Эволюция системной архитектуры

Архитектура системы Evolution ( SAE ) является ядром архитектуры сети мобильной группы Коммуникационный протокол 3GPP «s LTE стандарт беспроводной связи.

SAE - это эволюция базовой сети GPRS , но с упрощенной архитектурой; полностью IP-сеть (AIPN); поддержка сетей радиодоступа (RAN) с более высокой пропускной способностью и меньшей задержкой ; и поддержка и мобильность между несколькими разнородными сетями доступа, включая E-UTRA ( LTE и улучшенный радиоинтерфейс LTE ) и унаследованные системы 3GPP (например, GERAN или UTRAN , радиоинтерфейсы GPRS и UMTS соответственно), но также не Системы 3GPP (например, Wi-Fi , WiMAX или CDMA2000 ).

Архитектура SAE [ править ]

SAE имеет плоскую архитектуру, полностью основанную на IP, с разделением трафика плоскости управления и плоскости пользователя.

Основным компонентом архитектуры SAE является Evolved Packet Core ( EPC ), также известное как SAE Core . EPC будет служить эквивалентом сетей GPRS (через подкомпоненты объекта управления мобильностью , обслуживающего шлюза и шлюза PDN ).

Evolved Packet Core (EPC) [ править ]

Узлы и интерфейсы EPC

Подкомпоненты EPC: ^{[1] [2]}

MME (объект управления мобильностью) [ править ]

MME является ключевым управляющим узлом для сети доступа LTE. Он отвечает за процедуру пейджинга и тегирования пользовательского оборудования (UE) в режиме ожидания, включая повторные передачи. Он участвует в процессе активации / деактивации канала-носителя, а также отвечает за выбор обслуживающего шлюза для UE при начальном подключении и во время передачи обслуживания внутри LTE, включая перемещение узла базовой сети (CN). Он отвечает за аутентификацию пользователя (путем взаимодействия с домашним сервером подписчика ). В Номера слоя доступа (NAS) сигнализации заканчивается в MME и это также отвечает за генерацию и распределение временных идентификаторов для UE. Он проверяет авторизацию UE для размещения в общедоступной наземной мобильной сети поставщика услуг.(PLMN) и обеспечивает соблюдение ограничений роуминга UE. MME является конечной точкой в ​​сети для шифрования / защиты целостности для сигнализации NAS и обрабатывает управление ключами безопасности. Законный перехват сигнализации также поддерживается MME. MME также обеспечивает функцию плоскости управления для мобильности между сетями доступа LTE и 2G / 3G с интерфейсом S3, заканчивающимся в MME от SGSN . MME также завершает интерфейс S6a по направлению к HSS для перемещаемых UE.

SGW (обслуживающий шлюз) [ править ]

Обслуживающий шлюз маршрутизирует и пересылает пакеты данных пользователя, а также действует как якорь мобильности для пользовательской плоскости во время передачи обслуживания между eNodeB и как якорь для мобильности между LTE и другими технологиями 3GPP (завершение интерфейса S4 и ретрансляция трафика между 2G / 3G системы и шлюз сети пакетной передачи данных). Для пользовательского оборудования в состоянии ожидания обслуживающий шлюз завершает путь передачи данных по нисходящей линии связи и запускает пейджинг, когда данные по нисходящей линии связи прибывают для пользовательского оборудования. Он управляет и хранит контексты UE, например параметры службы IP-носителя, информацию внутренней маршрутизации сети. Также он выполняет репликацию пользовательского трафика в случае законного перехвата.

PGW (шлюз сети пакетных данных) [ править ]

Шлюз сети пакетной передачи данных (шлюз PDN, также PGW) обеспечивает возможность соединения пользовательского оборудования (UE) с внешними сетями пакетной передачи данных (PDN), являясь его точкой выхода и входа трафика. Часть пользовательского оборудования может иметь одновременное соединение с более чем одним шлюзом сети пакетной передачи данных для доступа к нескольким сетям пакетной передачи данных. Шлюз PDN выполняет принудительное применение политик, фильтрацию пакетов для каждого пользователя, поддержку тарификации, законный перехват и фильтрацию пакетов. Другая ключевая роль шлюза сети пакетной передачи данных - действовать в качестве якоря для мобильности между технологиями 3GPP и не-3GPP, такими как WiMAX и 3GPP2 (CDMA 1X и EvDO ).

