TD—LTE演进型分组核心网技术分析

【摘 要】详细分析了TD-LTE演进型分组核心网EPC网元的功能、网元间接口的作用以及网元接口支持的协议，并列举出四种应用示例，总结了管理EPC网元的方法，对TD-LTE的建设与维护提出了参考建议。

【关键词】TD-LTE EPC 协议

中图分类号：TN929.53 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2013）-08-0051-07

1 概述

TD-LTE实现了全网IP化，提供了真正意义上的分组接入，使演进后的系统仅有分组交换域，不再提供电路域服务。但为了使运营成熟的2G、不断完善的3G、准备商用的LTE及已广泛应用的WLAN、Wi-Fi等多种制式网络异构共存、相依协同，保护运营商现有投资和迎合移动用户的终端使用习惯，TD-LTE系统的演进型分组核心网（EPC，Evolved Packet Corenetwork）仍然充分考虑了异构网络共存的态势，如图1所示。

EPC是3GPP伴随着无线接入网E-UTRAN演进研究而展开的演进型分组核心网项目，目标是帮助运营商通过采用LTE技术来提供先进的移动宽带服务，保护客户投资、兼顾已存网络现状，以满足用户现在及未来对宽带和业务质量的需求。由图1可知，在接入网接入到EPC中，2G有BSC（Base Station Controller，基站控制器）/PCU（Package Control Unit，分组控制单元）中间层，3G有RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器）中间层。TD-LTE系统的扁平化架构设计，对3G系统中的Node B、RNC、CN（Core Network，核心网）进行了功能整合，不仅使Node B和RNC的部分功能并构到eNodeB中，还将RNC中的一部分功能及CN的功能在增强简化和添补改进的前提下创建成了最新的EPC核心网。为了兼容2G和3G，传统的SGSN在改进后仍然保留在EPC中。为了接入如WLAN、Wi-Fi等非3GPP网络，EPC增加了S2a/b接口和ePDG网元。为了兼容更多的异构接入网，EPC引入了服务网关S-GW和分组数据网关P-GW。

2 EPC架构的网元分析[1]

3GPP定义的EPC功能主要包括：支持1.4～20MHz带宽；峰值速率上行50Mbps、下行100Mbps；频谱效率可达到R6的2～4倍；用户面延迟小于5ms，控制面延迟小于100ms；既支持与3GPP系统的互通，也支持与非3GPP系统的接入，还支持用户在3GPP和非3GPP网络间的漫游与切换；支持IP多媒体子系统IMS；取消CS（Circuit Switching，电路交换）域，将CS域业务全部在PS（Packet Switching，包交换）域中实现等内容。EPC为同时支持多种异构接入网的UE提供了高吞吐量、低时延及高效快速的IP回退能力，为用户便捷接入分组数据网PDN、完成分组数据业务、实施业务计费提供了全新的技术基础。

图2所示是EPC在下连异构接入、上接运营商IP数据业务中的功能模块。EPC为TD-LTE用户在UTRAN（包括TD-SCDMA、WCDMA）、GERAN（包括GSM）、E-UTRAN（包括TD-LTE、FD-LTE）以及WiMAX、WLAN、CDMA2000等Trusted non-3GPP和Wi-Fi等Untrusted non-3GPP多种不同制式接入网中漫游提供了技术支撑，可分别通过SGSN、ePDG等网元间接/直接地进入SAE-GW网关池，或者通过S-GW网关直接接入P-GW网关后，再进入PDN运营商的IP业务网络。

EPC网络架构的基本网元有SGSN、MME池、HSS、PCRF、ePDG，以及由S-GW和P-GW组成的SAE-GW池。这些网元的相关功能简要分析如下：

（1）HSS（归属签约用户服务器）：是IMS网络中的核心用户数据管理网元，用于存储用户标识、编号以及路由、安全、位置与相关业务和概要等用户签约信息的数据库，具有配置用户文件，执行用户身份验证、授权和签约等功能，还可提供有关用户物理位置的信息，支持移动性管理和会话建立。其不仅有传统的与CS、PS域网元连接的接口，还有与IMS域网元连接的接口。

其主要功能包括：

1）用户注册：当用户向网络发起注册时，HSS询问相应的核心网节点，以便验证用户的订阅权限，该权限验证可以由MSC、SGSN或MME来完成，取决于网络和请求注册的类型；

