Эволюция системной архитектуры

System Architecture Evolution ( SAE ) — это базовая сетевая архитектура протоколов мобильной связи 3GPP группы стандарта беспроводной связи LTE .

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

Архитектура SAE

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 известный как SAE Core . EPC будет служить эквивалентом сетей GPRS (через подкомпоненты «Объект управления мобильностью» , «Обслуживающий шлюз» и «Шлюз PDN» ).

Развитое пакетное ядро (EPC)

Подкомпонентами EPC являются: ^[1]^[2]

MME (Субъект управления мобильностью)

MME является ключевым узлом управления для сети доступа LTE. Он отвечает за процедуру пейджинга и маркировки пользовательского оборудования (UE) в режиме ожидания, включая повторные передачи. Он участвует в процессе активации/деактивации носителя, а также отвечает за выбор обслуживающего шлюза для UE при первоначальном подключении и во время передачи обслуживания внутри LTE, включая перемещение узла базовой сети (CN). Он отвечает за аутентификацию пользователя (путем взаимодействия с Домашним Сервером Абонентов ). Сигнализация уровня отсутствия доступа (NAS) заканчивается в MME, и он также отвечает за генерацию и распределение временных идентификаторов для UE. Он проверяет разрешение UE на подключение к общедоступной наземной мобильной сети (PLMN) поставщика услуг и обеспечивает соблюдение ограничений роуминга UE. MME является конечной точкой в сети для шифрования/защиты целостности сигнализации NAS и отвечает за 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 на MME от СГСН . MME также завершает интерфейс S6a в направлении HSS для роуминговых UE.

SGW (обслуживающий шлюз)

Обслуживающий шлюз маршрутизирует и пересылает пакеты пользовательских данных, а также действует как якорь мобильности для плоскости пользователя 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 данных нисходящей линии связи и запускает пейджинг, когда данные нисходящей линии связи поступают на Пользовательское оборудование. Он управляет и хранит контексты UE, например, параметры службы IP-носителя, информацию внутренней маршрутизации сети. Он также выполняет репликацию пользовательского трафика в случае законного перехвата.

PGW (шлюз сети пакетной передачи данных)

Шлюз сети пакетной передачи данных (PDN Gateway, также PGW) обеспечивает подключение пользовательского оборудования (UE) к внешним сетям пакетной передачи данных (PDN), являясь точкой выхода и входа трафика. Часть пользовательского оборудования может иметь одновременное соединение с более чем одним шлюзом сети пакетной передачи данных для доступа к множеству сетей пакетной передачи данных. Шлюз PDN обеспечивает соблюдение политик, фильтрацию пакетов для каждого пользователя, поддержку взимания платы, законный перехват и проверку пакетов. Другая ключевая роль шлюза сети пакетной передачи данных — выступать в качестве якоря для мобильности между технологиями 3GPP и не-3GPP, такими как WiMAX и 3GPP2 (CDMA 1X и EvDO ).

HSS (домашний абонентский сервер)

Домашний сервер подписчиков — это центральная база данных, содержащая информацию, связанную с пользователями и подписками. Функции HSS включают управление мобильностью, поддержку установления вызовов и сеансов, аутентификацию пользователей и авторизацию доступа. HSS основан на регистре домашнего местоположения (HLR) и центре аутентификации (AuC) до версии Rel-4.

ANDSF (функция обнаружения и выбора сети доступа)

ANDSF . предоставляет информацию UE о возможности подключения к сетям доступа 3GPP и не-3GPP (таким как Wi-Fi) Целью ANDSF является помощь UE в обнаружении сетей доступа поблизости и в предоставлении правил (политик) для определения приоритетов и управления подключениями к этим сетям.

ePDG (усовершенствованный шлюз пакетных данных)

Основная функция ePDG заключается в обеспечении безопасности передачи данных с помощью UE, подключенного к EPC, через недоверенный доступ, отличный от 3GPP, например, VoWi-Fi. Для этой цели ePDG действует как оконечный узел туннелей IPsec, установленных с UE.

Протоколы уровня без доступа (NAS)

Протоколы уровня отсутствия доступа (NAS) образуют высший уровень 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 сопоставления параметров во время межсистемной мобильности с сетями 3G или сетями доступа, отличными от 3GPP. Они также обеспечивают безопасность NAS путем защиты целостности и шифрования сигнальных сообщений NAS. EPS (развитая пакетная система) предоставляет абоненту «готовое к использованию» IP-соединение и «постоянную работу» путем связывания процедур управления мобильностью и управления сеансом во время процедуры подключения UE.

