经典EPC核心网培训教材.pdf
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准准4G核心网(核心网(EPC)培训教材培训教材目录目录3.EPC基本原理基本原理2.1.技术背景技术背景互通应用场景互通应用场景无线接入技术的带宽的量级从10k100k1M10M100M不断提升系统容量和分组业务频谱利用率的不断提升使得每bit分组业务承载成本逐步降低多种无线接入技术长期共存IMT-Advance4GCDMA2000Evolution2001-20052006HSDPAPhaseI1.8M/3.6MbpsHSDPAPhaseII7.2/14.4MbpsHSUPA2M/5.76MbpsLTEDL:
100MbpsUL:
50MbpsGSM/GPRSEDGE171/384kbpsWCDMAR99/R4384kbpsWCDMAEvolution200720082009HSPA+DL40MbpsUL10Mbps1xEV-DORev.0DL:
2.4MbpsUL:
153.6kbpsDORev.B(MCDO)DL:
46.5MbpsUL:
27Mbps1xEV-D0Rev.ADL:
3.1MbpsUL:
1.8MbpsCDMA1X153kbps20102011IEEE802.16e70MbpsIEEE802.16mDL:
100MbpsUL:
50MbpsWiMAXEvolutionIEEE802.16d20Mbps无线接入技术逐步宽带化无线接入技术逐步宽带化1用户面两级结构2控制面和用户面合一3通常采用TDM/ATM链路承载普通2/3G核心网1扁平化的核心网2部分控制承载分离3ALLIP承载3GDTS模式核心网1扁平化网络2控制承载分离3ALLIP承载EPC架构SGSNGGSNSGSN2/3GGERAN/UTRANATM/TDMATM/TDMIPGGSNSGSNGGSN3G-DTSIPUTRANSAE-GWMMESAE-GWLTE/EPCIP统一核心网统一IP承载方式统一控制承载分离统一扁平化的网络GSMTDSCDMANon-3GPPLTEeUTRAN统一分组核心网的网络结构统一分组核心网的网络结构1可行性研究阶段可行性研究阶段2004年年12月正式立项至月正式立项至2006年年6月完成。
主要是网月完成。
主要是网络结构优化的可行性研究,络结构优化的可行性研究,输出的基准协议是输出的基准协议是3GPPTR23.882:
3GPPsystemarchitectureevolution(SAE):
Reportontechnicaloptionsandconclusions2Stage1(需求阶段)(需求阶段)定义定义SAE的需求,的需求,2006年年12月完成月完成输出的基准协议是输出的基准协议是3GPPTS22.278:
Servicerequirementsforevolutionofthesystemarchitecture:
3Stage2(技术实现阶段)(技术实现阶段)定义定义SAE的网络结构、功的网络结构、功能实体及其相互接口。
能实体及其相互接口。
2008年年6月完成月完成输出的基准协议包括:
输出的基准协议包括:
3GPPTS23.401:
GeneralPacketRadioService(GPRS)enhancementsforLongTermEvolution(LTE)access“3GPPTS23.402:
3GPPSystemArchitectureEvolution(SAE):
Architectureenhancementsfornon-3GPPaccesses4Stage3(协议实现阶段)(协议实现阶段)定义各接口上的具体协议定义各接口上的具体协议。
2009年年3月完成月完成当前定义的协议有当前定义的协议有:
3GPPTR24.801:
3GPPSystemArchitectureEvolution(SAE);CTWG1aspects3GPPTR29.803:
3GPPSystemArchitectureEvolution(SAE):
CTWG4aspects3GPPTR29.804:
3GPPSystemArchitectureEvolution(SAE):