2）终端位置更新：随着终端改变区域位置，HSS随之进行更新，并记录所知道的最新区域；

3）用户被叫时会话请求：HSS询问并向核心网节点提供所记录的当前用户位置以及用户标识、编号和路由信息；

4）用于鉴权和授权的网络接入控制信息；

5）用于鉴权、完整性保护和加密的用户安全信息等。

（2）MME（移动性管理实体）：是EPC唯一控制平面网元，承载eNodeB与EPC之间控制平面消息的传递，职能类似于传统SGSN控制平面的作用，主要负责用户移动性管理、接入和附着控制、寻呼、切换及漫游控制等。其不仅具有用户认证、密钥初始和协商以及完整性保护算法等与用户和会话管理有关的控制平面功能，还支持用于建立数据上下文和QoS等参数的信令协商过程的终端到网络的会话处理，涉及到能够使得网络在有会话到来时可以连接到终端的空闲终端位置管理（跟踪区域更新功能）。总之，MME支持NAS（Non-Access Stratum，非接入层）信令及安全、TA（Tracking Area，跟踪区域）列表管理、P-GW和S-GW选择、跨MME切换时进行MME选择、在向2G/3G接入系统切换过程中进行SGSN选择、用户鉴权、漫游控制以及承载管理、3GPP不同接入网络核心网络节点间移动性管理等，以及UE在ECP_IDLE状态下可达性管理（包括寻呼重发控制和执行）。

（3）S-GW（Serving-GW）：位于用户面，是终止于相关接入网接口的服务网关，对每个接入UTRAN、GERAN、E-UTRAN的终端，一次只能一个S-GW服务。S-GW是连接E-UTRAN分组数据接口的终点，在EPC中起到相当于传统SGSN用户面作用。当终端在E-UTRAN中不同eNodeB间移动时，S-GW用作本地移动性锚点，协助完成eNodeB重新排序；当终端在E-UTRAN间或在E-UTRAN与其他3GPP网络（2G/GSM、3G/UMTS）间移动时，可通过S-GW进行路由。此外，S-GW还有执行合法侦听、进行数据包路由和前转、在上行和下行传输层进行分组标记、为运营商间计费等功能。

（4）P-GW（PDN-GW）：位于用户面，是面向PDN终结与SGi接口的网关。作为核心网EPC与分组数据网PDN连接的关口实体，P-GW既是EPC上连的终点，也是PDN接入的起点。当UE访问多个PDN时，UE有可能面对一个或多个P-GW。作为连接外部分组数据网络的锚点，P-GW还具有策略增强功能（按照运营商定义的规则来进行资源分配）以及分组过滤和增强计费等功能。此外，P-GW还负责分配UE的IP地址、基于每个用户的包过滤、承载层面的IP锚点、连接到外部分组网等。总之，作为核心网络的中心控制节点，P-GW类似GPRS的GGSN（GPRS网关支持节点），可以实现业务数据流的检测与流量采集，提供承载控制、计费、地址分配和非3GPP接入等功能。

（5）PCRF（策略和计费功能网元）：是服务数据流和IP承载资源的策略与计费控制的决策点，终结于Rx与Gx接口。非漫游场景时，在HPLMN（Home Public Land Mobile Network，本地公用陆地移动网络）中只有一个PCRF跟UE的一个IP-CAN（IP-Connectivity Access Network，IP连接访问网络）会话相关。在漫游场景且业务流是本地疏导时，可能会有两个PCRF跟一个UE的IP-CAN会话相关。PCRF可为PCEF（Policy and Charging Enforcement Function，策略与计费执行功能）选择和提供可用的策略与计费控制决策，可配置基于流量计费的规则、基于时间的计费规则、基于流量和时间综合方式的计费规则、基于事件的计费规则以及无计费规则的PCC（Policy Control and Charging，策略控制和计费）计费规则。此外，PCRF还具有门控、事件触发及报告、QoS控制、绑定SDF和承载的策略控制功能以及支持控制信令的IP Sec安全性保护等功能。

