Systemarkitektur Evolusjon - System Architecture Evolution

System Architecture Evolution ( SAE ) er kjernenettverksarkitekturen av mobile kommunikasjonsprotokoll gruppe 3GPP 's LTE trådløs kommunikasjonsstandarden.

SAE er utviklingen av GPRS Core Network , men med en forenklet arkitektur; et all-IP-nettverk (AIPN); støtte for høyere gjennomstrømning og lavere ventetid radioaksessnett (RAN); og støtte for og mobilitet mellom flere heterogene tilgangsnettverk, inkludert E-UTRA ( LTE og LTE Advanced air interface), og 3GPP eldre systemer (for eksempel GERAN eller UTRAN , luftgrensesnitt for henholdsvis GPRS og UMTS ), men også ikke 3GPP-systemer (for eksempel Wi-Fi , WiMAX eller CDMA2000 ).

SAE Arkitektur

SAE har en flat, all-IP-arkitektur med adskillelse av kontrollplan og brukerflytrafikk.

Hovedkomponenten i SAE-arkitekturen er Evolved Packet Core ( EPC ), også kjent som SAE Core . EPC vil tjene som ekvivalent til GPRS-nettverk (via Mobility Management Entity , Serving Gateway og PDN Gateway subcomponents).

Evolved Packet Core (EPC)

Underkomponentene til EPC er:

MME (Mobility Management Entity)

MME er nøkkelkontrollnoden for LTE-tilgangsnettverket. Det er ansvarlig for personsøkings- og taggingprosedyre for inaktiv modus User Equipment (UE) inkludert retransmissjoner. Den er involvert i aktivering / deaktivering av bærerprosessen og er også ansvarlig for å velge Serving Gateway for en UE ved den første tilknytningen og på tidspunktet for overføring innen LTE som involverer Core Network (CN) nodeflytting. Det er ansvarlig for å autentisere brukeren (ved å kommunisere med hjemmeabonnementserveren ). De Non Tilgang Stratum (NAS) signal avsluttes på MME og det er også ansvarlig for produksjon og fordeling av midlertidige identiteter til UE. Den kontrollerer UEs autorisasjon til å slå leir i tjenesteleverandørens Public Land Mobile Network (PLMN) og håndhever UE-roamingbegrensninger. MME er avslutningspunktet i nettverket for kryptering / integritetsbeskyttelse for NAS-signalering og håndterer sikkerhetsnøkkeladministrasjonen. Lovlig avlytting av signalering støttes også av MME. MME gir også kontrollplanfunksjonen for mobilitet mellom LTE- og 2G / 3G-tilgangsnettverk med S3-grensesnittet som avsluttes ved MME fra SGSN . MME avslutter også S6a-grensesnittet mot HSS for roaming-UE-er.

SGW (serverer gateway)

Serving Gateway ruter og videresender brukerdatapakker, samtidig som den fungerer som mobilitetsanker for brukerplanet under intereNodeB- overleveringer og som anker for mobilitet mellom LTE og andre 3GPP-teknologier (avslutter S4-grensesnitt og videresender trafikken mellom 2G / 3G og Packet Data Network Gateway). For bruksutstyr i inaktiv tilstand avslutter Serving Gateway nedlastingsdatabanen og utløser personsøk når nedlastingsdata kommer til brukerutstyret. Den styrer og lagrer UE-sammenhenger, f.eks. Parametere for IP-bærer-tjenesten, informasjon om intern intern rute. Den utfører også replikering av brukertrafikken i tilfelle lovlig avlytting.

PGW (Packet Data Network Gateway)

Packet Data Network Gateway (PDN Gateway, også PGW) gir tilkobling fra brukerutstyret (UE) til eksterne pakkedatanettverk (PDN) ved å være utgangspunktet for trafikken. Et stykke brukerutstyr kan ha samtidig tilkobling med mer enn én pakkedatanettverksgateway for tilgang til flere pakkedatanettverk. PDN Gateway utfører policyhåndhevelse, pakkefiltrering for hver bruker, ladestøtte, lovlig avlytting og pakkescreening. En annen nøkkelrolle for Packet Data Network Gateway er å fungere som forankring for mobilitet mellom 3GPP og ikke-3GPP-teknologier som WiMAX og 3GPP2 (CDMA 1X og EvDO ).

HSS (hjemmeabonnementserver)

Den Hjem Subscriber Server er en sentral database som inneholder brukerrelaterte og abonnementsrelatert informasjon. Funksjonene til HSS inkluderer mobilitetsstyring, støtte for samtale- og øktopprettelse, brukerautentisering og tilgangsautorisasjon. HSS er basert på pre-Rel-4 Home Location Register (HLR) og Authentication Center (AuC).

