EPC引入初期分组域核心网组网方式浅析

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本文摘自《山东通信技术》期刊2012年9月第32卷第3期。

【作者】 庄重； 王艳；

【机构】 中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司；

【摘要】 随着EPS标准的不断完善与LTE规模试验范围的进一步扩大,分组域核心网向EPC架构的演进势在必行。本文通过分析EPC系统架构,比较了其与GPRS系统的不同,对国内运营商引入EPC初期的核心网组网方式提出了建议。

【关键词】 EPC；GPRS； 分组域组网；

1 EPC技术特性及网络架构

1.1 EPC技术特征

演进分组核心网（EPC，Evolved Packet Core)是LTE对应的核心网架构，旨在满足3GPP提出的网络持续演进和增强要求，为运营商、用户提供满意的服务。EPC的目标，是制定一个高数据率、低延迟、数据分组化、支持多种无线接入技术、具有可移植性的3GPP系统框架结构。

EPC网络的主要特征包括：
(1)QoS机制进一步完善，能够支持端到端的QoS保证；
(2)全面分组化，提供真正意义上的纯分组接入，不再提供电路域业务；
(3)支持多接入技术，既支持与现有3GPP系统的互通，也支持非3GPP网络(如WLAN、WiMAX)的接入，并且支持用户在3GPP网络和非3GPP网络之间的漫游、切换；
(4)增加对实时业务的支持。简化网络架构，简化用户业务连接建立信令流程，缩短业务连接时延；
(5)网络层次扁平化。用户面节点尽量压缩，接入网取消RNC，核心网用户面节点在非漫游时合并为一个。

1.2EPC网络架构

EPC网络主要网元包括移动性管理设备MME、服务网关S-GW、分组数据网关P-GW、存储用户签约信息的HSS和策略控制单元PCRF，系统结构如图1所示。实际使用中，S-GW和P-GW可以合设。MME位于控制平面，负责控制会话的建立；S-GW是连接E-UTRAN的分组数据接口的终点，当终端在E-U-TRAN中的不同eNodeB间移动时，S-GW作为本地的移动锚点-GW是连接分组数据网络的分组数据接口的终点，作为连接外部分组数据网络的锚点，P-GW还支持策略增强功能以及分组过滤和增强的计费功能;HSS的功能跟HLR的功能基本相似，用于用户数据管理CRF主要负责Qos策略下发。新增接口中S11接口明确采用GTP协议，S6a接口采用Diameter协议。

2 EPC与GPRS系统比较

目前，国内移动运营商2G/3G融合的分组域结构一般采用图2中的第一种方式，即SGSN同时具有控制和承载功能，用户面数据经过SGSN转发。为了在3G数据业务流量大时节约SGSN用户面容量，3GPP在其R7版本中引入了Direct Tunnel(简称DT)方案，即图2中的第二种方式，DT将3G用户面双隧道改为RNC与GGSN的直达隧道，以减少数据传输延迟，降低SGSN对用户面的能力要求，在一定程度上实现了控制承载分离架构，但无法使SGSN完全去除用户面功能。DT架构并不是分组域向EPC演进的必经阶段，且国内运营商暂没有引入需求。

EPC.架构完全实现了控制承载分离架构，较之GPRS结构，有许多相似点，也有许多新特点。

(1)两者的相似点
1)相似的体系结构与接口：比如，MME相当于SGSN的控制平面，S-GW相当于SGSN的用户平面，P-GW则相当于GGSN，HSS实现的是HLR功能。
2)相似的承载体系结构：EPS承载其实就是GPRS中PDP Context的概念；EPS中的缺省承载和专用承载与GPRS中的Primary PDP Context和Secondary PDP Context相对应。
3)相似的承载创建方式：在GPRS中，Primary PDP Context只能由UE来创建；在EPC中，Default Bearer也只能由UE来创建。
4)基本移动性管理与会话管理的流程一致：如附着、TAU(对应于RAU)、去附着、业务请求、承载的激活/修改/删除等。

(2)EPC系统的主要特点

1)系统架构不同：在GPRS系统中，控制平面与用户平面没有分离；而在EPC系统中，控制平面与用户平面分离，MME单独为一个节点，GW划分为一个ServingGW、一个PDNGW，作为一种优化架构，两个GW可以合一部署。这也是软交换技术在EPC架构中的应用，这样的网络结构缩短了用户的数据传送时延，操作维护也更加简单。