（6）SGSN：作为GRPS和TD-SCDMA及WCDMA核心网分组域设备的重要组成部分，SGSN主要完成分组数据包的路由转发、移动性管理、会话管理、逻辑链路管理、鉴权和加密、话单产生和输出等传统功能。SGSN通过Gb接口提供与无线分组控制器PCU的连接，进行如用户身份识别、加密、压缩等移动数据管理功能。在TD-LTE的EPC中，SGSN进行了简化和优化，当UE在2G/3G和E-UTRAN接入网间移动时，SGSN在进行信令交互（包括对P-GW和S-GW选择）的同时，还对切换到E-UTRAN接入网的用户进行MME选择等功能。因此，SGSN是UTRAN、GERAN、E-UTRAN等网络UE在异构网间漫游时，支持UE网间切换的重要模块。

3 EPC接口功能分析[2]

EPC架构秉承了控制与承载分离的理念，将传统3G分组域中SGSN的移动性管理、信令控制和媒体转发等功能分离出来，分别由两个新增网元MME和S-GW完成。其中，MME负责移动性管理和信令处理，S-GW负责媒体流处理及转发，而P-GW仍承担GGSN职能。由于取消了RNC网元，系统将其功能分别移到eNodeB和EPC中，简化了无线系统，压缩了用户平面，不仅使eNodeB可直接通过S1与MME、S-GW互通，还可使EPC用户平面节点在非漫游时合为一个，从而让EPC的网元职能合理有序，网元接口清晰透明（见图2）。

S1-MME：E-UTRAN和MME间的控制平面协议参考点，支持SCTP和S1-AP协议；

S1-U：E-UTRAN和S-GW间的用户平面协议参考点，支持UDP和GTP-U协议；

S3：用户在空闲和激活状态下，负责不同3GPP接入网间的移动性信息交换，支持UDP和GTP-C协议；

S4：提供GPRS核心网和3GPP S-GW锚点功能间的控制及移动性支持，若没有直接建立控制平面隧道，通过S4可提供一个用户平面隧道，支持UDP、GTP-C和GTP-U协议；

S5：提供S-GW和P-GW间的用户平面隧道及隧道管理功能，当用户移动且S-GW需要连接一个非本地P-GW时，S5可提供S-GW重定位，支持UDP、GTP-C和GTP-U协议；

S6a：MME和HHS间的接口，负责验证/授权用户访问网络的签约和授权信息传输，支持SCTP和Diameter协议；

Gx：提供从PCRF到P-GW中PCEF的消息转换，支持TCP和Diameter协议；

S8：提供跨PLMN参考点间的用户面和控制面的连接，主要是VPLMN中S-GW和HPLMN中PDN-GW间的连接，而S5是同一个PLMN内部间的连接，支持UDP、GTP-C和GTP-U协议；

S9：提供本地PCRF和漫游PCRF间的策略与计费控制信息传递，支持SCTP和Diameter协议；

S10：MME池中MME间的参考点接口，支持UDP和GTP协议；

S11：MME和S-GW间的参考点接口，支持UDP和GTP-C协议；

S12：UTRAN和S-GW间的用户面隧道参考点，该参考点以使用GTP-U协议的Iu-u/Gn-u接口为基础，GTP-U协议在SGSN和GGSN中定义，S12对运营商来说是可选配置，支持UDP和GTP-U协议；

SGi：PDN-GW和PDN间的参考点，这里的PDN可能是一个运营商外部公共或私有的PDN，也可能是提供IMS业务的运营商内部的PDN，该参考点类似于3GPP接入网中的Gi接口，支持TCP协议；

Rx：位于AF（Application Function，应用功能）和PCRF之间，支持TCP和Diameter协议。

4 EPC接口协议分析

虽然EPC网元间接口较多，但所有接口支持的物理层、链路层、网络层协议一样，仅传输层以上协议因端口不同而不同。图2接口协议表中，Ethernet是指物理层和链路层，对应的协议：物理层为PHY，链路层为MAC、RLC和PDCP，网络层为IP，传输层有TCP、UDP和SCTP，高层有GTP和Diameter。

IP协议（网络间互联协议）：网络层协议，是TCP/IP系统的核心协议。工作原理是：当网络层收到数据链路层发来的低层数据包后，按照IP协议对低层数据包再次打包，并将该数据包发送到高层传输层；相反，当网络层收到传输层发来的高层数据包后，按照IP协议对该数据开封解包，并将开封的数据包传送到下层链路层。IP协议的一个重要工作是：将链路层发来的数据包中的MAC地址转换成可为传输层识别的IP地址，或者将传输层发来的数据包中的IP地址转换成能为链路层识别的MAC地址。

TCP协议（传输控制协议）：是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。采用的是三次握手相互确认的双向机制，提供可靠的连接服务。