ANDSF (Access Network Discovery and Selection Function)

Den ANDSF gir informasjon til UE om tilkobling til 3GPP og ikke-3GPP aksessnett (for eksempel Wi-Fi). Hensikten med ANDSF er å hjelpe UE med å oppdage tilgangsnettverkene i deres nærhet og å gi regler (policyer) for å prioritere og administrere forbindelser til disse nettverkene.

ePDG (Evolved Packet Data Gateway)

Hovedfunksjonen til ePDG er å sikre dataoverføringen med en UE som er koblet til EPC over ikke-klarert ikke-3GPP-tilgang, for eksempel VoWi-Fi. For dette formålet fungerer ePDG som en termineringsknute for IPsec- tunneler etablert med UE.

Non Access Stratum (NAS) protokoller

Non-Access Stratum (NAS) -protokollene danner det høyeste sjiktet i kontrollplanet mellom brukerutstyret (UE) og MME. NAS-protokoller støtter mobiliteten til UE og øktadministrasjonsprosedyrene for å etablere og opprettholde IP-tilkobling mellom UE og en PDN GW. De definerer reglene for en kartlegging mellom parametere under mobilitet mellom systemene med 3G-nettverk eller ikke-3GPP-tilgangsnettverk. De gir også NAS-sikkerhet ved integritetsbeskyttelse og kryptering av NAS-signalmeldinger. EPS (Evolved Packet System) gir abonnenten en "klar til bruk" IP-tilkobling og en "alltid på" opplevelse ved å koble mellom mobilitetsadministrasjon og øktadministrasjonsprosedyrer under UE-tilknytningsprosedyren.

Komplette NAS-transaksjoner består av spesifikke sekvenser av grunnleggende prosedyrer med EPS Mobility Management (EMM) og EPS Session Management (ESM) protokoller.

EMM (EPS Mobility Management)

EPS (Evolved Packet System) Mobility Management (EMM) -protokollen gir prosedyrer for kontroll av mobilitet når brukerutstyret (UE) bruker Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN). Det gir også kontroll over sikkerhet for NAS-protokollene.

EMM involverer forskjellige typer prosedyrer som:

• Vanlige EMM-prosedyrer - kan alltid startes mens en NAS-signalforbindelse eksisterer. Prosedyrene som tilhører denne typen er initiert av nettverket. De inkluderer GUTI-omdisponering, autentisering, kontroll av sikkerhetsmodus, identifikasjon og EMM-informasjon.
• EMM-spesifikke prosedyrer - spesifikke bare for UE. Når som helst kan bare en UE-initiert EMM-spesifikk prosedyre kjøre. Prosedyrene som tilhører denne typen er feste og kombinere feste, løsne eller kombinere løsne, normal sporingsoppdatering og kombinert oppdatering av sporingsområde (bare S1-modus) og periodisk sporingsoppdatering (bare S1-modus).
• EMM-tilkoblingsadministrasjonsprosedyrer - administrer tilkoblingen av UE til nettverket:
  • Tjenesteforespørsel: Initiert av UE og brukt til å opprette en sikker forbindelse til nettverket eller for å be om ressursreservasjon for sending av data, eller begge deler.
  • Personsøkingsprosedyre: Initiert av nettverket og brukt til å be om etablering av en NAS-signalforbindelse eller for å be UE om å koble til om nødvendig på grunn av en nettverksfeil.
  • Transport av NAS-meldinger: Initiert av UE eller nettverket og brukt til å transportere SMS-meldinger .
  • Generisk transport av NAS-meldinger: Initiert av UE eller nettverket og brukt til å transportere protokollmeldinger fra andre applikasjoner.

UE og nettverket utfører vedleggsprosedyren, standard EPS-bærer-kontekstaktiveringsprosedyre parallelt. Under EPS-vedleggsprosedyren aktiverer nettverket en standard EPS-bærer-kontekst. EPS-øktstyringsmeldingene for standard EPS-bærer-kontekstaktivering overføres i et informasjonselement i EPS-mobilitetsstyringsmeldingene. UE og nettverk fullfører den kombinerte standardprosessen for aktivering av EPS-bærer-kontekst og vedleggsprosedyren før den dedikerte EPS-bærer-kontekst-aktiveringsprosedyren er fullført. Suksessen med vedleggsprosedyren er avhengig av at standardprosedyren for EPS-bærer-kontekstaktivering lykkes. Hvis vedleggsprosedyren mislykkes, mislykkes også prosedyrene for ESM-sesjonsadministrasjon.

