基于EPC离线计费系统的研究

爱卫生

付费下载自CNKI论文期刊网。发表于《现代电信科技》2012年05期。

已分享至论坛城通网盘，下载地址：http://www.400gb.com/file/9777356。

【作者】 刘小花;

【作者单位】 南京邮电大学电子科学与工程学院;

【关键词】 演进分组核心网; 离线计费; 计费数据报告;

【摘要】 3GPP提出的演进分组核心网(EPC)是一种新的全IP核心网,其计费逻辑体系包括两种机制:离线计费(Offline Charging)和在线计费(On-line Charging)。首先介绍了EPC网络的总体架构,随后具体研究了基于EPC离线计费的系统框架、计费话单触发条件和内容计费的实现策略,最后阐述了离线计费流程。

无线接入技术的融合使得全IP核心网受到越来越广泛的关注，国际规范组织3GPP在R8版本研究LTE技术过程中，提出了演进分组核心网（EPC）系统。它是一个全 IP的端到端架构，可以灵活支持各种不同的移动无线接入网。EPC不仅可以支持3GPP的无线接入网，如GSM、WCDMA、TD-SCDAM、LTE，还可以支持3GPP2的CDMA 及其演进技术，甚至还可以支持不可信任的非3GPP技术，如WLAN等。

EPC核心网架构如图1所示，其主要由移动管理实体（MME）服务网关（S-GW）分组数据网网关（P-GW）策略与计费规则功能实体（PCRF）归属用户服务器（HSS）等功能单元组成[1] 。

其中S-GW和P-GW可以合设，也可以分设。其架构秉承了控制和承载分离的理念，将分组域中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(GatewayGPRSSupportNode)的职能。LTE无线系统中取消了无线网络控制器（RNC），将其功能分别移至演进型NodeB（eNB）和核心网网元，eNB将直接通过S1接口与MME、S-GW互通，简化了无线系统的结构。

EPC网络提供了基于承载的离线计费和在线计费机制，也就是我们通常讲的后付费和预付费。为了支持这些计费机制，EPC网络会对网络资源进行实时监控，检测相关计费事件。离线计费在资源应用完后，从网络到计费域的计费报告才产生。在线计费用户在应用请求网络资源前需要查询是否有足够的信用额度。

典型的网络资源应用实例有基于时长的语音通话、基于数据流量上网等。请求应用网络资源可以由用户终端来发起也可由网络侧发起。

对于同一计费事件，离线计费和在线计费可同时存在也可单独存在。

1 基于EPC离线计费系统

1.1 系统架构

离线计费处理过程是应用网络资源的计费信息的收集和资源应用同时发生。需要进行话单采集，而不是实时与服务网元进行交互，在接收到话单之后对话单进行实时批价，然后再进行实时累账，并对客户的账户进行相应处理。话单采集的速度受限于服务网元生成话单的速度和方式。其优点是可以建立统一的客户模型，对客户进行统一管理，同时可以支持非常灵活的业务模式，在统一的离线计费模式下，融合计费也可以得到很好的支持。但是由于不具备实时控制机制，存在用户透支的可能性，容易产生欠费问题，导致收入流失[2] 。当然通过采取一些辅助手段，比如说余额监控、分段话单等，也可以在一定程度上尽量降低这种风险。

基于EPC离线计费系统框架图如图2所示。

在网元中，CTF（Charging Trigger Function）收集和计费事件相关的信息，集合计费事件和计费信息并将计费事件传送到CDF(Charging Data Function)。 包括如下两个功能[3] ：

- 计费规则收集（Accounting Metrics Collection）：触发条件用于收集计费信息；信息元的收集；监控服务事件、信令或用户流量；关联服务/承载/会话。

- 计费数据传送（Accounting Data Forwarding）：在计费系统设计时，可以将CTF和CDF都嵌在网元中，即CDF可以通过网元内部消息接收来自CTF的计费事件。如果CDF与CTF分离，则CTF和CDF 以标准Rf口相连，随后使用包含在计费事件中的信息生成计费数据报告（CDR）。

CDR被立刻通过Ga参考点传到CGF(Charging Gateway Funciton)，CGF是3GPP网络和计费域中间的一个网关，CGF和BD之间的参考节点是Bx。其主要功能有：

- 非实时从CDF接收CDR；

- CDR前处理，包括确认、合并和编解码CDR；

- CDR错误处理以及存储的CDR；

- CDR路由和过滤；

- CDR文件管理并将CDR文件传输到BD。

1.2  话单产生条件

在EPC网络中，CDF能够产生以下两种话单：

- SGW-CDR：基于S-GW信息产生的话单；

- PGW-CDR：基于PDN-GW信息产生的话单

SGSN、PDN-GW和S-GW是基于IP连接访问网络（IP-CAN)承载上下文收集计费信息，包括 UE/MS的发送接收的数据流量、承载上下文的QCI 和ARP信息。用户可以根据国际移动用户识别码（IMSI）区分，PDN-GW在创建IP-CAN承载上下文时，同时产生唯一的计费ID（ChargingID），并转发给 S-GW/SGSN，这样保证S-GW/SGSN产生的CDR可以与PDN-GW的CDR在计费系统内关联起来。

这里，CTF和CDF都放到同一网元中，通过内部消息触发计费，触发离线计费出话单的事件有以下几种[4] （实际应用过程中S-GWP-GW可根据配置来决定是否出话单）

