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[转载] EPC架构核心网组网方式分析 [复制链接]

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懒

发表于 2012-9-29 18:30:04 |显示全部楼层
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本帖最后由 爱卫生 于 2012-9-29 18:31 编辑

付费下载自CNKI论文期刊网。发表于《电信工程技术与标准化》2010年11期。

已分享至论坛城通网盘。下载地址:http://www.400gb.com/file/9731542

【摘要】:为适应无线网络引入LTE技术,核心网分组域将向EPC架构演进,EPC核心网采用控制与承载相分离的架构,其组网模式与现有分组域相比将发生变化。本文针对分组域核心网引入EPC技术后的网络特点,分析EPC核心网内、及其与其它网络间的组网方式,并提出相关建议。

【作者单位】: 中国移动通信集团设计院有限公司;

【关键词】: EPC 核心网 组网方式

【作者】:吕红卫  : 教授级高级工程师,现任中国移动通信集团设计院有限公司交换所所长,主要从事移动通信核心网络规划与咨询等工作。

冯征:高级工程师,现任中国移动通信集团设计院有限公司高级咨询设计师,主要从事移动通信核心网络规划与咨询等工作。

1 EPC标准引入背景

与无线技术演进相适应,2004年12月,3GPP在希腊雅典会议启动了面向全IP的分组域核心网的演进项目SAE(SystemArchitectureEvolution),并在WI阶段更新为EPC(EnvoledPacketCore)。3GPP基于
未来移动通信网络向全IP网络演进、接入方式呈现多样化的态势(UTRAN、GERAN、WiFi、WiMAX等),确定EPC标准的目标是构建一个具有高数据吞吐、低延迟、数据分组化、支持多种无线接入技术的系统架构,以更好地支持实时(包括话音业务)和非实时业务,并保证端到端QoS。3GPP于2009年3月完成R8Stage3标准制定工作,于2009年12月完成R9Stage3标准制定工作,与R8版本相比,R9版本主要针对SGSN Gn/Gp支持双栈等功能方面进行改进,目前各厂家即将具备商用条件的产品大多基于R8版本。随着LTE技术在移动无线网络中的引入,2G/3G分组域将向EPC架构演进,并推动移动网络向全IP网络演进。

2 EPC标准架构

EPC核心网主要由移动性管理设备(MME)、服务网关(S-GW)、分组数据网关(P-GW)及存储用户签约信息的HSS和策略控制单元(PCRF)等组成,其中S-GW和P-GW逻辑上分设,物理上可以合设,也可以分设,系统架构如图1所示。

图1EPC系统架构示意图

EPC核心网架构秉承了控制与承载分离的理念,将2G/3G分组域中SGSN的移动性管理、信令控制功能和媒体转发功能分离出来,分别由两个网元来完成,其中MME负责移动性管理、信令处理等功能,S-GW负责媒体流处理及转发等功能,P-GW则仍承担GGSN的职能。HSS的职能与HLR类似,但功能有所增强,新增的PCRF主要负责计费、QoS等策略。EPC架构中各功能实体间的接口协议均采用基于IP的协议,部分接口协议是由2G/3G分组域标准演进而来,部分协议则是新增的,如MME与HSS间S6接口的Diameter协议等。

3 EPC网络组网方式分析

EPC核心网采用控制承载相分离架构,核心网内及与无线网间的接口均基于IP承载,理论上所有网元均可经IP承载网直接互通,组成一个扁平网络,但在实际组网时,需结合管理维护、局数据设置、接口带宽配置等因素来考虑其组网方式,本节将基于这些因素,重点讨论EPC核心网与无线网间、EPC核心网及与其它核心网的网络组织方式。此外,考虑各运营商网络在网中引入EPC架构后主要是接入LTE网络,因此本文对其它无线网络接入的组网暂不涉及。