HSS (домашний сервер подписчика) [ править ]

Home Subscriber Сервер является центральной базой данных , которая содержит связанные с пользователем и подпиской информации , связанной с . Функции HSS включают в себя такие функции, как управление мобильностью, поддержка установления вызовов и сеансов, аутентификация пользователя и авторизация доступа. HSS основан на регистре домашнего местоположения (HLR) до Rel-4 и Центре аутентификации (AuC).

ANDSF (функция обнаружения и выбора сети доступа) [ править ]

ANDSF предоставляет информацию о UE подключения к 3GPP и сети доступа не-3GPP (например, Wi-Fi). Цель ANDSF состоит в том, чтобы помочь UE обнаружить сети доступа в их окрестностях и предоставить правила (политики) для определения приоритетов и управления подключениями к этим сетям.

ePDG (усовершенствованный шлюз пакетных данных) [ править ]

Основная функция ePDG - защищать передачу данных с UE, подключенным к EPC, через ненадежный доступ, не связанный с 3GPP, например VoWi-Fi. Для этого ePDG действует как конечный узел туннелей IPsec, установленных с UE.

Протоколы уровня без доступа (NAS) [ править ]

Протоколы уровня без доступа (NAS) образуют высший слой плоскости управления между пользовательским оборудованием (UE) и MME. ^[3] Протоколы NAS поддерживают мобильность UE и процедуры управления сеансом для установления и поддержания IP-соединения между UE и PDN GW. Они определяют правила отображения между параметрами во время межсистемной мобильности с сетями 3G или сетями доступа не-3GPP. Они также обеспечивают безопасность NAS за счет защиты целостности и шифрования сигнальных сообщений NAS. EPS обеспечивает абонента «готовым к использованию» IP-подключением и «постоянным подключением» за счет связывания между процедурами управления мобильностью и сеансом во время процедуры присоединения UE.

Полные транзакции NAS состоят из определенных последовательностей элементарных процедур с протоколами EPS Mobility Management (EMM) и EPS Session Management (ESM).

EMM (EPS Mobility Management) [ править ]

Протокол управления мобильностью (EMM) EPS (развитой пакетной системы) обеспечивает процедуры для управления мобильностью, когда пользовательское оборудование (UE) использует усовершенствованную наземную сеть радиодоступа UMTS (E-UTRAN). Он также обеспечивает контроль безопасности протоколов NAS.

EMM включает в себя различные типы процедур, такие как:

• Общие процедуры EMM - всегда могут быть инициированы, пока существует сигнальное соединение NAS. Процедуры, относящиеся к этому типу, инициируются сетью. Они включают в себя перераспределение GUTI, аутентификацию, управление режимом безопасности, идентификацию и информацию EMM.
• Специальные процедуры EMM - только для UE. В любое время может выполняться только одна инициированная UE специфическая процедура EMM. К процедурам, относящимся к этому типу, относятся присоединение и комбинированное присоединение, отсоединение или комбинированное отсоединение, обычное обновление области отслеживания и обновление комбинированной области отслеживания (только в режиме S1) и периодическое обновление области отслеживания (только в режиме S1).
• Процедуры управления соединением EMM - управляйте соединением UE с сетью:
  • Запрос на обслуживание: инициируется UE и используется для установления безопасного соединения с сетью или для запроса резервирования ресурсов для отправки данных, или того и другого.
  • Процедура пейджинга: инициируется сетью и используется для запроса на установление сигнального соединения NAS или для побуждения UE к повторному подключению, если это необходимо в результате сбоя сети.
  • Транспортировка сообщений NAS: инициируется UE или сетью и используется для транспортировки SMS-сообщений .
  • Общая транспортировка сообщений NAS: инициируется UE или сетью и используется для транспортировки протокольных сообщений от других приложений.

