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  • LTE核心网

    千次阅读 2020-01-08 11:56:05
    在文章《5G网络架构演进 之一》中,我们介绍了LTE的网络架构,并列举了每个网元的功能。LTE网络架构如图1所示: 图1.LTE网络架构 LTE的网络架构大致可以分为三个部分 第一部分:LTE网络为了满足网络向后兼容性所...

    本文参考了陈学梁,李丹编著的大话核心网。本文仅限于个人学习,研究,交流,不得用于其他商业用途!

    在文章《5G网络架构演进 之一》中,我们介绍了LTE的网络架构,并列举了每个网元的功能。LTE网络架构如图1所示:
    在这里插入图片描述图1.LTE网络架构

    LTE的网络架构大致可以分为三个部分

    第一部分:LTE网络为了满足网络的向后兼容性所引入的;

    第二部分:接入网络部分,接入网演进几乎是历次移动通信网络架构演进中最为关键的部分;

    第三部分:核心网部分,这部分是5G网络演进的重点。

    本节我们针对LET的核心网部分进行详细的介绍。

    1. 核心网EPC

    LTE的核心网又叫作 EPC (Evolved Packet Core network),核心网主要包含三个网元,分别是:

    MME(Mobility Management Entity)

    是移动管理实体,是一个用于信令控制的网元,主要用作移动性的管理。此外还需要做会话相关的控制处理。功能列表:

    1)NAS信令处理,NAS信令安全保护

    2)3GPP内不同节点之间的移动性管理

    3)空闲移动终端的跟踪和可达TA List管理

    4)P-GW和S-GW选择

    5)MME和SGSN选择

    6)合法监听,漫游控制,安全认证,承载管理

    S-GW (Serving Gateway)

    核心网的服务网关,是数据面的网元,数据面可以理解为数据传输的处理通道,负责本地网络用户数据处理。功能列表:

    1)eNodeB之间切换的本地锚点

    2)E-UTRAN空闲模式下数据缓存,触发网络侧ServiceRequest流程

    3)数据包路由和转发

    4)上下行传输层数据包标记

    P-GW (PDN Gateway)

    PDN(Public Data Network)公共数据网, 充当外部数据连接的边界,核心网后端的网络系统。功能列表:

    1)用户包过滤

    2)IP地址分配

    3)上下行传输层数据包标记

    4)Non-GBR基于AMBR的下行速率控制

    5)GBR基于MBR的下行速率控制

    1. EPC网络架构

    EPC的网元主要包括MME,SGW,PGW。因此相应的EPC协议也是围绕这三个网元之间的接口来展开的。他们之间的接口协议如图2.所示。

    在这里插入图片描述
    图2.EPC网元间接口

    在《LTE的组网架构与接口协议》一文中,给出一个无线通信通用的“三层两面”模型,该模型在EPC中仍然是适用的。如图3:

    1. 接口协议的通用模型

    在这里插入图片描述三层指的是,

    网络层, L3
    主要功能是寻址、路由选择、连接的建立和控制、资源的配置策略等等;

    数据链路层, L2
    信道的复用和解复用、数据格式的封装、数据包的调度等。完成的主要功能是具有个性的业务数据向没有个性的通用数据帧的转换;

    物理层, L1
    提供两个物理实体之间的比特流传送。在无线空口中适配的是无线环境;在地面接口中,适配的是网线、光纤等传输媒介。

    两面指的是,

    用户面:
    用户面负责业务数据的传送和处理;;

    控制面:
    控制面负责协调和控制信令的传送和处理;