CTWG3aspectsEPC的标准化进展的标准化进展3GPPEPS的关键特征的关键特征EPS能够接入不同的接入系统,为用户提供多接入的环境EPS能够支持同一接入系统内、不同接入系统之间的移动性EPS能够支持3GPP以外基于IP的宽带接入网络EPS提供更强的性能,包括低延时、低建链时间、高通信质量等EPS能够支持用户在EPS之间以及EPS与现有网络之间的双向漫游EPS能够支持3GPPR7及更早PS网络的业务,并支持和3GPPR7及更早PS网络的互通;EPC需要能够和3GPPR7及更早CS网络业务的互通EPS支持3GPP接入之间的业务连续,以及3GPP与non-3GPP接入系统之间的业务连续EPS能够支持固定接入系统互通,提供固定接入系统的业务连续性EPS支持运营商提供的各种业务,包括语音、视频、消息、文件交换等EPS能够充分利用系统资源,包括频谱资源、终端电源等概念简介概念简介EUTRANEvolvedUniversalTerrestrialRadioAccessNetwork,仅指无线侧EPCEvolvedPacketCore,仅指核心网EPSLTELongTermEvolution=EUTRAN仅指无线侧SAESystemArchitectureEvolution=EPC,仅指核心网目录目录3.EPC基本原理基本原理2.1.技术背景技术背景互通应用场景互通应用场景目目录录EPC基本原理EPC系统架构和特点基本概念EPS系统PDN连接和默认APN跟踪区和跟踪区列表移动性管理和连接管理承载管理业务流程举例EPC标准架构及网元功能标准架构及网元功能SGSN2GTDLTEHSSBTSBSC/PCUNodeBRNCeNodeBS1-US6aGxGbIuS1-MMES11SGiMMEPCRFS9InternetPSServiceServingGWPDNGWS5/8SAEGWS6dS10BOSSCGS4S3MME:
LTE接入下的控制面网元,负责移动性管理功能S4SGSN:
2G/3G接入下的控制面网元,相当于接入2G/3G的MME,进行移动性管理和会话管理S-GW:
SAE网络用户面接入服务网关,相当于传统GnSGSN的用户面功能P-GW:
SAE网络的边界网关,提供承载控制、计费、地址分配和非3GPP接入等功能,相当于传统的GGSN除了2G/3G/LTE接入外,EPC同时支持WLAN/WiMax/CDMA等接入方式HSS:
SAE网络用户数据管理网元,提供鉴权和签约等功能PCRF:
策略控制服务器,根据用户特点和业务需求提供数据业务资源管控AF:
业务策略提供点eNodeB:
负责无线资源管理,集成了部分类似2G/TD基站和基站控制器的功能AFRxEPC标准架构及接口功能标准架构及接口功能LTEHSSeNodeBS1-US6aS1-MMES11SGiMMEInternetPSServiceServingGWPDNGWS5/8SAEGWS10S3:
当2G/TD与LTE互操作时,S4-SGSN与MME间通信的接口,基于GTPv2S4:
S4SGSN与S-GW间的接口,包括控制面(GTPv2)和用户面(GTPv1)Gx:
PCRF与PCEF(位于P-GW)间的接口,用户业务信息上报和策略下发,基于Diameter协议SBC集客专线SBCCM-IMS用户局域网CPE接口协议栈接口协议栈-控制面(控制面(1/2)S5/S8接口的控制面和S11接口使用GTPv2-C协议SCTPL2L1IPL2L1IPSCTPS1-MMEeNodeBMMES1-APS1-APNASMACL1RLCPDCPUERRCMACL1RLCPDCPRRCLTE-UuNASRelayUDPL2L1IPL2L1IPUDPS5orS8S-GWP-GWGTP-CGTP-CNAS:
NAS协议支持移动性管理功能和用户层承载的激活、修改和删除。
NAS也负责NAS信令的加密和完整性保护。
UDPL2L1IPL2L1IPUDPS11MMES-GWGTP-CGTP-C接口协议栈接口协议栈-控制面(控制面(2/2)S6a接口使用Diameter协议SCTP/TCPL2L1IPL2L1IPS6aMMEHSSDiameterDiameterSCTP/TCP接口协议栈接口协议栈-用户面用户面用户面GTP-U基于GTPv1协议ServingGWPDNGWS5/S8GTP-UGTP-UUDP/IPUDP/IPL2RelayL2L1L1PDCPRLCMACL1IPApplicationUDP/IPL2L1GTP-UIPSGiS1-ULTE-UueNodeBRLCUDP/IPL2PDCPGTP-URelayMACL1L1UEEPS系统特点系统特点标准LTE网络架构下,所有用户仅接入分组域未来所有业务都应通过分组域提供仅有分组域,无电路域仅有分组域,无电路域控制和承载分离,网络结控制和承载分离,网络结构扁平化构扁平化基于全基于全IP架构架构eMSCMGWCSMGWMSCSPSSGSNGGSNSGSNSAEPSMMESAE-PGWHSS2G/TD网络SAE网络SAE无CS域控制和承载分离:
控制面MME,用户面SAEGW扁平化网络架构:
LTE仅有eNodeB,用户面由2G/TD三级转发变为一级转发GGSNBSCSGSNMMEeNodeBSAEGWNodeBRNCBTS核心网控制面协议主要基于GTPCv2和Diameter,用户面主要基于GTPUv1传输层协议主要基于UDP和SCTPS6aDRADRASGSNHSSMME其它重要特点:
支持多种接入方式、永远在线其它重要特点:
支持多种接入方式、永远在线SAE:
SystemArchitectureEvolution/EPS:
EvolvedPacketSystem/EPC:
EvolvedPacketCore目目录录EPC基本原理EPC系统架构和特点基本概念EPS系统PDN连接和默认APN跟踪区和跟踪区列表移动性管理和连接管理承载管理业务流程举例SGSN2GTDLTEHSSBTSBSC/PCUNodeBRNCeNodeBS1-US6aGxGbIuS1-MMES11SGiMMEPCRFS9InternetPSServiceServingGWPDNGWS5/8SAEGWS6dS10BOSSCGS4S3AFRxEPS系统系统UEE-UTRANEPCEPS(EvolvedPacketSystem,演进的分组系统),演进的分组系统)EPS由由EPC、E-UTRAN和和UE三部分组成三部分组成EPSEPC(EvolvedPacketCore,演进的分组核心网),演进的分组核心网)EPC是是EPS的核心网部分,的核心网部分,取消了取消了CS域,仅由纯域,仅由纯PS域网络实体组成域网络实体组成EPC由由MME、S-GW、P-GW、SGSN、HSS以及以及PCRF组成组成EPCEPS目目录录EPC基本原理EPC系统架构和特点基本概念EPS系统PDN连接和默认APN跟踪区和跟踪区列表移动性管理和连接管理承载管理业务流程举例PDN连接连接&默认默认APNPDN连接PDN连接指在UE与一个PLMN外部分组数据网络(PDN)之间,EPS系统提供的IP连接,一个PDN连接可包含多个EPS承载PDN连接必须关联UE的IP地址(一个IPv4地址和/或一个IPv6地址前缀),PDN由APN标识根据UE的IP地址,可以将PDN连接分为以下三类:
IPv4IPv6IPv4v6EPS系统支持一个P-GW接入多个PDN,也支持多个P-GW分别接入多个PDNDefaultAPN(默认APN)签约数据中定义的默认APN在附着和UE请求PDN连接,并且UE未提供APN时使用目目录录EPC基本原理EPC系统架构和特点基本概念EPS系统PDN连接和默认APN跟踪区和跟踪区列表移动性管理和连接管理承载管理业务流程举例跟踪区(跟踪区(TrackingArea)SGSN2G/3GLTEMMETAITAITAITAITAITAITAITAITAITAIRAIRAIRAI2G/3G网络网络SAE网络网络跟踪区(跟踪区(TA,TrackingArea)是是EPS系统引入的新概念,用系统引入的新概念,用于用户的移动性管理于用户的移动性管理与与LA(LocationArea,位置,位置区)和区)和RA(RoutingArea,路由区)类似路由区)类似eNodeB下的小区可以属于不下的小区可以属于不同跟踪区,跟踪区也可包含同跟踪区,跟踪区也可包含多个多个eNodeB的小区的小区跟踪区跟踪区列表(跟踪区列表(TAList)TA3TA1TA2TA6TA6TA4TA3TA1TA2TA3TA1TA2TAList1跟踪区列表(跟踪区列表(TAList,TrackingAreaList),由几个),由几个TA组成,在一个组成,在一个TAlist中中UE的移动不会触发的移动不会触发TAU过程过程网络对用户的寻呼会在网络对用户的寻呼会在TAlist中的所有中的所有TA进行进行对于对于UE所注册的跟踪区,若处于同一个所注册的跟踪区,若处于同一个TAList,则由同一个,则由同一个MME为其提供服务,以减少位置更新为其提供服务,以减少位置更新信令信令合理的合理的TAList分配方式和设计方法可以有效地减少分配方式和设计方法可以有效地减少TAU的发生概率,提高资源利用率的发生概率,提高资源利用率TAList可以在附着、可以在附着、TAU或或GUTI重分配过程中,由重分配过程中,由MME分配给分配给UE跟踪区列表目目录录EPC基