ESM (EPS Session Management)

EPS Session Management (ESM) protokollen gir prosedyrer for håndtering av EPS-bærer-kontekster. Sammen med bærerkontrollen som tilbys av Access Stratum , gir den kontrollen over brukerbærebærere. Overføringen av ESM-meldinger er suspendert under EMM-prosedyrer, bortsett fra vedleggsprosedyren.

EPS-bærer: Hver EPS-bærer-kontekst representerer en EPS-bærer mellom UE og en PDN. EPS-bærerkontekster kan forbli aktivert selv om radio- og S1-bærere som utgjør de tilsvarende EPS-bærerne mellom UE og MME, frigjøres midlertidig. En EPS-bærer-kontekst kan enten være en standard bærer-kontekst eller en dedikert bærer-kontekst. En standard EPS-bærerkontekst er aktivert når UE ber om tilkobling til et PDN. Den første standard EPS-bærer-konteksten aktiveres under EPS-vedleggsprosedyre. I tillegg kan nettverket aktivere en eller flere dedikerte EPS-bærerkontekster parallelt.

Generelt kan ESM-prosedyrer bare utføres hvis en EMM-kontekst er etablert mellom UE og MME, og sikker utveksling av NAS-meldinger har blitt initiert av MME ved bruk av EMM-prosedyrene. Når UE er vellykket koblet til, kan UE be MME om å sette opp tilkoblinger til flere PDN-er. For hver ekstra tilkobling aktiverer MME en egen standard EPS-bærer-kontekst. En standard EPS-bærer-kontekst forblir aktivert gjennom hele levetiden til forbindelsen til PDN.

Typer ESM-prosedyrer: ESM involverer forskjellige typer prosedyrer som:

• Prosedyrer for EPS-bærerkontekster - initiert av nettverket og brukes til manipulering av EPS-bærerkontekster, inkludert standard EPS-bærer-kontekstaktivering, Dedikert EPS-bærer-kontekstaktivering, EPS-bærer-kontekstendring, EPS-bærer-kontekst deaktivering.
• Transaksjonsrelaterte prosedyrer - initiert av UE for å be om ressurser, dvs. en ny PDN-forbindelse eller dedikerte bærerressurser, eller for å frigjøre disse ressursene. De inkluderer PDN-tilkoblingsprosedyre, PDN-frakoblingsprosedyre, Bearer-ressurstildelingsprosedyre, Bearer-ressursendringsprosedyre.

MME opprettholder EMM-kontekst og EPS-bærer-kontekstinformasjon for UE-er i tilstandene ECM-IDLE, ECM CONNECTED og EMM-DEREGISTERED.

EPC-protokollstabel

MME (Mobility Management Entity) protokoller

MME-protokollstakken består av:

1. S1-MME-stack for å støtte S1-MME-grensesnitt med eNodeB
2. S11 stack for å støtte S11-grensesnitt med Serving Gateway

MME støtter S1-grensesnittet med eNodeB. Den integrerte S1 MME-grensesnittstakken består av IP , SCTP , S1AP.

• SCTP (Stream Control Transmission Protocol) er en vanlig transportprotokoll som bruker tjenestene til Internet Protocol (IP) for å gi en pålitelig datagrammet leveringstjeneste til tilpasningsmodulene, for eksempel S1AP. SCTP gir pålitelig og sekvensert levering på toppen av det eksisterende IP-rammeverket. Hovedfunksjonene som leveres av SCTP er:
  • Association setup : En tilknytning er en forbindelse som er satt opp mellom to sluttpunkter for dataoverføring, omtrent som en TCP-forbindelse. En SCTP-tilknytning kan ha flere adresser i hver ende.
  • Pålitelig datalevering: Leverer sekvensert data i en strøm (eliminering av head-of-line-blokkering): SCTP sørger for sekvensert levering av data med flere ensrettet strømmer, uten å blokkere deler av data i en annen retning.
• S1AP (S1 Application Part) er signaltjenesten mellom E-UTRAN og Evolved Packet Core (EPC) som oppfyller S1-grensesnittfunksjonene som SAE Bearer management-funksjoner, Innledende kontekstoverføringsfunksjon, Mobilitetsfunksjoner for UE, Paging, Reset-funksjonalitet, NAS-signalering av transportfunksjon, feilrapportering, UE-kontekstutgivelsesfunksjon, statusoverføring.

MME støtter S11-grensesnitt med Serving Gateway. Den integrerte S11-grensesnittstakken består av IP , UDP , eGTP-C .