    需要注意的是,在物理层,不区分用户面和控制面;在数据链路层,数据的处理功能开始区分用户面和控制面;在网络层上,用户面和控制面则由不同的功能实体来完成。

    1. EPC协议架构

    EPC的控制面协议栈和用户面协议栈分别如图4.和图6.所示,

    在这里插入图片描述图4.EPC控制面协议栈

    eNodeB和MME之间是采用S1-MME接口,也可以叫做S1-C接口。协议栈的层次和OSI七层模型非常相似,其中SCTP是一个TCP类型的传输协议,一般用于通信系统中保证数据的可靠性传输,但是SCTP要比传统的TCP要复杂的多。SCTP之上是应用层协议,叫做S1-AP,即S1AP信令消息。一般可以通过协议分析软件直观看到协议消息,通过分析S1AP消息,可以判定网元的一些业务行为。在此简单比较TCP,UDP和SCTP,如图5所示。

    在这里插入图片描述图5.TCP,UDP和SCTP比较

    在这里插入图片描述图6. EPC用户名协议栈

    数据面协议栈涉及到的网元包括eNodeB, SGW和PGW。网元通信之间的协议是对等的。数据面采用安全等级相对较低的UDP协议,主要原因是数据面传输的内容相对于控制面的内容,可靠性要求较低,但是实时性要求较高。这样需要传输协议实现简单,以便快速进行数据的处理和转发。综合比较三种类型的协议,选择UDP来实现数据面的内容传输。

    1. EPC的业务流程

    以附着流程为例,来简单的演示一下核心网各个网元之间的工作的流程。

    在这里插入图片描述图7. 核心网附着流程图

    步骤1~6:核心网进行用户数据验证,鉴权和遗留承载删除;
    步骤7~14:核心网建立默认承载,打通上行数据通道;
    步骤15~16:上行数据传输;
    步骤17~19:打通下行数据通道,修改承载;
    步骤20~21:下行数据传输。

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  • LTE核心网介绍

    千次阅读 2020-08-21 13:57:43
    EPS包括核心网EPC(EPC又包括MME(信令处理部分)、S-GW(数据处理部分)、P-GW)、E-UTRAN(只包含基站eNodeB一个网元,eNodeB能够实现3G中的NodeB和无线网络控制器RNC的功能,即eNodeB实现了接入网的全部功能)、...

    1 LTE网络架构 


            EPS包括核心网EPC(EPC又包括MME(信令处理部分)、S-GW(数据处理部分)、P-GW)、E-UTRAN(只包含基站eNodeB一个网元,eNodeB能够实现3G中的NodeB和无线网络控制器RNC的功能,即eNodeB实现了接入网的全部功能)、用户设备UE。

    核心网实现了用户面和控制面的分离,融合了部分RNC的功能。

    LTE网络结构的优点: 
    1、 网络扁平化使系统时延减少 
    2、 网元减少,降低成本,更好部署和维护 
    3、 取消了RNC,避免单点故障 
    4、 所有网元都用标准接口连接,满足能多供应商产品的互操作

    1.1、EPC的组成

    EPC主要由MME、SGW、PGW、PCRF等网元构成。其中:

    MME:Mobility Management Entity,移动性管理实体,原3G网络中SGSN网元的控制面功能;

    SGW:Serving Gateway,业务网关,原3G网络中SGSN网元的用户面功能,有时也写为S-GW;

    PGW:PDN Gateway,PDN网关,原3G网络中GGSN网元的功能,有时也写为P-GW;(PDN,Public Data Network,公用数据网,为公众提供数据通信服务的通信网。由交换机、网控中心、用户入户设备、通信线路等设施组成。每个入网用户可与网上其他用户通信,公用数据网负责数据在其间作透明的无差错传输。)

    PCRF:Policy and Charging Rules Function,策略和计费规则功能,完成对用户数据报文的策略和计费控制。

    1.2、EPC的特点

    EPC网络可以支持3GPP(3GPP的目标是实现由2G网络到3G网络的平滑过渡,保证未来技术的后向兼容性,支持轻松建网及系统间的漫游和兼容性)和非3GPP(如Wi-Fi、WiMAX等)多种接入方式,是支持异构网络的融合架构。在此架构下,短信、语音等传统的电路域业务将借助VoLTE模式进行承载,也可以采用CSFB(Circuit Switched Fallback,电路域回落)的方案使用原有的电路域完成语音业务。综上所述,EPC网络是4G移动通信网络的核心网。它属于核心网范畴,具备用户签约数据存储,移动性管理和数据交换等移动网络的传统能力,并能够给用户提供超高速的上网体验。概括来说,EPC具备如下特点:

    1 核心网趋同化,交换功能路由化;

    2 业务平面与控制平面完全分离;

    3 网元数目最小化,协议层次最优化;

    4 网络扁平化,全IP化。

    1.3、EPC基本网元概述

    eNodeB:物理层功能(HARQ等);MAC、RRC调度;无线接入控制;无线资源管理等

    MME:移动性管理;会话管理;用户鉴权和密钥管理;NAS层信令的加密和完整性保护;TA LIST管理;P-GW/S-GW选择

    Serving Gateway:分组路由和转发功能;IP头压缩;IDLE态终结点,下行数据缓存;E-NodeB间切换的锚点;路由优化

    PDN Gateway:分组路由和转发;3GPP和非3GPP网络间的Anchor功能(HA功能);UE IP地址分配,接入外部PDN的网关功能

    HSS:HSS(Home Subscriber Server)是归属用户服务器,村粗了LTE/SAE网络中用户所有与业务相关的数据

    PCRF:为每个用户定义不同业务的收费规则;QOS策略-为不同承载业务提供不同的QOS

     

     1.5、EPC逻辑节点功能

    PCRF:策略控制、基于流量的计费、QoS授权(等级标识和比特流)

    HSS:开户信息、用户移动性管理的动态信息;基础的AUC模块

    P-GW:用户IP地址分配管理和QoS保证;流量监测统计;数据分发

    S-GW:用户IP数据包向网络侧的转发;以及再移动性支持方面的用户数据缓存和前转;计费i西南西收集和合法监听

    MME:UE与核心网间的信令交互控制节点

    2 EPC演进

    EPC主要由MME(移动性管理实体),SGW(服务网关)和PGW组成。多个EPC的集合称为EPS            

    EPC的演进表现在:

    取消了CS域,CS域业务承载在PS域,实现了核心网的IP化。语音业务(Voice)在以往无线制式中有CS承载,在LTE中则完全由PS域承载,即所谓的VoIP(Voice over IP)。

    全网IP化,各网元节点之间的接口也都使用IP传输。LTE全网IP化的关键支撑就是端到端的QoS保障机制。

    LTE/SAE在核心网演进中实现了用户面和控制面的分离,即用户面和控制面功能分别由不同的网元实体完成。可降低系统时延,提升核心网处理效率。

    MME属于控制面设备,负责信令传输;

    SGW和PGW属于用户面设备,负责用户数据包的过滤、路由、转发。

    EPC和eUTRAN间的接口是S1,由于用户面和控制面的分离,S1接口也可分为用户面接口S1-U和控制面接口S1-MME。

    LTE核心网还支持多网融合,支持包括LTE在内的多种无线接入技术,不仅要支持UMTS网络接入,还支持非3GPP制式的网络接入,如GSM、CDMA、WLAN、WiMAX等网络,实现了不同无线制式在EPC平台上的大融合。

    EPC和各种无线制式中都设计有标准接口,方便业务使用时在不同制式的无线系统中无缝切换,如图所示。

    说明:LTE制式对应的无线接入网称为eUTRAN,UMTS(WCDMA/TD-SCDMA)对应的无线接入网称为UTRAN,GSM和EDGE对应的无线接入网称为GERAN(GSM EDE Radio Access Network);CDMA对应的无线接入网称为1xRTT(CDMA 1x Radio Transmission Technology);CDMA2000对应的无线接入网称为HRPD(CDMA2000 High Rate Packet Data).