UE и сеть выполняют процедуру присоединения, процедуру активации контекста носителя EPS по умолчанию параллельно. Во время процедуры присоединения EPS сеть активирует контекст носителя EPS по умолчанию. Сообщения управления сеансом EPS для активации контекста канала-носителя EPS по умолчанию передаются в информационном элементе сообщений управления мобильностью EPS. UE и сеть завершают объединенную процедуру активации контекста носителя EPS по умолчанию и процедуру присоединения до того, как завершится процедура активации выделенного контекста носителя EPS. Успех процедуры присоединения зависит от успеха процедуры активации контекста носителя EPS по умолчанию. Если процедура присоединения терпит неудачу, то процедуры управления сеансом ESM также терпят неудачу.

ESM (Управление сеансом EPS) [ править ]

Протокол управления сеансом EPS (ESM) предоставляет процедуры для обработки контекстов канала-носителя EPS. Вместе с управлением однонаправленным каналом , обеспечиваемым слоем доступа , он обеспечивает управление однонаправленными каналами плоскости пользователя. Передача сообщений ESM приостанавливается во время процедур EMM, за исключением процедуры присоединения.

Канал-носитель EPS: каждый контекст канала-носителя EPS представляет канал-носитель EPS между UE и PDN. Контексты однонаправленного канала EPS могут оставаться активными, даже если радиоканалы и однонаправленные каналы S1, составляющие соответствующие однонаправленные каналы EPS между UE и MME, временно освобождены. Контекст носителя EPS может быть либо контекстом носителя по умолчанию, либо контекстом выделенного носителя. Контекст носителя EPS по умолчанию активируется, когда UE запрашивает соединение с PDN. Первый контекст носителя EPS по умолчанию активируется во время процедуры присоединения EPS. Кроме того, сеть может активировать один или несколько выделенных контекстов носителя EPS параллельно.

Как правило, процедуры ESM могут выполняться только в том случае, если контекст EMM был установлен между UE и MME, и безопасный обмен сообщениями NAS был инициирован MME с использованием процедур EMM. Как только UE успешно присоединено, UE может запросить MME установить соединения с дополнительными PDN. Для каждого дополнительного соединения MME активирует отдельный контекст носителя EPS по умолчанию. Контекст носителя EPS по умолчанию остается активным в течение всего времени существования соединения с PDN.

Типы процедур ESM: ESM включает в себя различные типы процедур, такие как:

• Процедуры контекстов носителя EPS - инициируются сетью и используются для управления контекстами носителя EPS, включая активацию контекста носителя EPS по умолчанию, активацию выделенного контекста носителя EPS, модификацию контекста носителя EPS, деактивацию контекста носителя EPS.
• Связанные с транзакцией процедуры - инициируются UE для запроса ресурсов, т. Е. Нового соединения PDN или выделенных ресурсов переноса, или для освобождения этих ресурсов. Они включают в себя процедуру подключения PDN, процедуру отключения PDN, процедуру выделения ресурсов канала-носителя, процедуру изменения ресурса канала-носителя.

MME поддерживает контекст EMM и контекстную информацию носителя EPS для UE в состояниях ECM-IDLE, ECM CONNECTED и EMM-ЛИКВИДИРОВАНО БИЗНЕС.

Стек протокола EPC [ править ]

Протоколы MME (Mobility Management Entity) [ править ]

Стек протокола MME состоит из:

1. Стек S1-MME для поддержки интерфейса S1-MME с eNodeB
2. Стек S11 для поддержки интерфейса S11 с обслуживающим шлюзом

MME поддерживает интерфейс S1 с eNodeB. Интегрированный стек интерфейса S1 MME состоит из IP , SCTP , S1AP.