SGW-protokoller (Serving Gateway)

SGW består av

1. S11 kontrollplanstabel for å støtte S11-grensesnitt med MME
2. S5 / S8-kontroll og dataplanstabler for å støtte S5 / S8-grensesnitt med PGW
3. S1 dataplanstabel for å støtte S1 brukerplangrensesnitt med eNodeB
4. S4 dataplanstabel for å støtte S4 brukerplangrensesnitt mellom RNC for UMTS og SGW for eNodeB
5. Sxa: siden 3GPP Rel.14 ble Sx-grensesnittet og den tilknyttede PFCP- protokollen lagt til SGW, noe som muliggjorde separasjon av kontrollbrukerplan mellom SGW-C og SGW-U.

SGW støtter S11-grensesnitt med MME og S5 / S8-grensesnitt med PGW. Den integrerte kontrollplanstakken for disse grensesnittene består av IP , UDP , eGTP-C .

SGW støtter S1-U-grensesnittet med eNodeB og S5 / S8 dataplangrensesnitt med PGW. Den integrerte dataplanstakken for disse grensesnittene består av IP , UDP , eGTP-U .

PGW (Packet Data Network Gateway) protokoller

Hovedgrensesnitt som støttes av P-GW er:

1. S5 / S8: dette grensesnittet er definert mellom S-GW og P-GW. Det heter S5 når S-GW og P-GW er lokalisert i samme nettverk (ikke-roaming-scenario) og S8 når S-GW er lokalisert i det besøkte nettverket og P-GW i hjemmenettverket (roaming scenario). eGTP-C og GTP-U- protokoller brukes i S5 / S8-grensesnittet.
2. Gz: dette grensesnittet brukes av P-GW til å kommunisere med Offline Charging System (OFCS), hovedsakelig for å sende Charging Data Records ( CDRs) til de postbetalte brukerne via FTP .
3. Gy: dette grensesnittet brukes av P-GW til å kommunisere med Online Charging System (OCS). P-GW informerer ladesystemet om forhåndsbetalte brukerens nyttelast i sanntid. Diameterprotokoll brukes i Gy-grensesnittet.
4. Gx: dette grensesnittet brukes av P-GW til å kommunisere med Policy and Charging Rules Function (PCRF) for å håndtere Policy og Charging Rules (PCC) regler. Disse reglene inneholder avgiftsrelatert informasjon samt kvalitet på tjenesteparametere (QoS) -parametere som vil bli brukt i innehaveren. Diameterprotokoll brukes i Gx-grensesnittet.
5. SGi: dette grensesnittet er definert mellom P-GW og eksterne nettverk, for eksempel Internett-tilgang, bedriftstilgang, etc.
6. Sxb: siden 3GPP Rel.14 ble Sx-grensesnittet og den tilhørende PFCP- protokollen lagt til PGW, noe som muliggjør separasjon av kontrollbrukerplanet mellom PGW-C og PGW-U.

Støtte for taletjenester og SMS

EPC er et eneste pakkenettnettverk. Den har ikke et kretssvitsjedomen , som tradisjonelt brukes til telefonsamtaler og SMS .

Støtte for taletjenester i EPC

3GPP spesifiserte to løsninger for tale:

• IMS : En løsning for IMS Voice over IP ble spesifisert i Rel-7.
• Circuit-Switched fallback (CSFB) : For å ringe eller motta anrop, endrer UE radiotilgangsteknologien fra LTE til en 2G / 3G-teknologi som støtter kretssvitsjede tjenester. Denne funksjonen krever 2G / 3G-dekning. Det kreves et nytt grensesnitt (kalt SG) mellom MME og MSC . Denne funksjonen ble utviklet i Rel-8.

Støtte for SMS-tjenester i EPC

3GPP spesifiserte tre løsninger for SMS:

• IMS : En løsning for SMS over IP ble spesifisert i Rel-7.
• SMS over SG : denne løsningen krever SGs-grensesnittet som ble introdusert under arbeidet med CSFB. SMS leveres i Non Access Stratum over LTE. Det er ingen endring mellom systemene for sending eller mottak av SMS. Denne funksjonen ble spesifisert i Rel-8.
• SMS over SGd : denne løsningen krever SGd Diameter-grensesnittet ved MME og leverer SMS i Non Access Stratum over LTE, uten at det kreves full signalering verken den eldre MSC som gjør CSFB, eller overhead forbundet med IMS-signalering og tilhørende EPC-bærer ledelse.

CSFB og SMS over SGs blir sett på som midlertidige løsninger, på lang sikt er IMS .