3.1 核心网元设置方式

MME主要负责控制层面信息的处理,为纯信令节点,不需要转发媒体数据,对传输带宽要求较小,在实际组网时宜采用集中设置的方式,一般以省为单位设置。S-GW主要负责连接eNodeB,以eNodeB之间的漫游/切换。P-GW主要负责连接外部数据网,以及用户IP地址管理、内容计费、在PCRF的控制下完成策略控制。从网元功能来看,S-GW、P-GW均负责用户媒体流的疏通,其设置与媒体流的流量和流向相关,应根据业务量及业务类型,选择集中或分散的方式,当业务量较小且不需提供语音类点对点业务时,可采用集中设置的方式,当某些本地网业务量较大或需提供点对点业务时,可将S/P-GW下移至本地网。此外,在业务量较小时,可将S-GW与P-GW综合设置。HSS负责存储用户数据、鉴权管理等功能,与HLR的功能类似,宜采用以省为单位集中设置的方式。PCRF主要负责QoS策略等功能,宜采用以省为单位集中设置方式,且应适应IMS核心网的组网模式。

3.2 核心网与无线网间组网方式

LTE无线系统中取消了RNC网元,将其功能分别移至基站eNodeB和核心网网元,eNodeB将直接与核心网互连,简化了无线系统的结构,但由于EPC采用控制与承载分离的架构,因此在业务处理过程中,eNodeB需通过S1接口分别与MME、S-GW互通。

3.2.1 eNodeB与MME间的互通

eNodeB与MME间采用S1接口主要互通控制信令信息,其间的网络组织有两种方案:

方案一:归属方式,即每个eNodeB固定由一个MME为之服务,点对点互连,如图2所示。

图2 eNodeB与MME组网方式示意图(归属方式)

该方案需在MME与其覆盖范围内的eNodeB间配置归属关系,通过IP承载网直接互连,这些eNodeB将用户发起的业务固定送到归属的MME进行处理。eNodeB与MME间配置归属关系的方式有静态耦联和
动态耦联两种,其中静态耦联是由MME和eNodeB相互预设对端耦联地址;动态耦联是由eNodeB预先配置MME地址,eNodeB主动发起耦联建链,MME保存eNodeB地址。

方案二:MMEPool方式,即每个eNodeB的业务由一组MME来处理,点对多点互连,如图3所示。

图3eNodeB与MME组网方式示意图(MME Pool方式)

该方案将网络中的多个MME组成Pool,一个eNodeB可与MMEPool中的多个MME互连,用户第一次附着在网络时,由eNodeB负责为用户选择1个MME,同时MME为用户分配一个标识(GUTI),来标识其归属的Pool及所在MME,正常情况下,用户在MME Pool服务范围漫游内时不再更换为之服务的MME。

方案一中MME与eNodeB间网络组织相对简单,对网元的功能要求较低。但该方案安全可靠性较低,当某一MME出现故障时,其覆盖区内eNodeB接入的业务均会受到影响;网内设有多个MME时,不能实现资源共享,会出现不同MME的负荷不均衡的情况。

方案二中由一组MME共同处理业务,具备容灾备份能力,网络安全可靠性较高;在3GPP关于EPC标准中定义的MMEPool与MSC/SGSNPool相比,增加了MME向eNodeB反馈其负荷状态的机制,由eNodeB根据各MME对应的负荷权重比例进行选择,可使Pool内的MME负荷相对均衡,资源利用率高。但该方案对eNodeB及MME的功能要求较高,eNodeB需具备为用户选择服务MME的节点选择功能;eNodeB与MME间的网络组织相对复杂;在实施容灾备份机制时,对于语音等业务,需考虑与IMS核心网配合解决被叫业务的问题。

从网络可靠性及技术发展角度,建议优选方案二。

实际组网时,可将一定区域内(一般以省为单位或省内分区)设置的MME组成Pool,这些MME与Pool内的eNodeB通过IP承载网互连,eNodeB按预先设定的选择原则来与相应MME互通。

