Ewolucja architektury systemu - System Architecture Evolution

System Architecture Evolution ( SAE ) jest podstawą architektury sieci mobilnej grupa protokół komunikacyjny 3GPP „s LTE standardu komunikacji bezprzewodowej.

SAE to ewolucja sieci bazowej GPRS , ale o uproszczonej architekturze; sieć all-IP (AIPN); obsługa sieci dostępu radiowego (RAN) o wyższej przepustowości i niższych opóźnieniach ; obsługa i mobilność między wieloma heterogenicznymi sieciami dostępowymi, w tym E-UTRA ( LTE i LTE Advanced air interface) oraz starsze systemy 3GPP (na przykład GERAN lub UTRAN , interfejsy radiowe odpowiednio GPRS i UMTS ), ale także Systemy 3GPP (na przykład Wi-Fi , WiMAX lub CDMA2000 ).

Architektura SAE

SAE ma płaską architekturę całkowicie opartą na protokole IP z oddzieleniem ruchu płaszczyzny sterowania i ruchu na płaszczyźnie użytkownika.

Głównym składnikiem architektury SAE jest Evolved Packet Core ( EPC ), znany również jako SAE Core . EPC będzie służyć jako odpowiednik sieci GPRS (za pośrednictwem podzespołów Mobility Management Entity , Serving Gateway i PDN Gateway ).

Evolved Packet Core (EPC)

Węzły i interfejsy EPC

Podskładniki EPC to:

MME (jednostka zarządzania mobilnością)

MME jest kluczowym węzłem kontrolnym sieci dostępowej LTE. Odpowiada za procedurę przywoływania i znakowania sprzętu użytkownika (UE) w trybie bezczynności , w tym za retransmisje. Jest zaangażowany w proces aktywacji / dezaktywacji nośnika, a także jest odpowiedzialny za wybór bramy obsługującej dla UE przy początkowym podłączaniu i podczas przekazywania wewnątrz LTE obejmującego relokację węzła sieci rdzeniowej (CN). Odpowiada za uwierzytelnianie użytkownika (poprzez interakcję z serwerem abonentów macierzystych ). The Non Dostęp Stratum (NAS) kończy sygnalizacji na MME i jest również odpowiedzialny za generowanie i przydzielania identyfikatorów tymczasowych do urządzeń użytkownika. Sprawdza upoważnienie UE do biwakowania w publicznej sieci telefonii komórkowej (PLMN) dostawcy usług i egzekwuje ograniczenia dotyczące roamingu UE. MME jest punktem końcowym w sieci służącym do szyfrowania / ochrony integralności sygnalizacji NAS i zarządza kluczami bezpieczeństwa. Zgodne z prawem przechwytywanie sygnalizacji jest również obsługiwane przez MME. MME zapewnia również funkcję płaszczyzny sterowania dla mobilności między sieciami dostępowymi LTE i 2G / 3G z interfejsem S3 kończącym się w MME z SGSN . MME kończy również interfejs S6a w kierunku HSS dla UE w roamingu.

SGW (brama obsługująca)

Brama obsługująca kieruje i przekazuje pakiety danych użytkownika, jednocześnie działając jako kotwica mobilności dla płaszczyzny użytkownika podczas przełączeń między eNodeB i jako kotwica dla mobilności między LTE a innymi technologiami 3GPP (kończenie interfejsu S4 i przekazywanie ruchu między 2G / 3G systemów i bramy sieciowej danych pakietowych). W przypadku sprzętu użytkownika w stanie bezczynności, Brama obsługująca kończy ścieżkę danych łącza w dół i wyzwala przywołanie, gdy dane łącza w dół docierają do Urządzenia użytkownika. Zarządza i przechowuje konteksty UE, np. Parametry usługi przenoszenia IP, informacje o wewnętrznym routingu sieci. Wykonuje również replikację ruchu użytkowników w przypadku legalnego przechwycenia.