Flere tilgangsnettverk

UE kan koble seg til EPC ved hjelp av flere tilgangsteknologier. Disse tilgangsteknologiene består av:

• 3GPP-tilgang : disse tilgangsteknologiene er spesifisert av 3GPP . De inkluderer GPRS , UMTS , EDGE , HSPA , LTE og LTE Advanced .
• ikke-3GPP-tilgang : disse tilgangsteknologiene er ikke spesifisert av 3GPP . De inkluderer teknologier som cdma2000 , WiFi eller faste nettverk. 3GPP spesifiserer to klasser av ikke-3GPP-tilgangsteknologier med forskjellige sikkerhetsmekanismer:
  • pålitelige tilganger , som nettverksoperatøren anser som pålitelige fra et sikkerhetsstandpunkt (for eksempel et cdma2000- nettverk). Pålitelig ikke-3GPP får tilgang til grensesnitt direkte med nettverket.
  • upålitelige tilganger , som nettverksoperatøren ikke anser som pålitelig fra et sikkerhetsstandpunkt (for eksempel en forbindelse over et offentlig WiFi-hotspot). Ikke-klarerte ikke-3GPP-tilganger er koblet til nettverket via en ePDG, som gir ekstra sikkerhetsmekanismer ( IPsec- tunneling).

Det er opp til nettoperatøren å avgjøre om en ikke-3GPP-tilgangsteknologi er klarert eller ikke klarert.

Det er verdt å merke seg at disse klarerte / ikke-klarerte kategoriene ikke gjelder 3GPP-tilgang.

3GPP utgivelser

3GPP leverer standarder i parallelle utgivelser, som består konsistente sett med spesifikasjoner og funksjoner.

Versjon	Løslatt	Info
Utgivelse 7	4. kvartal 2007	Mulighetsstudie på All-IP Network (AIPN)
Slipp 8	4. kvartal 2008	Første utgivelse av EPC . SAE-spesifikasjon: funksjoner på høyt nivå, støtte for LTE og andre 3GPP-tilganger, støtte for ikke-3GPP-tilganger, intersystemmobilitet, Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC), CS-reserve. Jordskjelv og Tsunami Warning System (ETWS). Støtte fra Hjem Node B / Hjem eNode B .
Utgivelse 9	4. kvartal 2009	LCS-kontrollplan for EPS . Støtte for IMS-nødanrop via GPRS og EPS . Forbedringer Hjem Node B / Hjem eNode B . Offentlig advarselssystem (PWS).
Slipp 10	1. kvartal 2011	Nettverksforbedringer for maskintypekommunikasjon. Ulike avlastningsmekanismer ( LIPA , SIPTO , IFOM ).
Utgivelse 11	3. kvartal 2012	Ytterligere forbedringer for maskintypekommunikasjon. Simulering av USSD i IMS. QoS-kontroll basert på forbrukergrenser. Ytterligere forbedringer av LIPA og SIPTO. Single Radio Video Call Continuity (vSRVCC). Single Radio Voice Call Continuity fra UTRAN / GERAN til HSPA / E-UTRAN (rSRVCC). Støtte for samhandling med tilgang til bredbåndsforum .
Slipp 12	Q1 2015	Enhanced Small Cells operation, Carrier Aggregation (2 uplink carriers, 3 downlink carriers, FDD / TDD carrier aggregation), MIMO (3D channel modellering, elevation beamforming, massive MIMO), MTC - UE Cat 0 introdusert, D2D kommunikasjon, eMBMS forbedringer.
Utgivelse 13	2016 Q1	Introdusert LTE-U / LTE-LAA, LTE-M, Elevation beamforming / Full Dimension MIMO, Innendørs posisjonering, LTE-M Cat 1.4 MHz & Cat 200 kHz

Videre lesning

• 3GPP-side på SAE
• 3GPP TS 23.401: General Packet Radio Service (GPRS) forbedringer for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) tilgang
• 3GPP TS 23.402: Forbedringer av arkitekturen for ikke-3GPP-tilganger

Se også

• LTE
• IP-multimedia delsystem

Referanser

• LTE-papir: "Long Term Evolution (LTE): A Technical Overview" (PDF) . Motorola.
• Strategic White Paper: "Introduction to Evolved Packet Core" (PDF) . Alcatel-Lucent. Arkivert fra originalen (PDF) den 26.05.2012. CS1 maint: motløs parameter ( lenke )
• Teknisk stortingsmelding: "Evolved Packet Core-løsning: Innovasjon i LTE-kjerne" (PDF) . Alcatel-Lucent. Arkivert fra originalen (PDF) den 26.05.2012. CS1 maint: motløs parameter ( lenke )
• 3GPP TS 32.240: Telekommunikasjonsadministrasjon; Ladestyring; Ladearkitektur og prinsipper . portal.3gpp.org.