3.2.2 eNodeB与S-GW间的互通

eNodeB与S-GW间采用S1-U接口,主要传送用户媒体流及用户发生跨eNodeB切换时的信息,其间的组网方式也有两种:

方式一:eNodeB与某个(或两个)S-GW配置归属关系并经IP承载网互连,其发起的业务由MME直接选择其归属的S-GW来疏通。

方式二:eNodeB与所属区域内的多个S-GW均经IP承载网互连,无归属关系,其业务由一组S-GW负荷分担地疏通。

方式一的优点是易于规划eNodeB与S-GW间的IP电路及配置接口带宽,局数据设置相对简单,对MME功能要求较低。其缺点是网络可靠性较低,当某一S-GW出现故障时,其服务的所有eNodeB接入的业务均将受到影响;不同eNodeB覆盖范围内业务量不均衡时,其归属的S-GW的负荷也将出现不均衡的现象,不能有效利用资源;另外,当用户在不同eNodeB覆盖范围内进行业务切换时,需切换到其它S-GW为之服务,增加了信令处理需求。

方式二的优点是网络可靠性高,通过DNS和MME的数据配置,可以实现S-GW的冗灾备份;当用户在一组S-GW服务区域内发生跨eNodeB业务切换时,仍由原S-GW服务,可相对减少信令交互;一组S-GW采用负荷分担方式工作,可避免服务区域内不同eNodeB接入业务量不均衡带来的问题,资源利用率高。其缺点是不易于规划eNodeB与S-GW间的IP传输电路,接口带宽配置核算相对较难;对MME的功能要求较高,需要具备负荷分担选择S-GW的功能。

综合上述分析,方式二优势较明显,建议采用。

在实际组网时,当省内S-GW集中设置且数量较少时,可将这些S-GW设置在同一组内,共同为省内的eNodeB服务;当S-GW集中设置但数量较多时,可根据省内本地网划分、各地LTE业务量情况,将S-GW分为多个组,每一组分别为所辖区域内的eNodeB服务;当S-GW下放到本地网时,则将同一本地网内的S-GW设为群组,只处理所辖本地网内eNodeB的业务。

3.3核心网内组网方式

3.3.1MME间及MME与S-GW/P-GW间的互通

与2G/TD分组域不同,在LTE用户附着时,EPC网络即为LTE用户建立LTE用户—eNodeB—S-GW—P-GW的默认承载,MME需为LTE用户选择P-GW和S-GW。MME收到用户附着请求或PDN连接请求消息后,MME从该用户在HSS中的签约信息中获取APN,向DNS获取该APN对应的S-GW和P-GW地址列表,再根据配置的策略选择最优的S-GW和P-GW组合,为用户建立默认承载。从上述过程来看,MME选择S/P-GW需根据DNS解析的结果来实现,同样MME间的选择也需通过DNS,因此在实际组网时不需特别规划其间的组网方式,只需在MME、DNS等节点配置相关数据,网元间经IP承载网直接互连。

3.3.2MME与HSS间互通

EPC核心网中MME与HSS间采用Diameter协议互通,完成用户接入认证、插入用户签约数据、对用户接入PDN进行授权等功能。对于同一本地网内的MME与HSS间可采用静态配置数据方式,直接经IP承载网互连;对于跨本地网及跨省的MME与HSS的网络组织方案有以下3种。

方案一:MME静态配置HSS地址数据;需MME配置外地所有HSS的地址(与LTEIMSI号码段有对应关系)。

方案二:通过DNS寻址;即由DNS根据LTE IMSI号码或其它信息解析出HSS的设备标识(主机名)或IP地址,返回给MME。

方案三:Diameter代理中继方式,即在网中设置Diameter代理中继服务器来转接MME与HSS间的Diameter信令,如图4所示。

图4 Diameter代理中继方式

对于方案一,MME与HSS间可直接互通信令,信令传送时延较小,服务质量较高,但该方案适合MME与HSS数量较少,网络规模较小的情况。当EPC网络规模比较大、网内MME和HSS较多时,MME需配置大量路由数据,且每当网内新增HSS时,均需MME增加相应的数据,网络维护工作量大,不利于网元的稳定。