PGW (brama sieci danych pakietowych)

Brama sieci danych pakietowych (PDN Gateway, również PGW) zapewnia łączność od sprzętu użytkownika (UE) do zewnętrznych sieci danych pakietowych (PDN), będąc punktem wyjścia i wejścia ruchu. Część Sprzętu użytkownika może mieć jednoczesną łączność z więcej niż jedną bramą sieci danych pakietowych w celu uzyskania dostępu do wielu sieci danych pakietowych. Brama PDN realizuje wymuszanie polityki, filtrowanie pakietów dla każdego użytkownika, obsługę ładowania, legalne przechwytywanie i przesiewanie pakietów. Inną kluczową rolą Packet Data Network Gateway jest działanie jako kotwica mobilności między technologiami 3GPP i innymi niż 3GPP, takimi jak WiMAX i 3GPP2 (CDMA 1X i EvDO ).

HSS (serwer abonentów domowych)

Home Subscriber Server jest centralną bazą danych, która zawiera informacje związane użytkownika i związane z subskrypcji. Funkcje HSS obejmują zarządzanie mobilnością, obsługę nawiązywania połączeń i sesji, uwierzytelnianie użytkowników i autoryzację dostępu. HSS jest oparty na rejestrze lokalizacji macierzystych (HLR) i Centrum uwierzytelniania (AuC) sprzed Rel-4 .

ANDSF (funkcja wykrywania i wyboru sieci dostępu)

ANDSF dostarcza informacji do UE o łączności 3GPP i sieciami dostępowymi spoza 3GPP (takich jak Wi-Fi). Celem ANDSF jest pomoc UE w wykrywaniu sieci dostępowych w ich sąsiedztwie i zapewnianiu reguł (zasad) ustalania priorytetów i zarządzania połączeniami z tymi sieciami.

ePDG (Evolved Packet Data Gateway)

Główną funkcją ePDG jest zabezpieczenie transmisji danych z UE podłączonym do EPC przez niezaufany dostęp inny niż 3GPP, np. VoWi-Fi. W tym celu ePDG działa jako węzeł końcowy tuneli IPsec utworzonych z UE.

Protokoły Non Access Stratum (NAS)

Protokoły Non-Access Stratum (NAS) tworzą najwyższą warstwę płaszczyzny sterowania między sprzętem użytkownika (UE) a MME. Protokoły NAS obsługują mobilność UE i procedury zarządzania sesjami w celu ustanowienia i utrzymania łączności IP między UE a PDN GW. Definiują zasady mapowania między parametrami podczas mobilności między systemami w sieciach 3G lub sieciach dostępowych innych niż 3GPP. Zapewniają również bezpieczeństwo NAS poprzez ochronę integralności i szyfrowanie komunikatów sygnalizacyjnych NAS. EPS (Evolved Packet System) zapewnia abonentowi „gotową do użycia” łączność IP i doświadczenie „zawsze włączonego” poprzez połączenie między zarządzaniem mobilnością a procedurami zarządzania sesjami podczas procedury dołączania przez UE.

Kompletne transakcje NAS składają się z określonych sekwencji podstawowych procedur z protokołami EPS Mobility Management (EMM) i EPS Session Management (ESM).

EMM (EPS Mobility Management)

Protokół zarządzania mobilnością (EMM) EPS (Evolved Packet System) zapewnia procedury kontroli mobilności, gdy sprzęt użytkownika (UE) korzysta z Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN). Zapewnia również kontrolę nad bezpieczeństwem protokołów NAS.

EMM obejmuje różne rodzaje procedur, takie jak:

Wspólne procedury EMM - można je zawsze zainicjować, gdy istnieje połączenie sygnalizacyjne NAS. Procedury należące do tego typu są inicjowane przez sieć. Obejmują realokację GUTI, uwierzytelnianie, kontrolę trybu bezpieczeństwa, identyfikację i informacje EMM.
Procedury specyficzne dla EMM - specyficzne tylko dla UE. W dowolnym momencie może być uruchomiona tylko jedna specyficzna procedura EMM zainicjowana przez UE. Procedury należące do tego typu to dołączanie i łączone dołączanie, odłączanie lub łączone odłączanie, aktualizacja normalnego obszaru śledzenia i łączona aktualizacja obszaru śledzenia (tylko tryb S1) oraz okresowa aktualizacja obszaru śledzenia (tylko tryb S1).
Procedury zarządzania połączeniami EMM - zarządzaj połączeniem UE z siecią:
- Żądanie usługi: zainicjowane przez UE i używane do ustanowienia bezpiecznego połączenia z siecią lub do żądania rezerwacji zasobów w celu wysłania danych, lub obu.
- Procedura przywoławcza: Inicjowana przez sieć i używana do żądania ustanowienia połączenia sygnalizacyjnego NAS lub do nakłaniania UE do ponownego przyłączenia, jeśli jest to konieczne w wyniku awarii sieci.
- Transport wiadomości NAS: inicjowany przez UE lub sieć i używany do przesyłania wiadomości SMS .
- Ogólny transport komunikatów NAS: inicjowany przez UE lub sieć i używany do przesyłania komunikatów protokołów z innych aplikacji.

UE i sieć równolegle wykonują procedurę dołączania, domyślną procedurę aktywacji kontekstu nośnika EPS. Podczas procedury dołączania EPS sieć aktywuje domyślny kontekst nośnika EPS. Komunikaty zarządzania sesją EPS dla domyślnej aktywacji kontekstu nośnika EPS są przesyłane w elemencie informacyjnym w komunikatach zarządzania mobilnością EPS. UE i sieć kończą łączoną procedurę aktywacji domyślnego kontekstu nośnika EPS i procedurę dołączania przed zakończeniem procedury aktywacji dedykowanego kontekstu nośnika EPS. Powodzenie procedury dołączania zależy od powodzenia domyślnej procedury aktywacji kontekstu nośnika EPS. Jeśli procedura dołączania nie powiedzie się, procedury zarządzania sesjami ESM również się nie powiodą.

ESM (zarządzanie sesjami EPS)

Protokół zarządzania sesjami EPS (ESM) zapewnia procedury obsługi kontekstów nośnika EPS. Wraz ze sterowaniem nośnikiem zapewnianym przez warstwę dostępu zapewnia kontrolę nośników płaszczyzny użytkownika. Transmisja komunikatów ESM jest zawieszana na czas procedur EMM z wyjątkiem procedury załączania.

Nośnik EPS: Każdy kontekst nośnika EPS reprezentuje nośnik EPS między UE a PDN. Konteksty nośnika EPS mogą pozostać aktywowane, nawet jeśli radio i nośniki S1 stanowiące odpowiednie nośniki EPS między UE i MME są tymczasowo zwolnione. Kontekst nośnika EPS może być domyślnym kontekstem nośnika lub dedykowanym kontekstem nośnika. Domyślny kontekst nośnika EPS jest aktywowany, gdy UE żąda połączenia z PDN. Pierwszy domyślny kontekst nośnika EPS jest aktywowany podczas procedury dołączania EPS. Ponadto sieć może równolegle aktywować jeden lub kilka dedykowanych kontekstów nośnika EPS.

Ogólnie procedury ESM mogą być wykonywane tylko wtedy, gdy kontekst EMM został ustanowiony między UE a MME, a bezpieczna wymiana komunikatów NAS została zainicjowana przez MME przy użyciu procedur EMM. Po pomyślnym podłączeniu UE, UE może zażądać od MME zestawienia połączeń z dodatkowymi PDN. Dla każdego dodatkowego połączenia MME aktywuje oddzielny domyślny kontekst nośnika EPS. Domyślny kontekst nośnika EPS pozostaje aktywny przez cały czas trwania połączenia z PDN.

Rodzaje procedur EMS: ESM obejmuje różne rodzaje procedur, takie jak:

Procedury dotyczące kontekstów nośnika EPS - inicjowane przez sieć i służą do manipulacji kontekstami nośnika EPS, w tym aktywacji kontekstu domyślnego nośnika EPS, aktywacji kontekstu dedykowanego nośnika EPS, modyfikacji kontekstu nośnika EPS, dezaktywacji kontekstu nośnika EPS.
Procedury związane z transakcją - inicjowane przez UE w celu zażądania zasobów, tj. Nowego połączenia PDN lub dedykowanych zasobów nośnika, lub zwolnienia tych zasobów. Obejmują one procedurę połączenia PDN, procedurę rozłączenia PDN, procedurę alokacji zasobów nośnika, procedurę modyfikacji zasobów nośnika.