UDP协议（用户数据包协议）：是一种面向事务的、无连接的、不可靠的、简单的传输层协议。采用的是没有互访的、信息发出后不验证的单向机制，连接的可靠性较差。

SCTP协议（流控制传输协议）：是一种面向连接的、兼有TCP及UDP特点的、基于消息流的、复杂的传输层协议。SCTP是TCP的改进版本，但有很大区别，其中最大的区别是SCTP连接可以是多宿主连接，TCP一般是单地址连接，即在进行SCTP建立连接时，双方均可声明若干IP地址（IPv4、Ipv6或主机名）通知对方本端所有地址。若当前连接失效，则协议可切换到另一个地址，而不需要重新建立连接；其次，SCTP是基于消息流的，TCP是基于字节流的。所谓基于消息流是指发送数据和应答数据的最小单位是消息包（chunk）。一个SCTP连接（Association）可同时支持多个流（stream），每个流包含一系列用户所需消息数据（chunk）。TCP只能支持一个流。SCTP的主要贡献是对多重联外线路的支持，一个端点可以由多于一个IP地址组成，使得传输可在主机间或网卡间做到透明的网络容错备援。

GTP协议（GPRS隧道协议）：是专门为GPRS的Gn和Gp接口定义的、主机间端到端通信的高层协议，应用在GPRS骨干网GSN之间，为各个MS建立GTP协议通道，该通道是GSN间的安全通道，两个主机可通过它交换数据。此外，GTP协议还用于GPRS计费数据采集和传输，允许多种协议数据包在UMTS/GPRS等网络上的SGSN之间、SGSN和GGSN之间的传输，功能是为GPRS MS接入外部数据网建立透明的数据传输隧道。GTP分为两部分协议：GTP-C负责隧道的建立、使用、管理和释放，主要包含传送路径管理、隧道管理、位置管理、移动性管理四大类，且用于对传送用户数据的隧道进行管理和控制；GTP-U用于对所有用户数据进行封装并进行隧道传输T-PDU，其路径协议可以采用TCP或UDP，当GTP承载面向连接且可靠性要求高的用户协议时，传输路径选择TCP，当GTP承载无连接且可靠性要求不高的用户协议时，传输路径选择UDP。

Diameter协议：是TCP或SCTP协议之上的新一代AAA（验证授权计费）协议，广泛用于IMS和LTE网络中，包括基本协议、NAS（网络接入服务）协议、EAP（可扩展认证）协议、MIP（移动IP）协议、CMS（密码消息语法）协议等。其中的基本协议可为各种认证、授权和计费业务提供安全、可靠、易于扩展的框架，涉及性能协商、消息发送、如何结束等通信问题。基本协议一般不单独使用，往往扩展成新的应用，所有应用和服务的基本功能都是在基础协议中实现，应用特定功能则是由扩展协议在基础协议的基础上扩展后实现。Diameter协议支持移动IP、NAS请求和移动的认证、授权及计费工作，协议的实现和RADIUS（Remote Authentication Dial In User Service，远程用户拨号认证服务）类似，采用TCP协议，支持分布式计费，克服了RADIUS的许多缺点，是最适合移动通信系统的AAA协议。

UDP、TCP、SCTP的区别：三者同为传输层协议，但又有区别。SCTP制定以前，在IP网上传输七号信令只能用UDP和TCP。UDP是一种无连接，无法满足七号信令对传输质量的要求；TCP是一种有连接，满足信令的可靠性，但却存在行头阻塞、实时性差、支持多归属困难、易受拒绝服务攻击（Dos）等缺陷；SCTP对TCP的缺陷进行了完善。从可靠程度分析，UDP没有确认机制而不可靠，TCP有三次握手确认机制而可靠，SCTP有四次确认机制而非常可靠；从安全程度分析，UDP没有任何保护措施而不安全，TCP有部分保护措施而安全，SCTP特意针对TCP安全缺陷和不足作了改进而很安全；从数据传输速度上分析，UDP无连接、传输控制步骤少、没有等待且非常快，TCP有三次握手和安全保护措施而较慢，SCTP有四次确认、安全措施复杂、处理步骤流程繁琐而非常慢。TCP一般只用于系统内部模块或网元间的通讯。

