Systemarkitektur Evolution - System Architecture Evolution

System Architecture Evolution ( SAE ) är kärnnätverksarkitekturen i mobilkommunikationsprotokollgruppen 3GPP : s LTE- trådlösa kommunikationsstandard.

SAE är utvecklingen av GPRS Core Network , men med en förenklad arkitektur; ett all-IP-nätverk (AIPN); stöd för högre kapacitet och lägre latens radioaccessnät (RAN); och stöd för och rörlighet mellan flera heterogena accessnät, inklusive E-UTRA ( LTE och LTE Advanced air interface), och 3GPP äldre system (till exempel GERAN eller UTRAN , luftgränssnitt för GPRS respektive UMTS ), men också icke- 3GPP-system (till exempel Wi-Fi , WiMAX eller CDMA2000 ).

SAE-arkitektur

SAE har en platt all-IP-arkitektur med separering av kontrollplan och trafik för användarplan.

Huvudkomponenten i SAE-arkitekturen är Evolved Packet Core ( EPC ), även känd som SAE Core . EPC kommer att fungera som motsvarighet till GPRS-nätverk (via delkomponenterna Mobility Management , Serving Gateway och PDN Gateway ).

Evolved Packet Core (EPC)

EPC-noder och gränssnitt

Underkomponenterna i EPC är:

MME (Mobility Management Entity)

MME är nyckelstyrnoden för LTE-åtkomstnätverket. Det ansvarar för inaktivering av användarutrustning (UE) för personsökning och taggning inklusive återutsändningar. Den är inblandad i bärarens aktivering / avaktivering och är också ansvarig för att välja Serving Gateway för en UE vid den första kopplingen och vid tidpunkten för handöverlämning som involverar Core Network (CN) nodförflyttning. Det är ansvarigt för att autentisera användaren (genom att interagera med hemprenumerationsservern ). De icke Tillgång Stratum (NAS) signal slutar vid MME och det är också ansvarig för generering och fördelning av temporära identiteter till UE. Den kontrollerar UE: s auktorisation att lära sig i tjänsteleverantörens Public Land Mobile Network (PLMN) och verkställer UE-roamingbegränsningar. MME är avslutningspunkten i nätverket för kryptering / integritetsskydd för NAS-signalering och hanterar säkerhetsnyckelhanteringen. Laglig avlyssning av signalering stöds också av MME. MME tillhandahåller också kontrollplanfunktionen för rörlighet mellan LTE- och 2G / 3G-åtkomstnät med S3-gränssnittet som slutar vid MME från SGSN . MME avslutar också S6a-gränssnittet mot HSS för roaming-UE: er.

SGW (Serving Gateway)

Serving Gateway rutter och vidarebefordrar användardatapaket, samtidigt som den fungerar som mobilitetsankare för användarplanet under intereNodeB- överlämningar och som ankare för mobilitet mellan LTE och andra 3GPP-tekniker (avslutar S4-gränssnitt och vidarebefordrar trafiken mellan 2G / 3G system och Gateway för paketdatanätverk). För användarutrustning i viloläge avslutar Serving Gateway nedlänksdatasökvägen och utlöser personsökning när nedlänksdata anländer till användarutrustningen. Den hanterar och lagrar UE-sammanhang, t.ex. parametrar för IP-bärartjänsten, nätverksintern routningsinformation. Det utför också replikering av användartrafiken vid laglig avlyssning.

PGW (Packet Data Network Gateway)

Packet Data Network Gateway (PDN Gateway, även PGW) tillhandahåller anslutning från User Equipment (UE) till externa paketdatanätverk (PDN) genom att vara dess utgångs- och inmatningspunkt för trafik. En bit användarutrustning kan ha samtidig anslutning till mer än en Packet Data Network Gateway för åtkomst till flera paketdatanätverk. PDN Gateway utför policyhantering, paketfiltrering för varje användare, laddningssupport, laglig avlyssning och paketscreening. En annan nyckelroll för Packet Data Network Gateway är att fungera som ankare för mobilitet mellan 3GPP och icke-3GPP-teknik som WiMAX och 3GPP2 (CDMA 1X och EvDO ).

HSS (hemprenumerationsserver)

Den Home Subscriber Server är en central databas som innehåller användarrelaterade och abonnemangsrelaterad information. Funktionerna för HSS inkluderar mobilitetshantering, support för samtal och session, användarautentisering och åtkomstbehörighet. HSS är baserat på pre-Rel-4 Home Location Register (HLR) och Authentication Center (AuC).