    3 EPC和eNodeB功能划分

                                             

    MME主要功能有寻呼、切换、漫游、鉴权,对NAS(非接入层)信令的加密和完整性保护,对AS(接入层)安全性控制、空闲状态移动性控制等。其中NAS信令是指UE和核心网EPC直接联系使用的,他是接入网eUTRAN(即接入层)不作分析,也不直接使用的信令(所以叫非接入层信令);AS信令是接入网eUTRAN分析并使用的信令。

    SGW(服务网关)是EPC和eUTRAN的一个边界网关,不和其他系统网关如GGSN、PDG直接相连,主要功能是LTE系统内的分组数据路由及转发、合法监听、计费。

    PGW(PDN网关)是和运营商外部或内部的分组网络连接的网关,功能类似UMTS或EDGE中的GGSN,是所有3GPP系统或者非3GPP系统非组网络的统一出口。主要功能包括分组包深度检查、分组数据过滤及筛选、转发、路由选择等。还负责UE的IP地址分配,速率限制、上下行业务级计费等功能。设计PDN网关的目的是为了方便引入LTE系统以外的分组网络,使得多系统引入LTE的接口数目最小化,EPS和外界的接口功能简单化、清晰化,从而使LTE/SAE的核心网真正成为一个多制式融合的平台。

    打个比方:MME是负责流动人口管理的公安部门,SGW是一个负责人员和物资中转地快递公司,PGW则是对人员和物资进行出入境检查的口岸。

    EPC的三个网元是逻辑上的概念,和物理形态不一定一一对应。MME和SGW可以是一个物理节点,也可以是分离的两个物理节点;SGW和PGW可以是一个物理节点或分离的两个物理节点。但一般MME和PGW不在一个物理实体中,更没有MME、SGW、PGW三位一体的。

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    1 关于4G的几个概念

    • SAE(System Architecture Evolution,系统架构演进)
      • SAE(System Architecture Evolution,系统架构演进):是PS(Packet Switching)网络核心网网络架构向4G演进的工作项目
      • PS(Packet Switching,分组交换):早期的移动数据网络核心网部分
      • EPC(Evolued Packet Core,演进分组核心网):即4G核心网,是SAE工作项目的研究对象
    • LTE(Long Term Evolution,长期演进)
      • LTE(Long Term Evolution,长期演进):是无线接口部分向4G演进的工作项目,研究对象E-UTRAN
      • E-UTRAN(Evolued UMTS Terrestrial Radio Acess Network,演进的UMTS陆地无线接入网):即3GPP 4G的空中接口部分,是LTE工作项目的研究对象
    • EPS(Evolued Packet System,演进的分组系统):由EPC、E-UTRAN以及UE共同构成,代表整个端到端的4G网络。EPS和LTE以及SAE的关系如图1-1所示。

    在这里插入图片描述

    2 长期演进到哪里了

    在4G时代,LTE的EPC部分演进到架构扁平化承载控制分离全IP组网的形态,如图2-1所示。
    在这里插入图片描述
    图2-2是LTE网络与UMTS网络结构。
    在这里插入图片描述

    • 网络架构扁平化
      • 无线接入部分从无线接入部分从3G时代的RNC与NodeB两个设备演进为eNodeB一个节点。
      • 海量eNodeB直连MME/SAE-GW
    • 承载控制分离
      • 用户面在核心网网络部分只经过SAE-GW一个节点,不在经过对等2G、3G网络SGSN的MME网元。
      • MME只处理信令相关流程
    • 全面IP化
      • 整个移动数据网络除空口部分外的其他全部接口均已实现IP化、分组化(如图2-3所示)
      • 从eNodeB到业务服务器端到端路径均经由IP承载。

    在这里插入图片描述
    4G网络的网络架构更加简化。但是,在相当长的一段时间里,工程师面对的将是如图2-4所示的各种制式共存并逐步实现全面互操作的网络。
    在这里插入图片描述
    同时,4G网络扁平化,4G网络取消BSC/RNC控制器节点,海量二NodeB直连MME/SAE-GW,如图2-5所示。
    在这里插入图片描述