5 EPC在TD-LTE中的应用示例

EPC是TD-LTE的核心网，因位于接入网和业务网之间，UE的任何工作都与它有关。EPC是由多个职能不同的网元组成的网络，最重要的两个是MME池和SAE-GW池，因UE的许多活动都与这两个网元联系。下面以“永远在线”、“业务请求”、“寻呼”和“切换”四种情况为例，简单地分析EPC各网元间的工作流程。

（1）UE永远在线（UE附着）

其过程是：首先UE发送附着消息给MME，MME通过HSS对UE身份验证、授权和签约进行网络注册；然后MME发送创建默认承载消息给S-GW，S-GW把创建默认消息转发给P-GW，P-GW为新会话建立向PCRF申请策略，安装必要的过滤器SDF，并将UE锚定在P-GW上；最后建立UE至P-GW间的“永远在线”的IP连接（见图3-A）。

（2）UE业务请求

EPC支持两种业务请求：UE发给MME要求业务接入的业务请求、P-GW接到DL数据包时由网络对注册UE发起的业务请求。前者过程是：UE发送NAS业务请求信令给MME，MME发送更新S1承载请求给S-GW，在申请PCRF策略和计费后，PCRF触发专有承载建立，完成UE业务请求。该业务请求是UE已经在线，只是锚点从P-GW延长到运营商业务网（见图3-B）

（3）UE寻呼

处于空闲状态的UE，当下行数据到达EPC时，数据终结在S-GW，此时S-GW发起寻呼。其过程是：S-GW向MME发出下行数据通知，S-GW开始缓存下行数据包，MME向UE注册的TA列表内所有eNodeB发出寻呼消息，要求eNodeB在其覆盖范围内寻呼UE，收到寻呼后，UE发起业务请求流程，重建无线的S1-U承载，建立UE与S-GW的连接，并清空S-GW缓存（见图3-C）。

（4）UE切换

同网切换时，切换由UE和eNodeB控制。根据UE上报测量结果，源eNodeB通过X2协调切换（向目标eNodeB发送切换请求，根据目标eNodeB反馈指示UE重配置RRC连接），切换中用户数据从源eNodeB转发到目标eNodeB。当收到UE重配置RRC成功消息后，目标eNodeB通过S1-MME向MME发送路径切换请求。MME通过S11发更新请求给S-GW，把下行承载路径切换到目标eNodeB，完成切换（见图3-D）。

6 总结

在EPC的所有网元中，MME池和SAE-GW池最重要，以至于许多资料在EPC中仅标出这两个网元，从上文的四个应用示例也可得到印证。其实，作为TD-LTE系统核心网EPC中的每个网元都担负了其中的一份责任，它们既各职其事又彼此协调，才保证了TD-LTE系统的正常运营。但若从管理、维护和优化的角度来分析，应该对EPC各网元在认识上有所侧重。

首先，从EPC接口协议上看，Diameter仅应用在S6a、S9、Gx、Rx接口，这是因为归属签约用户服务HSS负责用户身份验证、授权和签约，PCRF网元负责策略和计费。如果EPC系统出现身份验证、授权和签约等方面问题，可将重点放在HSS网元和S6a接口；如果是策略和计费等方面有问题，重点当然是PCRF网元和S9、Gx、Rx接口。同时，SCTP也是应用在S1-MME、S6a、S9接口，同样因为MME是EPC核心网唯一控制平面网元，主要负责无线接入承载控制、接口专用操作维护。显然，从接口应用协议就可以对系统今后可能出现什么问题有一个初步的估计，这是工程技术人员从技术层面分析问题的主要方法之一。

其次，从图3的四个应用来看，不同的应用中，除了MME和S-GW都工作外，其他网元的工作情况完全视其应用而定。由于TD-LTE的永远在线，一旦建立在线，某些网元是可休息的。此外，不同的工作情况，UE附着的锚点是不同的，工作流程所经过的网元也不同。但不管怎样，EPC中MME和S-GW两个网元的使用率是最高的，因此要把EPC中维护的重点放在这两个网元上。

总之，只有全面了解所有网元的工作职能、对应的接口、支持的协议，才能使相关人员在建设、管理、维护和优化TD-LTE网络时做到得心应手、事半功倍。

参考文献：

[1] 戴源，朱晨鸣，王强，等. TD-LTE无线网络规划与设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2012.

[2] 上海贝尔股份有限公司LTE网管集成开发团队. LTE无线网络管理系统设计与实现[M]. 北京： 机械工业出版社， 2011.