ANDSF (Access Network Discovery and Selection Function)

Den ANDSF ger information till UE om anslutning till 3GPP och icke-3GPP accessnät (t.ex. Wi-Fi). Syftet med ANDSF är att hjälpa UE att upptäcka åtkomstnäten i deras närhet och att tillhandahålla regler (policyer) för att prioritera och hantera anslutningar till dessa nätverk.

ePDG (Evolved Packet Data Gateway)

Huvudfunktionen för ePDG är att säkra dataöverföringen med en UE ansluten till EPC över opålitlig icke-3GPP-åtkomst, t.ex. VoWi-Fi. För detta ändamål fungerar ePDG som en avslutningsnod för IPsec- tunnlar etablerade med UE.

Non Access Stratum (NAS) protokoll

Non-Access Stratum (NAS) -protokollet utgör det högsta stratumet i kontrollplanet mellan användarutrustningen (UE) och MME. NAS-protokoll stöder UE: s rörlighet och procedurer för sessionhantering för att upprätta och upprätthålla IP-anslutning mellan UE och en PDN GW. De definierar reglerna för en mappning mellan parametrar under intersystem-mobilitet med 3G-nätverk eller icke-3GPP-åtkomstnätverk. De tillhandahåller också NAS-säkerhet genom integritetsskydd och kryptering av NAS-signaleringsmeddelanden. EPS (Evolved Packet System) ger abonnenten en "färdig att använda" IP-anslutning och en "alltid på" -upplevelse genom att länka mellan mobilitetshantering och sessionhanteringsprocedurer under UE-anslutningsproceduren.

Kompletta NAS-transaktioner består av specifika sekvenser av elementära procedurer med EPS Mobility Management (EMM) och EPS Session Management (ESM) protokoll.

EMM (EPS Mobility Management)

EPS-protokollet (Evolved Packet System) Mobility Management (EMM) tillhandahåller procedurer för kontroll av mobilitet när användarutrustningen (UE) använder Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN). Det ger också kontroll över säkerhet för NAS-protokollen.

EMM involverar olika typer av procedurer som:

EMM vanliga procedurer - kan alltid initieras medan en NAS-signalanslutning finns. Procedurerna som tillhör denna typ initieras av nätverket. De inkluderar GUTI-omfördelning, autentisering, kontroll av säkerhetsläge, identifiering och EMM-information.
EMM-specifika procedurer - specifika endast för UE. När som helst kan bara en UE-initierad EMM-specifik procedur köras. Förfarandena som tillhör denna typ är att bifoga och kombinera koppla, lossa eller kombinera frigöra, normal spårningsuppdatering och kombinerad spårningsuppdatering (endast S1-läge) och periodisk spårningsuppdatering (endast S1-läge).
EMM-anslutningshanteringsprocedurer - hantera anslutningen av UE till nätverket:
- Serviceförfrågan: initierad av UE och används för att upprätta en säker anslutning till nätverket eller för att begära resursreservation för att skicka data, eller båda.
- Personsökningsförfarande: Initierat av nätverket och används för att begära upprättande av en NAS-signalanslutning eller för att uppmana UE att återansluta vid behov till följd av ett nätverksfel.
- Transport av NAS-meddelanden: Initierad av UE eller nätverket och används för att transportera SMS-meddelanden .
- Generisk transport av NAS-meddelanden: Initierad av UE eller nätverket och används för att transportera protokollmeddelanden från andra applikationer.

UE och nätverket utför anslutningsförfarandet, standardinställningen för EPS-bärarkontextaktivering parallellt. Under EPS-bifogningsproceduren aktiverar nätverket ett standard EPS-bärarkontext. EPS-hanteringsmeddelanden för standardaktivering av EPS-bärarkontext sänds i ett informationselement i EPS-mobilitetshanteringsmeddelanden. UE och nätverk slutför det kombinerade standardiseringsprocessen för EPS-bärarkontextaktivering och kopplingsproceduren innan det dedikerade EPS-bärarkontextaktiveringsförfarandet avslutas. Framgången för bifogningsproceduren beror på framgången för standardproceduren för aktivering av EPS-bärare. Om bifogningsproceduren misslyckas misslyckas också procedurerna för hantering av ESM-sessioner.