MME utrzymuje kontekst EMM i informacje kontekstu nośnika EPS dla UE w stanach ECM-IDLE, ECM CONNECTED i EMM-DEREGISTERED.

Stos protokołów EPC

Protokoły MME (Mobility Management Entity)

Stos protokołów MME składa się z:

Stos S1-MME do obsługi interfejsu S1-MME z eNodeB
Stos S11 do obsługi interfejsu S11 z Serving Gateway

MME obsługuje interfejs S1 z eNodeB. Zintegrowany stos interfejsów S1 MME składa się z IP , SCTP , S1AP.

SCTP (Stream Control Transmission Protocol) to powszechny protokół transportowy, który wykorzystuje usługi protokołu internetowego (IP) w celu zapewnienia niezawodnej usługi dostarczania datagramów do modułów adaptacyjnych, takich jak S1AP. SCTP zapewnia niezawodne i sekwencyjne dostarczanie na szczycie istniejącej struktury IP. Główne funkcje oferowane przez SCTP to:
- Konfiguracja asocjacji : Powiązanie to połączenie, które jest ustanawiane między dwoma punktami końcowymi w celu przesyłania danych, podobnie jak połączenie TCP. Powiązanie SCTP może mieć wiele adresów na każdym końcu.
- Niezawodne dostarczanie danych : dostarcza sekwencjonowane dane w strumieniu (eliminacja blokowania nagłówka linii): SCTP zapewnia sekwencyjne dostarczanie danych z wieloma jednokierunkowymi strumieniami, bez blokowania fragmentów danych w innym kierunku.
S1AP (S1 Application Part) to usługa sygnalizacyjna między E-UTRAN a Evolved Packet Core (EPC), która spełnia funkcje interfejsu S1, takie jak funkcje zarządzania nośnikiem SAE, funkcja przenoszenia kontekstu początkowego, funkcje mobilności dla UE, przywoływanie, funkcja resetowania, Funkcja transportu sygnalizacji NAS, raportowanie błędów, funkcja zwalniania kontekstu UE, przesyłanie statusu.

MME obsługuje interfejs S11 z Serving Gateway. Zintegrowany stos interfejsów S11 składa się z IP , UDP , eGTP-C .

Protokoły SGW (Serving Gateway)

SGW składa się z

Stos płaszczyzny sterowania S11 do obsługi interfejsu S11 z MME
Stosy płaszczyzny sterowania i danych S5 / S8 obsługujące interfejs S5 / S8 z PGW
Stos płaszczyzny danych S1 do obsługi interfejsu płaszczyzny użytkownika S1 z eNodeB
Stos płaszczyzny danych S4 do obsługi interfejsu płaszczyzny użytkownika S4 między RNC UMTS i SGW eNodeB
Sxa: od wersji 3GPP 14, interfejs Sx i powiązany protokół PFCP został dodany do SGW, umożliwiając rozdzielenie płaszczyzny sterowania pomiędzy SGW-C i SGW-U.

SGW obsługuje interfejs S11 z MME i interfejs S5 / S8 z PGW. Zintegrowany stos płaszczyzny sterowania dla tych interfejsów składa się z IP , UDP , eGTP-C .

SGW obsługuje interfejs S1-U z eNodeB oraz interfejs płaszczyzny danych S5 / S8 z PGW. Zintegrowany stos płaszczyzny danych dla tych interfejsów składa się z IP , UDP , eGTP-U .