    3 EPC网络的网元

    LTE网络所完成的工作是将移动终端以分组的方式连接到外部分组数据网络。

    • eNodeB(evolved Node B,演进的节点B)
      • LTE网络中的基站, 是LTE网络E-UTRAN的主要网元
      • 负责无线资源管理、上下行数据分类和QoS执行、空口的数据压缩和加密
      • 同MME完成信令处理,与S-GW一起完成用户面数据转发
      • 相当于面向终端的一个汇聚节点
    • MME(Mobility Management Entity,移动性管理实体)
      • 负责控制面的移动性管理、用户上下文和移动状态管理、分配用户临时身份标识等
      • 相当于LTE网络总的管家,所有的内部事务(Intra system切换)和外部事务(Inter System互操作)均由MME总体协调完成
    • HSS(Home Subscriber Server,归属用户服务器)
      • 存储LTE网络中用户所有与业务相关的签约数据,提供用户签约信息管理和用户位置管理
      • 类似于2G、3G网络中的HLR网元
    • S-GW(Serving Gateway,服务网关)
      • 3GPP内不同接入网络间的用户锚点,负责用户在不同接入技术之间移动时用户面的数据交换
      • 承担EPC的网关功能,终结E-UTRAN方向的接口
    • P-GW(PDN Gateway,PDN网关)
      • PDN是Packet Data Network,采用分组协议(基本是IP协议)的数据网络,泛指移动终端访问的外部网络
      • P-GW被称为PDN网关,是3GPP接入网络和非3GPP接入网络之间的用户锚点
      • P-GW与外部PDN连接,终结与PDN相连的SGi接口
      • P-GW承担EPC的网关功能,一个终端可以同时通过多个P-GW访问多个PDN
      • S-GW和P-GW通常是物理网元合一部署,被称为SAE-GW
    • PCRF(Policy and Charging Rules Function,策略和计费规则功能)
      • 完成动态QoS策略控制和动态的基于流的计费控制功能
      • 提供基于用户签约信息的授权控制功能
      • P-GW识别业务流,通知PCRF,PCRF再下发规则,决定业务是否可用,以及提供给该业务的QoS
        在这里插入图片描述

    参考文献

    [1] 深入浅出4G网络—LTE/EPC

    展开全文
  • LTE核心网中,SGW、PGW、PCRF都有计费功能,请问这几个网元的计费功能有什么区别与联系呢? ​http://www.mscbsc.com/askpro/response-346808.html http://wenwen.sogou.com/z/q700976459.htm tubulvxing ...

    LTE核心网中,SGW、PGW、PCRF都有计费的功能,请问这几个网元的计费功能有什么区别与联系呢?

    ​http://www.mscbsc.com/askpro/response-346808.html

    http://wenwen.sogou.com/z/q700976459.htm

    tubulvxing 的答案

    PCRF是策略和计费控制单元,起的是制定规则的功能,不负责具体计费。

    S-GW负责跨运营商漫游用户的计费,基于用户和承载计费。

    PDN-GW负责跨运营商漫游用户的计费和网内用户基于业务流的计费。

    跨运营商漫游用户的计费和漫游网络结构有关,见协议23.401,4.2.2节。

     

    PCRF是业务数据流和IP承载资源的策略与计费控制策略决策点,它为PCEF(策略与计费执行功能单元)选择及提供可用的策略和计费控制决策。在3GPP Release8中,当使用Gxx接口时,PCRF维护GW(网关)控制会话及IP-CAN(IP连接访问网络)会话之间的关联。PCRF也是BBERF(承载绑定及事件报告功能)及PCEF之间的信息交换点,它行使BBERF及PCEF之间的事件触发器的转发,事件触发器不能在BBERF及PCEF之间直接传输。

    PCEF(Policy and Charging Enforcement Function)策略和计费执行功能,主要包含业务数据流的检测、策略执行和基于流的计费功能。该功能实体位于网关,例如GPRS的GGSN网关、 EPC的P-GW、WLAN中是PDG,也可独立部署。

    转载于:https://www.cnblogs.com/mway/p/6580136.html

    展开全文
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