ESM (EPS Session Management)

ESM-protokollet (EPS Session Management) tillhandahåller förfaranden för hantering av EPS-bärarkontexter. Tillsammans med bärarkontrollen som tillhandahålls av Access Stratum tillhandahåller den kontrollen för användarplansbärare. Överföringen av ESM-meddelanden avbryts under EMM-procedurer förutom bifogningsproceduren.

EPS-bärare: Varje EPS-bärarkontext representerar en EPS-bärare mellan UE och ett PDN. EPS-bärarkontexter kan förbli aktiverade även om radio- och S1-bärare som utgör motsvarande EPS-bärare mellan UE och MME släpps tillfälligt. En EPS-bärarkontext kan antingen vara en standardbärarkontext eller en dedikerad bärarkontext. En standard EPS-bärarkontext aktiveras när UE begär en anslutning till ett PDN. Det första standard EPS-bärarkontexten aktiveras under EPS-bifogningsproceduren. Dessutom kan nätverket aktivera en eller flera dedikerade EPS-bärarkontexter parallellt.

Generellt kan ESM-procedurer endast utföras om ett EMM-sammanhang har upprättats mellan UE och MME, och det säkra utbytet av NAS-meddelanden har initierats av MME med användning av EMM-procedurerna. När UE har anslutits framgångsrikt kan UE begära MME att skapa anslutningar till ytterligare PDN. För varje ytterligare anslutning aktiverar MME ett separat standard EPS-bärarkontext. En standard EPS-bärarkontext förblir aktiverad under hela livslängden för anslutningen till PDN.

Typer av ESM-procedurer: ESM involverar olika typer av procedurer såsom:

Procedurer för EPS-bärarkontexter - initierade av nätverket och används för manipulering av EPS-bärarkontexter, inklusive standard EPS-bärarkontextaktivering, Dedikerad EPS-bärarkontextaktivering, EPS-bärarkontextändring, EPS-bärarkontext deaktivering.
Transaktionsrelaterade procedurer - initierade av UE för att begära resurser, dvs. en ny PDN-anslutning eller dedikerade bärarresurser, eller för att frigöra dessa resurser. De inkluderar PDN-anslutningsprocedur, PDN-kopplingsförfarande, Bearer-resursallokeringsprocedur, Bearer-resursmodifieringsprocedur.

MME upprätthåller EMM-sammanhang och EPS-bärarkontextinformation för UE i tillstånden ECM-IDLE, ECM CONNECTED och EMM-DEREGISTERED.

EPC-protokollstack

MME-protokoll (Mobility Management Entity)

MME-protokollstacken består av:

S1-MME-stack för att stödja S1-MME-gränssnitt med eNodeB
S11-stack för att stödja S11-gränssnitt med Serving Gateway

MME stöder S1-gränssnittet med eNodeB. Den integrerade S1 MME-gränssnittsstacken består av IP , SCTP , S1AP.

SCTP (Stream Control Transmission Protocol) är ett vanligt transportprotokoll som använder tjänsterna från Internet Protocol (IP) för att tillhandahålla en tillförlitlig datagramleveransservice till anpassningsmodulerna, till exempel S1AP. SCTP ger pålitlig och sekvenserad leverans ovanpå det befintliga IP-ramverket. De viktigaste funktionerna som tillhandahålls av SCTP är:
- Association setup : En association är en anslutning som ställs in mellan två slutpunkter för dataöverföring, ungefär som en TCP-anslutning. En SCTP-anslutning kan ha flera adresser i varje ände.
- Pålitlig dataleverans: Levererar sekvenserad data i en ström (eliminering av head-of-line blocking): SCTP säkerställer sekvenserad leverans av data med flera enkelriktade strömmar, utan att blockera bitar av data i någon annan riktning.
S1AP (S1 Application Part) är signaltjänsten mellan E-UTRAN och Evolved Packet Core (EPC) som uppfyller S1-gränssnittsfunktionerna som SAE Bearer-hanteringsfunktioner, Initial kontextöverföringsfunktion, Mobilitetsfunktioner för UE, Personsökning, Återställfunktion, NAS-signalfunktion, Felrapportering, UE-kontextfrigöringsfunktion, Statusöverföring.

MME stöder S11-gränssnitt med Serving Gateway. Den integrerade S11-gränssnittsstacken består av IP , UDP , eGTP-C .