• SCTP (Stream Control Transmission Protocol) - это общий транспортный протокол, который использует услуги Интернет-протокола (IP) для предоставления надежной службы доставки дейтаграмм модулям адаптации, таким как S1AP. SCTP обеспечивает надежную и последовательную доставку поверх существующей инфраструктуры IP. Основными функциями, предоставляемыми SCTP, являются:
  • Настройка ассоциации : ассоциация - это соединение, которое устанавливается между двумя конечными точками для передачи данных, очень похоже на соединение TCP. Ассоциация SCTP может иметь несколько адресов на каждом конце.
  • Надежная доставка данных : доставляет упорядоченные данные в потоке (устранение блокировки начала линии): SCTP обеспечивает последовательную доставку данных с несколькими однонаправленными потоками, не блокируя порции данных в другом направлении.
• S1AP (S1 Application Part) - это служба сигнализации между E-UTRAN и Evolved Packet Core (EPC), которая выполняет функции интерфейса S1, такие как функции управления каналом SAE, функция передачи начального контекста, функции мобильности для UE, пейджинг, функции сброса, Транспортная функция сигнализации NAS, сообщение об ошибках, функция освобождения контекста UE, передача статуса.

MME поддерживает интерфейс S11 с обслуживающим шлюзом. Интегрированный стек интерфейса S11 состоит из IP , UDP , eGTP-C .

Протоколы SGW (обслуживающего шлюза) [ править ]

SGW состоит из

1. Стек плоскости управления S11 для поддержки интерфейса S11 с MME
2. Стеки уровня управления и данных S5 / S8 для поддержки интерфейса S5 / S8 с PGW
3. Стек плоскости данных S1 для поддержки интерфейса плоскости пользователя S1 с eNodeB
4. Стек плоскости данных S4 для поддержки интерфейса плоскости пользователя S4 между RNC UMTS и SGW eNodeB
5. Sxa: начиная с версии 14 3GPP, интерфейс Sx и связанный с ним протокол PFCP были добавлены в SGW, что позволило разделить плоскость пользователя управления между SGW-C и SGW-U.

SGW поддерживает интерфейс S11 с MME и интерфейс S5 / S8 с PGW. Интегрированный стек плоскости управления для этих интерфейсов состоит из IP , UDP , eGTP-C .

SGW поддерживает интерфейс S1-U с eNodeB и интерфейс плоскости данных S5 / S8 с PGW. Интегрированный стек плоскости данных для этих интерфейсов состоит из IP , UDP , eGTP-U .

Протоколы PGW (шлюз сети пакетных данных) [ править ]

P-GW поддерживает следующие основные интерфейсы:

1. S5 / S8: этот интерфейс определяется между S-GW и P-GW. Он называется S5, когда S-GW и P-GW расположены в одной и той же сети (сценарий без роуминга), и S8, когда S-GW находится в гостевой сети, а P-GW в домашней сети (роуминг сценарий). Протоколы eGTP-C и GTP-U используются в интерфейсе S5 / S8.
2. Gz: этот интерфейс используется P-GW для связи с автономной системой начисления платы (OFCS), в основном для отправки записей данных о начислении платы (CDR) пользователей с постоплатой через FTP .
3. Gy: этот интерфейс используется P-GW для связи с системой онлайн-тарификации (OCS). P-GW информирует систему тарификации о полезной нагрузке предварительно оплаченных пользователей в режиме реального времени. Протокол Diameter используется в интерфейсе Gy.
4. Gx: этот интерфейс используется P-GW для связи с функцией правил политики и тарификации (PCRF) для обработки правил правил политики и тарификации (PCC). Эти правила содержат информацию о начислении платы, а также параметры качества обслуживания (QoS), которые будут использоваться при установлении канала-носителя. Протокол Diameter используется в интерфейсе Gx.
5. SGi: этот интерфейс определяется между P-GW и внешними сетями, например, доступ в Интернет, корпоративный доступ и т. Д.
6. Sxb: начиная с версии 14 3GPP, интерфейс Sx и связанный с ним протокол PFCP были добавлены к PGW, что позволило разделить плоскость пользователя управления между PGW-C и PGW-U.

Поддержка голосовых сервисов и SMS [ править ]

EPC - это базовая сеть, работающая только с пакетами. У него нет домена с коммутацией каналов , который традиционно используется для телефонных звонков и SMS .