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

EMM (Управление мобильностью EPS)

Протокол управления мобильностью (EMM) EPS (развитой пакетной системы) предоставляет процедуры для управления мобильностью, когда пользовательское оборудование (UE) использует развитую 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 можно инициировать, пока существует сигнальное соединение NAS. Процедуры этого типа инициируются сетью. Они включают в себя перераспределение GUTI, аутентификацию, контроль режима безопасности, идентификацию и информацию EMM.
Специальные процедуры EMM — специфичные только для UE. В любой момент времени может выполняться только одна конкретная процедура EMM, инициированная UE. К этому типу относятся процедуры присоединения и комбинированного присоединения, отсоединения или комбинированного отсоединения, нормальное обновление зоны слежения и комбинированное обновление зоны слежения (только режим S1) и периодическое обновление зоны слежения (только режим S1).
Процедуры управления соединением EMM — управляйте соединением UE с сетью:
- Запрос услуги: инициируется UE и используется для установления безопасного соединения с сетью или для запроса резервирования ресурсов для отправки данных, или для того и другого.
- Процедура пейджинга: инициируется сетью и используется для запроса установления сигнального соединения NAS или для запроса UE на повторное подключение, 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 сообщений протокола из других приложений.

UE и сеть параллельно выполняют процедуру присоединения, процедуру активации контекста носителя EPS по умолчанию. Во время процедуры подключения EPS сеть активирует контекст носителя EPS по умолчанию. Сообщения управления сеансом EPS для активации контекста канала-носителя EPS по умолчанию передаются в информационном элементе в сообщениях управления мобильностью EPS. UE и сеть завершают комбинированную процедуру активации контекста носителя EPS по умолчанию и процедуру подключения до завершения процедуры активации выделенного контекста носителя EPS. Успех процедуры подключения зависит от успеха процедуры активации контекста носителя EPS по умолчанию. Если процедура подключения завершается неудачно, то и процедуры управления сеансом ESM также завершаются неудачно.

ESM (управление сеансами EPS)

Протокол управления сеансами EPS (ESM) предоставляет процедуры для обработки контекстов носителя EPS. Вместе с управлением переносом, обеспечиваемым уровнем доступа , он обеспечивает управление носителями плоскости пользователя. Передача сообщений ESM приостанавливается во время процедур EMM, за исключением процедуры присоединения.

Носитель ЭПС: Каждый контекст носителя EPS представляет канал EPS между UE и PDN. Контексты носителя EPS могут оставаться активированными, даже если радиоканалы и каналы S1, составляющие соответствующие каналы EPS между UE и MME, временно освобождены. Контекст носителя EPS может быть либо контекстом носителя по умолчанию, либо выделенным контекстом носителя. Контекст носителя EPS по умолчанию активируется, когда UE запрашивает соединение с PDN. Первый контекст носителя EPS по умолчанию активируется во время процедуры подключения EPS. Кроме того, сеть может параллельно активировать один или несколько выделенных контекстов носителя EPS.

Как правило, процедуры ESM могут выполняться только в том случае, если между UE и MME установлен контекст EMM, а безопасный обмен сообщениями NAS инициирован MME с использованием процедур EMM. После успешного подключения UE оно 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 активированным на протяжении всего срока действия соединения с PDN.

Виды процедур ЭОР: ESM включает в себя различные типы процедур, такие как:

Процедуры контекстов носителя EPS — инициируются сетью и используются для манипулирования контекстами носителя EPS, включая активацию контекста носителя EPS по умолчанию, активацию выделенного контекста носителя EPS, модификацию контекста носителя EPS, деактивацию контекста носителя EPS.
Процедуры, связанные с транзакциями — инициируются UE для запроса ресурсов, т.е. нового соединения PDN или выделенных ресурсов канала передачи данных, или для освобождения этих ресурсов. Они включают процедуру подключения PDN, процедуру отключения PDN, процедуру выделения ресурсов носителя, процедуру изменения ресурса носителя.

MME поддерживает контекст EMM и информацию о контексте носителя EPS для UE в состояниях ECM-IDLE, ECM CONNECTED и EMM-DEREGISTERED.