SGW-protokoll (Serving Gateway)

SGW består av

S11 kontrollplanstack för att stödja S11-gränssnitt med MME
S5 / S8-kontroll- och dataplanstackar för att stödja S5 / S8-gränssnitt med PGW
S1 dataplan stack för att stödja S1 användarplan gränssnitt med eNodeB
S4-dataplanstack för att stödja S4-användarplangränssnitt mellan RNC för UMTS och SGW för eNodeB
Sxa: sedan 3GPP Rel.14 lades Sx-gränssnittet och det tillhörande PFCP- protokollet till SGW, vilket möjliggör separering av kontrollanvändarplan mellan SGW-C och SGW-U.

SGW stöder S11-gränssnitt med MME och S5 / S8-gränssnitt med PGW. Den integrerade kontrollplanstacken för dessa gränssnitt består av IP , UDP , eGTP-C .

SGW stöder S1-U-gränssnittet med eNodeB och S5 / S8 dataplangränssnitt med PGW. Den integrerade dataplanstapeln för dessa gränssnitt består av IP , UDP , eGTP-U .

Huvudgränssnitt som P-GW delar med andra EPC-noder

PGW-protokoll (Packet Data Network Gateway)

Huvudgränssnitt som stöds av P-GW är:

S5 / S8: detta gränssnitt definieras mellan S-GW och P-GW. Det heter S5 när S-GW och P-GW finns i samma nätverk (icke-roaming-scenario) och S8 när S-GW är beläget i det besökta nätverket och P-GW i hemnätverket (roaming scenario). eGTP-C- och GTP-U- protokoll används i S5 / S8-gränssnittet.
Gz: det här gränssnittet används av P-GW för att kommunicera med Offline Charging System (OFCS), främst för att skicka laddningsdataposter (CDR) för efterbetalda användare via FTP .
Gy: detta gränssnitt används av P-GW för att kommunicera med online-laddningssystemet (OCS). P-GW informerar laddningssystemet om förbetalda användares nyttolast i realtid. Diameterprotokoll används i Gy-gränssnittet.
Gx: det här gränssnittet används av P-GW för att kommunicera med Policy and Charging Rules Function (PCRF) för att hantera regler för Policy and Charging Rules (PCC). Dessa regler innehåller debiteringsrelaterad information samt kvalitetsparametrar (QoS) som kommer att användas i innehavaren. Diameterprotokoll används i Gx-gränssnittet.
SGi: detta gränssnitt definieras mellan P-GW och externa nätverk, till exempel Internetåtkomst, företagsåtkomst etc.
Sxb: sedan 3GPP Rel.14 lades Sx-gränssnittet och tillhörande PFCP- protokoll till PGW, vilket möjliggör separering av kontrollanvändarplan mellan PGW-C och PGW-U.

Stöd för rösttjänster och SMS

EPC är ett enda paketnätverk. Den har ingen kretsomkopplad domän, som traditionellt används för telefonsamtal och SMS .

Stöd för rösttjänster i EPC

3GPP specificerade två lösningar för röst:

IMS : En lösning för IMS Voice over IP specificerades i Rel-7.
Circuit-Switched fallback (CSFB) : För att ringa eller ta emot samtal ändrar UE sin radioåtkomstteknik från LTE till en 2G / 3G-teknik som stöder kretskopplade tjänster. Denna funktion kräver 2G / 3G-täckning. Ett nytt gränssnitt (kallat SG) mellan MME och MSC krävs. Denna funktion utvecklades i Rel-8.

Stöd för SMS-tjänster i EPC

3GPP specificerade tre lösningar för SMS:

IMS : En lösning för SMS över IP specificerades i Rel-7.
SMS över SG : denna lösning kräver att SG-gränssnittet infördes under arbetet med CSFB. SMS levereras i Non Access Stratum över LTE. Det finns ingen förändring mellan system för att skicka eller ta emot SMS. Denna funktion specificerades i Rel-8.
SMS över SGd : den här lösningen kräver SGd Diameter-gränssnittet vid MME och levererar SMS i Non Access Stratum över LTE, utan att det krävs fullständig signalering varken den äldre MSC som gör CSFB, eller den overhead som är associerad med IMS-signalering och tillhörande EPC-bärare förvaltning.

CSFB och SMS över SG ses som interimlösningar, den långsiktiga är IMS .

