过MME Pool和SGW Pool功能来实现网络级的负荷均衡。MME Pool功能MME Pool指由一个或者多个MME组成的区域，是完整的TA区集合，不同的MME Pool之间可相互叠加。UE在MME Pool内的TA区移动可不用更换服务MME。在MME Pool中，可以实现MME间负荷均衡、负荷重分配及MME过载控制功能。a.MME间负荷均衡MME间负荷均衡功能允许新进入MME Pool内的UE根据Pool内MME间负荷均衡定向到Pool内合适的MME上。b.MME间负荷重分配MME间负荷重分配功能允许将注册在某个MME的部分或者全部UE迁移到MME Pool内其它MME上。c.MME过载控制eNodeB根据过载控制策略减少转发给过载的MME的消息数量，甚至不向过载的MME转发NAS消息，从而使MME从过载状态中恢复正常。SGW Pool功能SGW Pool指由一个或者多个SGW组成的区域，不同的SGW Pool之间可相互叠加。当UE在SGW Pool内的TA区移动时，可不用更换服务SGW。在MME上可以配置SGW Pool中的各个SGW的负载权重信息。为了保证SGW Pool内各个SGW间的负载均衡，SGW Pool内的SGW可以周期性的将自身的负荷状态信息（例如：负荷百分比）发送给MME。对于新接入的UE，MME根据SGW的负载状况和权重信息选择SGW建立承载，从而达到SGW间的负荷均衡的目的。4 名词术语及缩略语术语/定义英文对应词含 义MME池区MME Pool AreaMME池区是指UE在其间移动不需要改变服务MME的区域。一个MME池区内有一个或多个对等的MME。MME池区是由多个TA汇聚。MME池区间可以有交迭。SGW池区Serving GW Service AreaSGW池区是指UE在其间移动不需要改变服务SGW的区域。一个SGW池区内有一个或多个对等的SGW。SGW池区是由多个TA汇聚。MME池区间可以有交迭。默认APNDefault APN默认APN是在签约数据中被标识为默认的APN，用于在附着过程中建立默认的PDN连接。默认承载Default bearer默认承载是与分别在UE和PGW中用来匹配所有数据包的上、下行包过滤器相关的承载。专用承载Dedicated bearer专用承载是与分别在UE和PGW中用来匹配某些数据包的上、下行包过滤器相关的承载。AMBRAggregate Maximum Bit RateAMBR是用来限制每个UE所有非GBR承载的汇聚最大bit rate的QoS项。GBR承载GBR bearerGBR承载是使用与GBR值相关的、在承载建立或修改时永久分配的专用网络资源的承载。 非GBR承载Non-GBR bearerGBR承载是使用与GBR值无关的网络资源的承载。链接承载标识Linked Bearer Identity链接承载标识指示了与该承载资源相链接的默认承载。流程处理标识Procedure Transaction Identity流程处理标识是UE在发起请求承载资源激活、修改、去活流程时动态分配的标识，用来区别网络侧发起流程和UE发起流程。.缩略语英文原文中文含义AFApplication Function应用功能实体AMBRAggregate Maximum Bit Rate汇聚MBRARPAllocation Retention Priority分配保留优先级BCMThe negotiated Bearer Control Mode for GERAN/UTRAN协商的GERAN/UTRAN承载控制模式DL TFTDownLink Traffic Flow Template下行TFTDNTDownLink NAS Transport下行NAS传输ECMEPS Connection ManagementEPS连接管理EMMEPS Mobility ManagementEPS移动性管理EPCEvolved Packet Core演进的分组核心网EPSEvolved Packet System演进的分组系统ESMEPS Session Management