Стек протоколов EPC

Протоколы MME (объект управления мобильностью)

Стек протоколов MME состоит из:

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

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

SCTP (Протокол передачи управления потоком) — это общий транспортный протокол, который использует услуги Интернет-протокола (IP) для обеспечения надежной доставки датаграмм модулям адаптации, таким как S1AP. SCTP обеспечивает надежную и последовательную доставку поверх существующей инфраструктуры IP. Основные возможности, предоставляемые SCTP:
- Настройка ассоциации . Ассоциация — это соединение, которое устанавливается между двумя конечными точками для передачи данных, во многом похожее на TCP-соединение. Ассоциация SCTP может иметь несколько адресов на каждом конце.
- Надежная доставка данных : доставляет упорядоченные данные в потоке (устранение блокировки начала строки): SCTP обеспечивает упорядоченную доставку данных с помощью нескольких однонаправленных потоков без блокировки фрагментов данных в другом направлении.
S1AP (прикладная часть S1) — это служба сигнализации между E-UTRAN и развитым пакетным ядром (EPC), которая выполняет функции интерфейса S1, такие как функции управления носителем SAE, функция начальной передачи контекста, функции мобильности для UE, пейджинг, функциональность сброса, Функция транспорта сигнализации NAS, отчеты об ошибках, функция освобождения контекста UE, передача статуса.

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

Протоколы SGW (обслуживающий шлюз)

SGW состоит из

Стек плоскости управления S11 для поддержки интерфейса S11 с MME
Стеки плоскостей управления и данных S5/S8 для поддержки интерфейса S5/S8 с PGW
Стек плоскости данных S1 для поддержки интерфейса плоскости пользователя S1 с eNodeB
Стек плоскости данных S4 для поддержки интерфейса плоскости пользователя S4 между RNC UMTS и SGW eNodeB
Sxa: начиная с версии 3GPP Rel.14, интерфейс Sx и связанный с ним протокол PFCP были добавлены к SGW, что обеспечивает разделение плоскости управления пользователем 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 пакетной передачи данных)

Основные интерфейсы, поддерживаемые P-GW:

S5/S8: этот интерфейс определен между S-GW и P-GW. Он называется S5, когда S-GW и P-GW расположены в одной сети (сценарий без роуминга), и S8, когда S-GW расположен в гостевой сети, а P-GW — в домашней сети (роуминг). сценарий). Протоколы eGTP-C и GTP-U используются в интерфейсе S5/S8.
Gz: этот интерфейс используется P-GW для связи с автономной системой взимания платы (OFCS), в основном для отправки записей данных взимания платы (CDR) пользователей с постоплатой через FTP .
Gy: этот интерфейс используется P-GW для связи с системой онлайн-зарядки (OCS). P-GW информирует систему взимания платы о полезной нагрузке пользователей предоплаты в режиме реального времени. Протокол диаметра используется в интерфейсе Gy.
Gx: этот интерфейс используется P-GW для связи с функцией правил политики и оплаты (PCRF) для обработки правил политики и правил оплаты (PCC). Эти правила содержат информацию, связанную с начислением платы, а также параметры качества обслуживания (QoS), которые будут использоваться при установлении канала связи. Протокол Diameter используется в интерфейсе Gx.
SGi: этот интерфейс определяется между P-GW и внешними сетями, например, доступ в Интернет, корпоративный доступ и т. д.
Sxb: начиная с версии 3GPP Rel.14, интерфейс Sx и связанный с ним протокол PFCP были добавлены к PGW, что обеспечивает разделение плоскости управления пользователем между PGW-C и PGW-U.

Поддержка голосовых услуг и SMS

EPC — это базовая сеть, поддерживающая только пакетную передачу данных. У него нет домена с коммутацией каналов , который традиционно используется для телефонных звонков и SMS .

Поддержка голосовых сервисов в EPC

3GPP определил два решения для голосовой связи:

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

Поддержка SMS-сервисов в EPC

3GPP определил три решения для SMS:

IMS : Решение для SMS через IP было указано в версии 7.
SMS через SG : для этого решения требуется интерфейс SG, представленный во время работы над CSFB. SMS доставляются на уровне отсутствия доступа через LTE. Нет никаких межсистемных изменений для отправки или получения SMS. Эта функция была указана в версии Rel-8.
SMS через SGd : это решение требует интерфейса SGd Diameter в MME и доставляет SMS на уровне отсутствия доступа через LTE, не требуя полной сигнализации, ни устаревшего MSC, выполняющего CSFB, ни служебных данных, связанных с сигнализацией IMS и соответствующим каналом EPC. управление.