Поддержка голосовых сервисов в EPC [ править ]

3GPP определил два решения для голоса:

• IMS : Решение для IMS Voice over IP было указано в Rel-7.
• Откат с коммутацией каналов (CSFB) : чтобы совершать или принимать вызовы, UE меняет свою технологию радиодоступа с LTE на технологию 2G / 3G, которая поддерживает услуги с коммутацией каналов. Для этой функции требуется покрытие 2G / 3G. Требуется новый интерфейс (называемый SG) между MME и MSC . Эта функция была разработана в Rel-8.

Поддержка SMS-сервисов в EPC [ править ]

3GPP определил три решения для SMS:

• IMS : Решение для SMS через IP было указано в Rel-7.
• SMS через SG : для этого решения требуется интерфейс SG, представленный во время работы над CSFB. SMS доставляются в слой без доступа через LTE. Нет никаких межсистемных изменений для отправки или получения SMS. Эта функция была указана в Rel-8.
• SMS через SGd : для этого решения требуется интерфейс SGd Diameter в MME и доставляет SMS в слой без доступа через LTE, не требуя полной сигнализации, ни унаследованного MSC, выполняющего CSFB, ни служебных данных, связанных с сигнализацией IMS и связанным с ним каналом EPC. управление.

CSFB и SMS через SG рассматриваются как временные решения, в долгосрочной перспективе - IMS . ^[4]

Сети множественного доступа [ править ]

UE может подключаться к EPC, используя несколько технологий доступа. Эти технологии доступа состоят из:

• Доступы 3GPP : эти технологии доступа определены 3GPP . Они включают GPRS , UMTS , EDGE , HSPA , LTE и LTE Advanced .
• Доступы, не относящиеся к 3GPP : эти технологии доступа не указаны в 3GPP . Они включают такие технологии, как cdma2000 , WiFi или фиксированные сети. 3GPP определяет два класса технологий доступа, отличных от 3GPP, с разными механизмами безопасности:
  • доверенные доступы , которые сетевой оператор считает надежными с точки зрения безопасности (например, сеть cdma2000 ). Надежный не-3GPP обращается к интерфейсу напрямую с сетью.
  • ненадежный доступ , который сетевой оператор не считает надежным с точки зрения безопасности (например, соединение через общедоступную точку доступа Wi-Fi). Недоверенный доступ, не связанный с 3GPP, подключается к сети через ePDG, который обеспечивает дополнительные механизмы безопасности ( туннелирование IPsec ).

Оператор сети должен решить, следует ли доверять технологии доступа, отличной от 3GPP.

Стоит отметить, что эти категории доверенных / ненадежных не применяются к доступам 3GPP.

Выпуски 3GPP [ править ]

3GPP предоставляет стандарты в параллельных выпусках, которые составляют согласованные наборы спецификаций и функций.

Дальнейшее чтение [ править ]

• Страница 3GPP в SAE
• 3GPP TS 23.401: Улучшения службы пакетной радиосвязи общего назначения (GPRS) для доступа к развитой универсальной наземной сети радиодоступа (E-UTRAN)
• 3GPP TS 23.402: Улучшения архитектуры для доступа не-3GPP
• Обзор 3GPP LTE-SAE, Ульрих Барт (SAE в 2006 г.)

См. Также [ править ]

• LTE
• Подсистема IP-мультимедиа

Ссылки [ править ]

• Белая книга LTE: «Долгосрочное развитие (LTE): технический обзор» (PDF) . Motorola.
• Стратегическая Белая книга: «Введение в Evolved Packet Core» (PDF) . Alcatel-Lucent. Архивировано из оригинального (PDF) 26 мая 2012 года. CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
• Технический документ: «Решение Evolved Packet Core: инновации в ядре LTE» (PDF) . Alcatel-Lucent. Архивировано из оригинального (PDF) 26 мая 2012 года. CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
• 3GPP TS 32.240: Управление электросвязью; Управление зарядкой; Архитектура и принципы зарядки . portal.3gpp.org.