- 创建IP-CAN承载：每创建一个IP-CAN承载，会生成一个新的CDR，以收集通过该IP承载的所有流量信息，计费开始。话单中有承载计费开始标识符。

- 删除IP-CAN承载：关闭该承载对应的CDR，计费结束。话单中有承载计费关闭标识符。

- 跟踪区更新

-SGSN切换/SGW切换：在SGSN/S-GW中 CDR关闭，在PDN-GW中新的SGSN/S-GW地址加入到CDR中；

-MME切换：在S-GW中新的MME地址加入到CDR中；

-SGSN切换MME：在SGSN中CDR关闭，在 S-GW新的MME地址加入到CDR中。

- IP-CAN承载参数改变

-PDN-GW中PLMN改变、MS时区发生改变：触发老的CDR关闭，如果IP-CAN承载还处于激活状态，则打开新的CDR；

-S-GW/PDN-GW内计费条件（QoS)改变，费率改变等：该事件触发当前流量保持，新的流量计数开始；

- 网元配置时间/流量门限超时：当CDR中时间/流量字段达到配置数值，触发老的CDR关闭，如果IP-CAN承载还处于激活状态，则打开新的 CDR；

- 管理干涉强制触发计费事件，通过管理命令出 CDR 。

1.3 内容计费

原分组域的计费机制是基于时长、流量及PDP （APN和QoS）的，但移动互联网应用的不断增多使得这些传统的计费机制已经不能满足运营商的计费需求，因此引入了基于流的计费机制（FBC：Flow BasedCharging），也就是我们通常所说的内容计费。它可以根据用户的业务数据流（即内容）来应用不同的资费。FBC通过PCC（Policy Control and Charging）中的服务数据流过滤器（service data flow filter）来区分用户上/下行数据中的业务流，应用相对应的计费特性。过滤规则由运营商制定，一般采用五元组（源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号和协议ID）结构来定义。

目前PCC架构融合了R6中的策略控制和基于流的计费控制架构，其网络结构如图3所示。

其中PCRF向PCEF提供关于服务数据流的检测、门控、QoS和基于流计费的网络控制功能。PCRF 决定一个服务数据流如何在PCEF中处理，保证 PCEF用户业务映射和处理是按照用户签约档案的要求进行。在EPC核心网中，PCEF是集成在P-GW 中的一个逻辑功能实体，其主要功能是：服务数据流的检测、策略执行和基于流的计费功能。

经过P-GW的上下行分组数据包按照运营商制定的内容计费规则过滤，依据过滤结果，在PGW-CDR的List of Service Data域[5] 记录其业务类型标识，以方便计费中心识别。

2 基于EPC离线计费流程

IP-CAN会话建立触发离线计费流程如下（如图4所示）。

（1）P-GW（PCEF）收到一个请求建立IP-CAN 会话。P-GW（PCEF）接受请求，并给用户分配一个 IP地址。

（2）根据计费方式，如果是内容计费，PCEF决定要求进行PCC认证，请求认证允许的业务和PCC规则信息。在PCEF中包含以下信息：IP-CAN 类型、以及（如果有的话）默认计费方式和支持的IP-CAN承载建立模式。

（3）如果PCRF中没有该用户相关的签约信息，向SPR发送请求以获取和IP-CAN会话有关的信息。PCRF提供用户的标识、以及（如果有）PDN标识给SPR， PCRF还可以要求SPR在签约信息变更时发送通知。

（4）收到SPR用户签约信息后，PCRF保存相关的信息（包含允许使用的业务和PCC规则信息）。

（5）PCRF做出认证和策略决定。

（6）PCRF将决定（包括选择的IP-CAN承载建立模式）发送给PCEF，PCEF执行这些决定。

（7）PCC认证成功（针对内容计费），IP地址等分配成功，P-GW（PCEF）给S-GW回送IP-CAN承载建立请求的响应消息，同时向CG（计费网关）发送话单。

（8）S-GW收到IP-CAN承载建立请求的响应消息后，向CG发送话单。

另外，IP-CAN承载更新、IP-CAN承载删除、IP-CAN会话终止（用户终端发起或网络侧发起）都会触发向CG发送话单。

在图4中，S-GWP-GW与CG之间用到的协议是GTP'计费协议，实际应用中P-GW也可和 AAA服务器通过RADIUS/Diameter协议交互认证计费信息。

GTP'协议以GTP（GPRS隧道协议）协议为基础，针对计费问题做了相应的补充和修正GTP'协议包括如下功能[6] ：

- 在网元（P-GWS-GW等）与CG之间传送 CDR；

- 如果一个CG出现问题后，可将CDR重定向到另一个CG；

- 检测CDR传输通路正常与否。

当核心网相关网元或CG从不可用状态恢复为正常状态后，它能够通知对端可以恢复数据的传送。

3 结语

随着无线接入技术的融合，EPC网络将统一承载数据业务和语音等实时性要求高的业务。基于EPC离线计费系统具有处理流程简单、客户管理方便、触发话单条件配置灵活等特点，此外可根据实际需要加入内容计费，使得离线计费可以支持更多的业务模式。但离线计费方式有时会导致用户产生不同程度的欠费，目前对于移动业务仍难以防范用户的恶意欠费，因此现在的计费系统一般是离线计费和在线计费相结合使用。

参考文献

[1] 3GPP TS23.401. General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E- UTRAN) ac- cess[S], 2011.

[2]汪海鹏,鲁春丛.移动融合计费发展[J].卫星与网络， 2007： 44- 46.

[3]3GPP TS32.240. Telecommunication management; Charging manage- ment; ChargingArchitecture and Principles[S], 2011.

[4] 3GPP TS32.251. Charging managementacket Switched (PS) domain charging[S], 2010.

[5] 3GPP TS32.298. Telecommunication management; Charging manage- ment; ChargingData Record (CDR) parameter description[S], 2010.

[6] 3GPP TS32.295. Telecommunication management; Charging manage- ment; ChargingData Record (CDR) transfer[S], 2011.

[7] 3GPP TS23.203.Policy and charging control architecture[S], 2011.