本原理EPC系统架构和特点基本概念EPS系统PDN连接和默认APN跟踪区和跟踪区列表移动性管理和连接管理承载管理业务流程举例MME没有UE的位置和路由信息对于MME,UE不可达部分UE的上下文仍可存储在UE和MME中,这样可以避免在每次附着流程都运行AKA流程等移动性管理移动性管理EPSMobilityManagement(EMM)EMM主要用于实现用户当前位置的跟踪,以及UE的切换、位置更新等移动性管理,共有两个状态EMMEMM-RegisteredRegisteredUE在成功注册后(Attach过程或者跟踪区更新过程),则进入EMM-REGISTERED状态在该状态下,UE可使用需EPS注册的业务,MME知道UE的位置信息可执行TA更新、周期性TA更新、寻呼、业务请求EMM-DeregisteredEMM-RegisteredEMM-DeRegisteredEMMstatemodelinUEEMMstatemodelinUEEMM-RegisteredEMM-RegisteredEMMstatemodelinMMEEMMstatemodelinMME去附着、附着拒绝、TAU拒绝、所有承载去激活附着接受、UE从UTRAN/GERAN选择E-UTRAN时的TAU接受去附着、附着拒绝、TAU拒绝、所有承载去激活附着EMM-DeregisteredEMM-Registered连接管理连接管理EPSConnectionManagement(ECM)ECM主要用于UE和EPC之间的信令连接管理,共有两个状态ECMECM-IDLEIDLEUE和EPC间没有S1-MME和S1-U连接存在E-UTRAN没有用户的上下文信息UE和网络间的状态可能不同步UE与MME间存在信令连接,包括RRC连接和S1-MME连接MME精确知道UE所处的eNBID信息ECM-IDLEECM-CONNECTEDECM-IDLEECMstatemodelinUEECMstatemodelinUEEMM-RegisteredECM-CONNECTEDECMstatemodelinMMEECMstatemodelinMMERRC连接建立RRC连接释放S1连接建立(Attach、TAU、ServiceRequest)S1连接释放ECMECM-IDLEIDLEECMECM-CONNECTEDCONNECTED目目录录EPC基本原理EPC系统架构和特点基本概念EPS系统PDN连接和默认APN跟踪区和跟踪区列表移动性管理和连接管理承载管理业务流程举例承载管理承载管理-基本模型基本模型ServingGWPDNGWeNBRadioBearerS5/S8BearerApplication/ServiceLayerUL-TFTRB-IDDLTrafficFlowAggregatesDL-TFTDL-TFTS5/S8-TEIDRB-IDS1-TEIDS1BearerS1-TEIDS5/S8-TEIDUEULTrafficFlowAggregatesUL-TFTServingGWPDNGWeNodeBUEGTP-basedEPSbearersEPSBearer类似于类似于2G/3G网络中的网络中的PDP上下文上下文可以看作是可以看作是UE与与P-GW之间的逻辑电路之间的逻辑电路EPSBearer:
无线承载:
无线承载+S1承载承载+S5/S8承载承载网络中通过网络中通过BearerID用来唯一地标识用来唯一地标识UE接入到接入到E-UTRAN的一个的一个EPSBearer,BearerID由由MME分配分配EPSBearer承载管理承载管理-默认承载和专用承载默认承载和专用承载DefaultBearer在用户在用户attach时建立,保证用户在开始业务时具有更短的时延时建立,保证用户在开始业务时具有更短的时延每个每个PDN连接有一个连接有一个DefaultBearer,提供基本的连接服务,提供基本的连接服务DefaultBearer为为PDN连接连接提供提供Always-on服务,存活于服务,存活于PDN连接连接的的整个整个生命周期生命周期DefaultBearer是是Non-GBR(Non-GuaranteedBitRate)类型的承载类型的承载DefaultBearer的的QoS参数由参数由MME/SGSN根据根据HLR/HSS的签约参数分配,的签约参数分配,P-GW可根据可根据PCRF信息修改该参数信息修改该参数DefaultBearer通常情况下是一个通常情况下是一个MatchAll的承载,即没有的承载,即没有TFTDefaultBearer(默认承载)当需要为同一用户接入相同当需要为同一用户接入相同PDN网络的不同数据流提供不同的网络的不同数据流提供不同的QoS服务保证时,需要建立服务保证时,需要建立DedicatedBearer来承载不同的数据流来承载不同的数据流DedicatedBearer可以是可以是Non-GBR或或GBR类型的承载类型的承载DedicatedBearer的创建或修改只能由网络侧发起,并且承载级的创建或修改只能由网络侧发起,并且承载级QoS参数值总由分组核心参数值总由分组核心网来分配网来分配DedicatedBearer(专用承载)IPv4v6双栈(双栈(DualStack)EPS承载处理承载处理IPv4v6承载的优势承载的优势承载类型承载类型LTE2/3G备注备注IPv4YYUE获取IPv4地址转发IPv4报文Ipv6YYUE获取IPv6地址转发IPv6报文IPv4v6YY/NUE获取IPv4和v6地址和转发IPv4和v6报文解决在1个PDP上下文中传送IPv4和IPv6地址的用户数据,减少了需要的承载上下文数量终端终端SGSN/MMEPDN-GW根据终端的能力在请求建立的承载类型具备IPv6和IPv4能力请求IPv4v6IPv4终端请求IPv4IPv6终端请求IPv6终端能力不明,请求IPv4v6MME/SGSN根据如下条件,向PGW请求标示DualStackFlagUE是否签约DualStack,否则拒绝,否则返回给UE“subscriptionlimitation”UE是否可能切换到不支持IPv4v6网络,是则返回给UE“singleaddressbearersonly”PGW检查如下条件,判断是否接受DualStack请求若不允许该APN使用两个IP地址,则只分配一个IP地址,并返回给UE“networkpreference”如果允许该APN使用两个IP地址,则分配IPv4地址和IPv6地址,接受请求R8网络网络IPv4v6双栈承载的处理方式双栈承载的处理方式LTE与与2/3G承载之间要求一对一映射承载之间要求一对一映射目目录录EPC基本原理EPC系统架构和特点基本概念EPS系统PDN连接和默认APN跟踪区和跟踪区列表移动性管理和连接管理承载管理业务流程举例3.IdentificationRequest1.AttachRequestnewMMEOldMME/SGSNServingGWPCRFHSS3.IdentificationResponsePDNGW2.AttachRequesteNodeBUE4.IdentityRequest4.IdentityResponse5a.Authentication/Security17.InitialContextSetupRequest/AttachAcceptFirstUplinkData19.RRCConnectionReconfigurationComplete18.RRCConnectionReconfiguration20.InitialContextSetupResponse24.ModifyBearerResponse23.ModifyBearerRequestFirstDownlinkData25.NotifyRequest26.NotifyResponse(B)(A)16.CreateSessionResponse12.CreateSessionRequest8.UpdateLocationRequest9.CancelLocation11.UpdateLocationAck9.CancelLocationAck10.DeleteSessionRequest10.DeleteSessionResponse13.CreateSessionRequest15.CreateSessionResponse7.DeleteSessionResponse7.DeleteSesionRequestFirstDownlinkData(ifnothandover)(C)EIR5b.MEIdentityCheck5b.IdentityRequest/Response10.PCEFInitiatedIP-CANSessionTermination7.PCEFInitiatedIP-CANSessionTermination14.PCEFInitiatedIP-CANSessionEstablishment/Modification6.Cip
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