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

Сети множественного доступа

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

Доступы 3GPP : эти технологии доступа определены 3GPP . К ним относятся GPRS , UMTS , EDGE , HSPA , LTE и LTE Advanced .
Доступы, отличные от 3GPP : эти технологии доступа не определены 3GPP . Они включают в себя такие технологии, как cdma2000 , Wi-Fi или фиксированные сети. 3GPP определяет два класса технологий доступа, отличных от 3GPP, с различными механизмами безопасности:
- доверенные доступы , которые оператор сети считает надежными с точки зрения безопасности (например: сеть cdma2000 ). Доверенный интерфейс доступа, отличный от 3GPP, напрямую с сетью.
- ненадежный доступ , который оператор сети не считает надежным с точки зрения безопасности (например, соединение через общедоступную точку доступа Wi-Fi). Недоверенные доступы, отличные от 3GPP, подключаются к сети через ePDG, который обеспечивает дополнительные механизмы безопасности ( IPsec ). туннелирование

Оператор сети должен решить, является ли технология доступа, отличная от 3GPP, доверенной или ненадежной.

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

Релизы 3GPP

3GPP предоставляет стандарты в параллельных выпусках, которые составляют согласованный набор спецификаций и функций.

Версия ^[5]	Выпущенный ^[6]	Информация ^[7]
Выпуск 7	2007 Q4	Технико-экономическое обоснование сети All-IP (AIPN)
Выпуск 8	2008 Q4	Первый выпуск EPC . Спецификация SAE: функции высокого уровня, поддержка доступа LTE и других 3GPP, поддержка доступа не-3GPP, межсистемная мобильность, непрерывность голосового вызова с помощью единого радио (SRVCC), резервный вариант CS. Система предупреждения о землетрясениях и цунами (ETWS). Поддержка Home Node B / Home eNode B.
Выпуск 9	2009 Q4	Плоскость управления LCS для EPS . Поддержка экстренных вызовов IMS через GPRS и EPS . Улучшения в Home Node B / Home eNode B. Система общественного оповещения (PWS).
Выпуск 10	1 квартал 2011 г.	Улучшения сети для машинной связи. Различные механизмы разгрузки ( LIPA , SIPTO , IFOM ).
Выпуск 11	2012 Q3	Дальнейшие улучшения машинной связи. Моделирование USSD в IMS. Контроль качества обслуживания на основе лимитов расходов абонентов. Дальнейшие улучшения LIPA и SIPTO. Непрерывность единого радиовидеовызова (vSRVCC). Непрерывность единого радиоголосового вызова от UTRAN/GERAN до HSPA/E-UTRAN (rSRVCC). Поддержка взаимодействия с доступом к широкополосному форуму .
Выпуск 12	1 квартал 2015 г.	Улучшенная работа малых сот, агрегация несущих (2 несущие восходящей линии связи, 3 несущие нисходящей линии связи, агрегация несущих FDD/TDD), MIMO (3D-моделирование каналов, формирование диаграммы направленности по высоте, массивный MIMO), MTC – UE Cat 0, введена связь D2D, усовершенствования eMBMS.
Выпуск 13	1 квартал 2016 г.	Представлены LTE-U / LTE-LAA, LTE-M, формирование диаграммы направленности по высоте / полноразмерный MIMO, позиционирование в помещении, LTE-M Cat 1,4 МГц и Cat 200 кГц.
...
Выпуск 18		https://www.3gpp.org/release18

Дальнейшее чтение

См. также

03056876920

Ссылки

Технический документ LTE: «Долгосрочная эволюция (LTE): технический обзор» (PDF) . Моторола.
Стратегический официальный документ: «Введение в Evolved Packet Core» (PDF) . Алкатель-Люсент. Архивировано из оригинала (PDF) 24 февраля 2012 г.
Технический документ: «Развитое решение Packet Core: инновации в ядре LTE» (PDF) . Алкатель-Люсент. Архивировано из оригинала (PDF) 24 февраля 2012 г.
3GPP TS 32.240: Управление телекоммуникациями; Управление зарядкой; Архитектура и принципы зарядки . портал.3gpp.org.

[1] 3GPP TS 23.002: Сетевая архитектура.

[2] Технический документ LTE

[3] 3GPP TS 24.301: Протокол уровня без доступа (NAS) для развитой пакетной системы (EPS); Этап 3

[4] Развенчание мифов о LTE

[5] Релизы 3GPP

[6] Спецификации 3GPP - Релизы (а также этапы и этапы)

[7] Описания выпусков 3GPP

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]