Główne interfejsy współdzielone przez P-GW z innymi węzłami EPC

Protokoły PGW (Packet Data Network Gateway)

Główne interfejsy obsługiwane przez P-GW to:

S5 / S8: ten interfejs jest zdefiniowany między S-GW i P-GW. Nazywa się S5, gdy S-GW i P-GW znajdują się w tej samej sieci (scenariusz bez roamingu), a S8, gdy S-GW znajduje się w sieci odwiedzanej, a P-GW w sieci macierzystej (roaming scenariusz). Protokoły eGTP-C i GTP-U są używane w interfejsie S5 / S8.
Gz: ten interfejs jest używany przez P-GW do komunikacji z systemem ładowania offline (OFCS), głównie do wysyłania rekordów danych ładowania (CDR) użytkowników abonamentowych przez FTP .
Gy: ten interfejs jest używany przez P-GW do komunikacji z systemem ładowania online (OCS). P-GW informuje system ładowania w czasie rzeczywistym o ładunku użytkowników pre-paid. W interfejsie Gy używany jest protokół Diameter .
Gx: ten interfejs jest używany przez P-GW do komunikacji z funkcją Policy and Charging Rules Function (PCRF) w celu obsługi reguł Policy and Charging Rules (PCC). Reguły te zawierają informacje związane z opłatami, a także parametry jakości usług (QoS), które będą używane w ustanowieniu nośnika. W interfejsie Gx używany jest protokół Diameter .
SGi: ten interfejs jest definiowany między P-GW a sieciami zewnętrznymi, na przykład dostęp do Internetu, dostęp korporacyjny itp.
Sxb: od wersji 3GPP 14, interfejs Sx i powiązany protokół PFCP został dodany do PGW, umożliwiając rozdzielenie płaszczyzny sterowania pomiędzy PGW-C i PGW-U.

Obsługa usług głosowych i SMS-ów

EPC to sieć bazowa obsługująca wyłącznie pakiety. Nie ma domeny z komutacją łączy, która jest tradycyjnie używana do połączeń telefonicznych i SMS - ów .

Wsparcie dla usług głosowych w EPC

3GPP określiło dwa rozwiązania dla głosu:

IMS : Rozwiązanie dla IMS Voice over IP zostało określone w Rel-7.
Powrót z komutacją łączy (CSFB) : aby wykonywać lub odbierać połączenia, UE zmienia swoją technologię dostępu radiowego z LTE na technologię 2G / 3G, która obsługuje usługi z komutacją łączy. Ta funkcja wymaga zasięgu 2G / 3G. Wymagany jest nowy interfejs (zwany SG) między MME a MSC . Ta funkcja została opracowana w Rel-8.

Wsparcie dla usług SMS w EPC

3GPP określiło trzy rozwiązania dla SMS-ów:

IMS : Rozwiązanie dla SMS over IP zostało określone w Rel-7.
SMS over SG : to rozwiązanie wymaga interfejsu SG wprowadzonego podczas prac nad CSFB. SMS-y są dostarczane w warstwie bez dostępu przez LTE. Nie ma zmian międzysystemowych dotyczących wysyłania lub odbierania wiadomości SMS. Ta funkcja została określona w Rel-8.
SMS over SGd : to rozwiązanie wymaga interfejsu SGd Diameter w MME i dostarcza wiadomości SMS w warstwie bez dostępu przez LTE, bez konieczności pełnej sygnalizacji ani dotychczasowego MSC wykonującego CSFB, ani narzutu związanego z sygnalizacją IMS i powiązanym nośnikiem EPC zarządzanie.

CSFB i SMS over SG są postrzegane jako rozwiązania tymczasowe, a długoterminowe to IMS .

Sieci wielodostępowe

UE może połączyć się z EPC przy użyciu kilku technologii dostępu. Te technologie dostępu składają się z:

Dostęp 3GPP : te technologie dostępu są określone przez 3GPP . Obejmują one GPRS , UMTS , EDGE , HSPA , LTE i LTE Advanced .
Dostępy inne niż 3GPP : te technologie dostępu nie są określone przez 3GPP . Są to technologie takie jak cdma2000 , WiFi czy sieci stacjonarne. 3GPP określa dwie klasy technologii dostępu innych niż 3GPP z różnymi mechanizmami bezpieczeństwa:
- zaufane dostępy , które operator sieci uważa za zaufane z punktu widzenia bezpieczeństwa (na przykład: sieć cdma2000 ). Zaufany interfejs inny niż 3GPP uzyskuje dostęp do interfejsu bezpośrednio z siecią.
- niezaufane dostępy , których operator sieci nie uważa za zaufane z punktu widzenia bezpieczeństwa (na przykład połączenie przez publiczny hotspot WiFi). Niezaufane połączenia inne niż 3GPP są połączone z siecią za pośrednictwem ePDG, które zapewniają dodatkowe mechanizmy bezpieczeństwa ( tunelowanie IPsec ).