Flera åtkomstnätverk

UE kan ansluta till EPC med flera åtkomsttekniker. Dessa åtkomsttekniker består av:

3GPP-åtkomst : dessa åtkomsttekniker specificeras av 3GPP . De inkluderar GPRS , UMTS , EDGE , HSPA , LTE och LTE Advanced .
icke-3GPP-åtkomst : dessa åtkomsttekniker specificeras inte av 3GPP . De inkluderar teknik som cdma2000 , WiFi eller fasta nätverk. 3GPP specificerar två klasser av icke-3GPP-åtkomstteknik med olika säkerhetsmekanismer:
- betrodda åtkomster , som nätoperatören anser vara pålitlig från en säkerhetsstandpunkt (till exempel: ett cdma2000- nätverk). Betrodda icke-3GPP-åtkomstgränssnitt direkt med nätverket.
- otillförlitliga åtkomster , som nätoperatören inte anser vara pålitlig från en säkerhetsstandpunkt (till exempel en anslutning via en offentlig WiFi-hotspot). Oförtroende icke-3GPP-åtkomst är ansluten till nätverket via en ePDG, som ger ytterligare säkerhetsmekanismer ( IPsec- tunnling).

Det är upp till nätoperatören att avgöra om en icke-3GPP-åtkomstteknologi är pålitlig eller otillförlitlig.

Det är värt att notera att dessa betrodda / opålitliga kategorier inte gäller för 3GPP-åtkomst.

3GPP släpps

3GPP levererar standarder i parallella utgåvor, som består av enhetliga uppsättningar specifikationer och funktioner.

Version	Släppte	Info
Släpp 7	2007 Q4	Genomförbarhetsstudie om All-IP Network (AIPN)
Släpp 8	2008 Q4	Första utgåvan av EPC . SAE-specifikation: funktioner på hög nivå, stöd för LTE och andra 3GPP-åtkomster, stöd för icke-3GPP-åtkomst, intersystem-mobilitet, Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC), CS-reserv. Jordbävning och Tsunami Warning System (ETWS). Stöd för Home Node B / Home eNode B .
Släpp 9	2009 Q4	LCS-kontrollplan för EPS . Stöd för IMS-nödsamtal via GPRS och EPS . Förbättringar Home Node B / Home eNode B . Public Warning System (PWS).
Släpp 10	2011 Q1	Nätverksförbättringar för maskintypskommunikation. Olika avlastningsmekanismer ( LIPA , SIPTO , IFOM ).
Släpp 11	Q3 2012	Ytterligare förbättringar för kommunikation av maskintyp. Simulering av USSD i IMS. QoS-kontroll baserad på prenumerationsgränser. Ytterligare förbättringar av LIPA och SIPTO. Single Radio Video Call Continuity (vSRVCC). Singelradio röstsamtal kontinuitet från UTRAN / GERAN till HSPA / E-UTRAN (rSRVCC). Stöd för samarbete med bredbandsforumåtkomst .
Släpp 12	2015 Q1	Förbättrad operation med små celler, Carrier Aggregation (2 upplänkbärare, 3 nedlänksbärare, FDD / TDD-bäraraggregering), MIMO (3D-kanalmodellering, höjdstrålformning, massiv MIMO), MTC - UE Cat 0 introducerad, D2D-kommunikation, eMBMS-förbättringar.
Släpp 13	2016 Q1	Introducerad LTE-U / LTE-LAA, LTE-M, höjdstrålformning / Full Dimension MIMO, inomhuspositionering, LTE-M Cat 1.4 MHz & Cat 200 kHz

Vidare läsning

Se även

Referenser

LTE-vitbok: "Long Term Evolution (LTE): A Technical Overview" (PDF) . Motorola.
Strategisk vitbok: "Introduction to Evolved Packet Core" (PDF) . Alcatel-Lucent. Arkiverad från originalet (PDF) 26.05.2012. CS1 maint: avskräckt parameter ( länk )
Teknisk vitbok: "Evolved Packet Core-lösning: Innovation i LTE-kärna" (PDF) . Alcatel-Lucent. Arkiverad från originalet (PDF) den 26 maj 2012. CS1 maint: avskräckt parameter ( länk )
3GPP TS 32.240: Telekommunikationshantering; Laddningshantering; Laddar arkitektur och principer . portal.3gpp.org.

Languages

In other projects