对于方案二,由DNS负责解析相应节点的地址并反馈给MME,MME的数据配置相对简单,且MME直接与HSS进行信令消息的交互,但在跨省寻址时,需要经多个DNS进行解析,特别是方式二,需经多级DNS解析地址,信令传送时延较长;当网络规模较大时,对DNS的解析能力要求较高。

对于方案三,Diameter代理中继类似于七号信令网中的STP,转接MME与HSS间的Diameter信令,MME的数据配置也相对简单,HSS、MME拓扑对外隐藏,安全性高;但Diameter信令需经多个节点转接,传送时延将较长,且需考虑Diameter代理中继的设置和组网问题,在网络规模较小时,设置独立的Diameter代理中继服务器不太经济。

根据上述3个方案的特点可看出,方案一适用于网络规模小的情况。方案二和方案三均为转接方式,其区别在于,方案三由Diameter中继代理完成信令转接功能,需分析Diameter信令消息中的路由信息,并根据其选路并进行消息转接;而方案二中DNS只根据IMSI或其它信息解析出相关地址信息反馈MME,并不分析Diameter信令消息。相比较而言,方案三是电信网中较为传统的信令转接方案,依托于现有七号信令网成熟的架构和信令转接模式,可保证较好的业务质量;方案二是IP网中常用的寻址方案,当信令消息转接量较大时,DNS的解析能力可能会成为瓶颈。因此宜优选方案三。

此外,该方案有利于当网中设置了多个PCRF节点时,不同PCRF节点间Diameter信令消息的转接。对于Diameter中继代理节点的设置,有3种方式可选择:

方式一:全国集中设置;

方式二:分大区设置;

方式三:以省为单位设置。

具体采用哪种方式,需结合EPC网络建设范围和建设规模来选择。为了保证网络安全可靠,Diameter中继代理节点应成对设置。

3.4与其他网络间组网方式

3.4.1与2G/3G核心网间互连

从技术发展和网络建设来看,LTE/EPC网络在现网中的布署将是一个渐进的过程,必将有与2G/3G网络并存的阶段,而且在LTE网络建设初期,需通过现有2G/3G网络来弥补其覆盖范围有限的问题,使LTE用户在无LTE覆盖的区域内仍能接入到2G/3G网络继续使用业务,保证业务的连接性,因此要求EPC与2G/3G核心网互连。

EPC与2G/3G分组域间直接通过IP承载网实现互连,若EPC核心网与2G/3G分组域承载在不同的IP承载网时,两网间的互通可通过设置BG的方式来实现。当提供一些特定业务如短信业务时,要求EPC与
2G/3G电路域互连,MME与MSCServer间SGs接口可以通过IP承载网实现互连,HSS设备需具备No.7信令接口,通过No.7信令网与短信中心互连。

3.4.2 与IMS核心网及其他外部数据网间互连

EPC核心网需与IMS核心网及其它外部数据网互连,以便为LTE用户提供IMS业务和其它数据业务,P-GW经SGi接口与这些网通过IP承载网实现互连。

4 结束语

EPC核心网虽可由2G/3G分组域演进而来,但因其网络架构发生变化,组网方式与现有分组域有所不同,本文根据EPC技术特点,对其网元设置方式、核心网及与其它网间组网方式进行了分析和探讨,并提出了相应的组网方案,可为运营商布署EPC网络提供参考,但在实际组网中还有一些细节问题有待进一步研究。

参考文献
[1] TS23.002V9.0.0 Network Architecture(Release9)
[2] TS23.401V9.1.0GPRS Enhancements for E-UTRAN Access(Release9
[3] 中国移动集团设计院有限公司.现有GPRS向SAE演进方案研究.2009,12

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发表于 2013-5-20 09:59:45 |显示全部楼层
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