Operator sieci decyduje, czy technologia dostępu inna niż 3GPP jest zaufana, czy niezaufana.

Warto zauważyć, że te zaufane / niezaufane kategorie nie mają zastosowania do dostępów 3GPP.

Wersje 3GPP

3GPP dostarcza standardy w równoległych wersjach, które składają się na spójne zestawy specyfikacji i funkcji.

Wersja	Wydany	Informacje
Premiera 7	IV kwartał 2007 r	Studium wykonalności dotyczące sieci All-IP (AIPN)
Premiera 8	IV kwartał 2008 r	Pierwsza wersja EPC . Specyfikacja SAE: funkcje wysokiego poziomu, obsługa LTE i innych dostępów 3GPP, obsługa dostępów innych niż 3GPP, mobilność między systemami, ciągłość połączeń głosowych pojedynczego radia (SRVCC), powrót CS. System ostrzegania przed trzęsieniami ziemi i tsunami (ETWS). Wsparcie Home Node B / Home eNode B .
Premiera 9	IV kwartał 2009 r	Samolot sterujący LCS dla EPS . Obsługa połączeń alarmowych IMS przez GPRS i EPS . Rozszerzenia Home Node B / Home eNode B . System ostrzegania publicznego (PWS).
Premiera 10	I kwartał 2011 r	Udoskonalenia sieciowe dla komunikacji typu maszynowego. Różne mechanizmy odciążające ( LIPA , SIPTO , IFOM ).
Premiera 11	III kwartał 2012 r	Dalsze ulepszenia komunikacji maszynowej. Symulacja USSD w IMS. Kontrola QoS oparta na limitach wydatków abonentów. Dalsze ulepszenia LIPA i SIPTO. Ciągłość pojedynczej radiowej rozmowy wideo (vSRVCC). Ciągłość pojedynczej radiowej rozmowy głosowej z UTRAN / GERAN do HSPA / E-UTRAN (rSRVCC). Wsparcie współpracy z dostępami Broadband Forum .
Premiera 12	I kwartał 2015 r	Ulepszone działanie małych komórek, agregacja nośnych (2 nośne łącza w górę, 3 nośne łącza w dół, agregacja nośnych FDD / TDD), MIMO (modelowanie kanałów 3D, kształtowanie wiązki elewacji, masywne MIMO), wprowadzenie MTC - UE Cat 0, komunikacja D2D, ulepszenia eMBMS.
Premiera 13	I kwartał 2016 r	Wprowadzono LTE-U / LTE-LAA, LTE-M, kształtowanie wiązki elewacji / Full Dimension MIMO, pozycjonowanie wewnętrzne, LTE-M Cat 1,4 MHz i Cat 200 kHz

Dalsza lektura

Zobacz też

Bibliografia

Biała księga LTE: „Długoterminowa ewolucja (LTE): przegląd techniczny” (PDF) . Motorola.
Raport strategiczny: „Wprowadzenie do Evolved Packet Core” (PDF) . Alcatel-Lucent. Zarchiwizowane od oryginalnego (PDF) w dniu 2012-05-26. CS1 maint: zniechęcony parametr ( link )
Dokument techniczny: „Evolved Packet Core solution: Innovation in LTE core” (PDF) . Alcatel-Lucent. Zarchiwizowane od oryginalnego (PDF) w dniu 2012-05-26. CS1 maint: zniechęcony parametr ( link )
3GPP TS 32.240: Zarządzanie telekomunikacją; Zarządzanie ładowaniem; Architektura i zasady ładowania . portal.3gpp.org.

Languages

In other projects