TD-LTE演进型分组核心网技术分析(上)

TD-LTE演进型分组核心网技术分析(上)

摘要：详细分析了TD-LTE演进型分组核心网EPC网元的功能、网元间接口的作用以及网元接口支持的协议，并列举出四种应用示例，总结了管理EPC网元的方法，对TD-LTE的建设与维护提出了参考建议。关键词：TD-LTE，EPC，协议1概述TD-LTE实现了全网IP化，提供了真正意义上的分组接入，使演进后的系统仅有分组交换域，不再提供电路域服务。但为了使运营成熟的2G、不断完善的3G、准备商用的LTE及已广泛应用的WLAN、Wi-Fi等多种制式网络异构共存、相依协同，保护运营商现有投资和迎合移动用户的终端使用习惯，TD-LTE系统的演进型分组核心网(EPC，EvolvedPacketCorenetwork)仍然充分考虑了异构网络共存的态势，如图1所示。EPC是3GPP伴随着无线接入网E-UTRAN演进研究而展开的演进型分组核心网项目，目标是帮助运营商通过采用LTE技术来提供先进的移动宽带服务，保护客户投资、兼顾已存网络现状，以满足用户现在及未来对宽带和业务质量的需求。由图1可知，在接入网接入到EPC中，2G有BSC(BaseStationController，基站控制器)/PCU(PackageControlUnit，分组控制单元)中间层，3G有RNC(RadioNetworkController，无线网络控制器)中间层。TD-LTE系统的扁平化架构设计，对3G系统中的NodeB、RNC、CN(CoreNetwork，核心网)进行了功能整合，不仅使NodeB和RNC的部分功能并构到eNodeB中，还将RNC中的一部分功能及CN的功能在增强简化和添补改进的前提下创建成了最新的EPC核心网。为了兼容2G和3G，传统的SGSN在改进后仍然保留在EPC中。为了接入如WLAN、Wi-Fi等非3GPP网络，EPC增加了S2a/b接口和ePDG网元。为了兼容更多的异构接入网，EPC引入了服务网关S-GW和分组数据网关P-GW。图1EPC网络架构简图图2EPC网元架构及接口与协议2EPC架构的网元分析[1]3GPP定义的EPC功能主要包括：支持1.4～20MHz带宽；峰值速率上行50Mbps、下行100Mbps；频谱效率可达到R6的2～4倍；用户面延迟小于5ms，控制面延迟小于100ms；既支持与3GPP系统的互通，也支持与非3GPP系统的接入，还支持用户在3GPP和非3GPP网络间的漫游与切换；支持IP多媒体子系统IMS；取消CS(CircuitSwitching，电路交换)域，将CS域业务全部在PS(PacketSwitching，包交换)域中实现等内容。EPC为同时支持多种异构接入网的UE提供了高吞吐量、低时延及高效快速的IP回退能力，为用户便捷接入分组数据网PDN、完成分组数据业务、实施业务计费提供了全新的技术基础。图2所示是EPC在下连异构接入、上接运营商IP数据业务中的功能模块。EPC为TD-LTE用户在UTRAN(包括TD-SCDMA、WCDMA)、GERAN(包括GSM)、E-UTRAN(包括TD-LTE、FD-LTE)以及WiMAX、WLAN、CDMA2000等Trustednon-3GPP和Wi-Fi等Untrustednon-3GPP多种不同制式接入网中漫游提供了技术支撑，可分别通过SGSN、ePDG等网元间接/直接地进入SAE-GW网关池，或者通过S-GW网关直接接入P-GW网关后，再进入PDN运营商的IP业务网络。EPC网络架构的基本网元有SGSN、MME池、HSS、PCRF、ePDG，以及由S-GW和P-GW组成的SAE-GW池。这些网元的相关功能简要分析如下：(1)HSS(归属签约用户服务器)：是IMS网络中的核心用户数据管理网元，用于存储用户标识、编号以及路由、安全、位置与相关业务和概要等用户签约信息的数据库，具有配置用户文件，执行用户身份验证、授权和签约等功能，还可提供有关用户物理位置的信息，支持移动性管理和会话建立。其不仅有传统的与CS、PS域网元连接的接口，还有与IMS域网元连接的接口。其主要功能包括：1)用户注册：当用户向网络发起注册时，HSS询问相应的核心网节点，以便验证用户的订阅权限，该权限验证可以由MSC、SGSN或MME来完成，取决于网络和请求注册的类型；2)终端位置更新：随着终端改变区域位置，HSS随之进行更新，并记录所知道的最新区域；3)用户被叫时会话请求：HSS询问并向核心网节点提供所记录的当前用户位置以及用户标识、编号和路由信息；4)用于鉴权和授权的网络接入控制信息；5)用于鉴权、完整性保护和加密的用户安全信息等。(2)MME(移动性管理实体)：是EPC唯一控制平面网元，承载eNodeB与EPC之间控制平面消息的传递，职能类似于传统SGSN控制平面的作用，主要负责用户移动性管理、接入和附着控制、寻呼、切换及漫游控制等。其不仅具有用户认证、密钥初始和协商以及完整性保护算法等与用户和会话管理有关的控制平面功能，还支持用于建立数据上下文和QoS等参数的信令协商过程的终端到网络的会话处理，涉及到能够使得网络在有会话到来时可以连接到终端的空闲终端位置管理(跟踪区域更新功能)。总之，MME支持NAS(Non-AccessStratum，非接入层)信令及安全、TA(TrackingArea，跟踪区域)列表管理、P-GW和S-GW选择、跨MME切换时进行MME选择、在向2G/3G接入系统切换过程中进行SGSN选择、用户鉴权、漫游控制以及承载管理、3GPP不同接入网络核心网络节点间移动性管理等，以及UE在ECP_IDLE状态下可达性管理(包括寻呼重发控制和执行)。(3)S-GW(Serving-GW)：位于用户面，是终止于相关接入网接口的服务网关，对每个接入UTRAN、GERAN、E-UTRAN的终端，一次只能一个S-GW服务。S-GW是连接E-UTRAN分组数据接口的终点，在EPC中起到相当于传统SGSN用户面作用。当终端在E-UTRAN中不同eNodeB间移动时，S-GW用作本地移动性锚点，协助完成eNodeB重新排序；当终端在E-UTRAN间或在E-UTRAN与其他3GPP网络(2G/GSM、3G/UMTS)间移动时，可通过S-GW进行路由。此外，S-GW还有执行合法侦听、进行数据包路由和前转、在上行和下行传输层进行分组标记、为运营商间计费等功能。(4)P-GW(PDN-GW)：位于用户面，是面向PDN终结与SGi接口的网关。作为核心网EPC与分组数据网PDN连接的关口实体，P-GW既是EPC上连的终点，也是PDN接入的起点。当UE访问多个PDN时，UE有可能面对一个或多个P-GW。作为连接外部分组数据网络的锚点，P-GW还具有策略增强功能(按照运营商定义的规则来进行资源分配)以及分组过滤和增强计费等功能。此外，P-GW还负责分配UE的IP地址、基于每个用户的包过滤、承载层面的IP锚点、连接到外部分组网等。总之，作为核心网络的中心控制节点，P-GW类似GPRS的GGSN(GPRS网关支持节点)，可以实现业务数据流的检测与流量采集，提供承载控制、计费、地址分配和非3GPP接入等功能。(5)PCRF(策略和计费功能网元)：是服务数据流和IP承载资源的策略与计费控制的决策点，终结于Rx与Gx接口。非漫游场景时，在HPLMN(HomePublicLandMobileNetwork，本地公用陆地移动网络)中只有一个PCRF跟UE的一个IP-CAN(IP-ConnectivityAccessNetwork，IP连接访问网络)会话相关。在漫游场景且业务流是本地疏导时，可能会有两个PCRF跟一个UE的IP-CAN会话相关。PCRF可为PCEF(PolicyandChargingEnforcementFunction，策略与计费执行功能)选择和提供可用的策略与计费控制决策，可配置基于流量计费的规则、基于时间的计费规则、基于流量和时间综合方式的计费规则、基于事件的计费规则以及无计费规则的PCC(PolicyControlandCharging，策略控制和计费)计费规则。此外，PCRF还具有门控、事件触发及报告、QoS控制、绑定SDF和承载的策略控制功能以及支持控制信令的IPSec安全性保护等功能。(6)SGSN：作为GRPS和TD-SCDMA及WCDMN核心网分组域设备的重要组成部分，SGSN主要完成分组数据包的路由转发、移动性管理、会话管理、逻辑链路管理、鉴权和加密、话单产生和输出等传统功能。SGSN通过Gb接口提供与无线分组控制器PCU的连接，进行如用户身份识别、加密、压缩等移动数据管理功能。在TD-LTE的EPC中，SGSN进行了简化和优化，当UE在2G/3G和E-UTRAN接入网间移动时，SGSN在进行信令交互(包括对P-GW和S-GW选择)的同时，还对切换到E-UTRAN接入网的用户进行MME选择等功能。因此，SGSN是UTRAN、GERAN、E-UTRAN等网络UE在异构网间漫游时，支持UE网间切换的重要模块。3EPC接口功能分析[2]EPC架构秉承了控制与承载分离的理念，将传统3G分组域中SGSN的移动性管理、信令控制和媒体转发等功能分离出来，分别由两个新增网元MME和S-GW完成。其中，MME负责移动性管理和信令处理，S-GW负责媒体流处理及转发，而P-GW仍承担GGSN职能。由于取消了RNC网元，系统将其功能分别移到eNodeB和EPC中，简化了无线系统，压缩了用户平面，不仅使eNodeB可直接通过S1与MME、S-GW互通，还可使EPC用户平面节点在非漫游时合为一个，从而让EPC的网元职能合理有序，网元接口清晰透明(见图2)。S1-MME：E-UTRAN和MME间的控制平面协议参考点，支持SCTP和S1-AP协议；S1-U：E-UTRAN和S-GW间的用户平面协议参考点，支持UDP和GTP-U协议；S3：用户在空闲和激活状态下，负责不同3GPP接入网间的移动性信息交换，支持UDP和GTP-C协议；S4：提供GPRS核心网和3GPPS-GW锚点功能间的控制及移动性支持，若没有直接建立控制平面隧道，通过S4可提供一个用户平面隧道，支持UDP、GTP-C和GTP-U协议；S5：提供S-GW和P-GW间的用户平面隧道及隧道管理功能，当用户移动且S-GW需要连接一个非本地P-GW时，S5可提供S-GW重定位，支持UDP、GTP-C和GTP-U协议；S6a：MME和HHS间的接口，负责验证/授权用户访问网络的签约和授权信息传输，支持SCTP和Diameter协议；Gx：提供从PCRF到P-GW中PCEF的消息转换，支持TCP和Diameter协议；S8：提供跨PLMN参考点间的用户面和控制面的连接，主要是VPLMN中S-GW和HPLMN中PDNGW间的连接，而S5是同一个PLMN内部间的连接，支持UDP、GTP-C和GTP-U协议；S9：提供本地PCRF和漫游PCRF间的策略与计费控制信息传递，支持SCTP和Diameter协议；S10：MME池中MME间的参考点接口，支持UDP和GTP协议；S11：MME和S-GW间的参考点接口，支持UDP和GTP-C协议；S12：UTRAN和S-GW间的用户面隧