2)接入类型不同：GPRS系统不能与非3GPP接入系统进行互操作，不能保持业务的连续性；而EPC系统可以与非3GPP接入系统进行互操作，并保持业务的连续性。EPC系统同时支持接入很多非3GPP接入技术。

3)协议不同：GPRS系统只使用GTP协议，而EPC系统除支持GTP-V2协议外，还支持PMIPv6、DSMIPv6和MIPv4-COAFA协议。HSS和MME间使用的是基于Diameter的协议，不同于HSS和SGSN间的MAP协议。

此外，其他如EPC用户标识、QoS控制方式、承载管理、安全性能、ISR的信令优化均较GPRS系统有所变化，不再详述。

综上，EPC系统是以GPRS系统为基础演进发展而来的。EPC系统一方面继承了GPRS系统中的很多技术特征，同时其架构和机制也发生了一些改变。

3 EPC组网方式分析

EPC核心网采用控制承载相分离架构，核心网内及其与无线网间的接口均基于IP承载。在EPC引入初期，为减少对运营商现有商用网络的影响，建议采用新建方式增加EPC网元，并独立组网，为用户提供高速数据业务，而不要将现网SGSN改造为S4 SGSN(图3)。

3.1网元设置方式

EPC新建网元建议集中放置，首选省会城市，其次可选热点城市，且尽量在现有GPRS设备的集中放置地点中选择。

MME网元独立设置，后续多个MME可组成MMEPool;

S-GW与P-GW合设，P-GW包含GGSN功能；HSS包含HLR功能，独立设置，存放新号段用户数据；

PCRF独立设置，可同时针对LTE网络及现有2G/TD进行策略控制；

EPC CG独立设置，仅收集、处理SGW-CDR和PGW-CDR;

EPC DNS独立设置，支持EPC网元间的路由；改造LTE覆盖区域相邻的GnSGSN，使其支持USIM鉴权，支持EPC DNS地址解析。

初期不引入S4 SGSN，以避免对2G/3G分组域核心网的影响过大。

3.2核心网内组网方式

EPC引入后，分组域核心网内各网元应通过运营商统一建设的IP承载网完成组网，如图4所示，具体各网元之间的互通方式如下。

(1)MME间及MME与S-GW/P-GW间的互通TE用户附着时，EPC网络需为LTE用户建立LTE用户一eNodeB—S-GW—P-GW的默认承载，MME需为LTE用户选择P-GW和S-GW。MME收到用户附着请求或PDN连接请求消息后，MME从该用户在HSS中的签约信息里获取APN，向DNS获取该APN对应的S-GW和P-GW地址列表，再根据配置策略，选择最优的S-GW和P-GW组合，为用户建立默认承载。从上述过程看，MME选择S/P-GW需根据DNS解析结果来实现，同样，MME间的选择也需通过DNS。因此，在实际组网时不需要特别规划其间的组网方式，只需在MME、DNS等节点配置相关数据，网元间经IP承载网直接互连。

(2)MME与HSS间互通：EPC核心网中MME与HSS间采用Diameter协议互通，完成用户接入认证、插入用户签约数据、对用户接入PDN进行授权等功能。初期建设网元数量较少，MME与HSS间可采用静态配置数据方式，即信令点间网状组网，直接经IP承载网互连。后续大规模建设EPC网络时，Diam-eter信令应采用汇接方式，组建Diameter信令网，网中设置DRA设备负责转接Diameter信令，借鉴七号信令网的组网模式，省际采用双平面组网方式。

(3)EPC与GPRS网间互通：运营商现有GPRS网络省内与省际数据若承载于同一张IP承载网上，则不需进行网络调整；若省内GPRS网络建有GPRS设备专用的Gn/Ga接口承载网络，省内和省际GPRS设备数据通过不同网络传递，则应考虑省内GPRS专网扩展的局限性和QoS机制的不完善。建议在EPC部署前，完成省内GPRS系统Gn等接口向IP承载网的割接，从而实现新建MME/S-GW、升级支持LTE的GSN、现网其他GGSN和SGSN均连接到同一张IP承载网上，共用IP承载网设置的Iu-PS媒体VPN。S6a接口建议通过新建VPN承载，且应考虑与后续7号信令网IP化改造使用同一个VPN。

Gn SGSN与HSS(HLR)之间的连接，可通过改造SGSN支持IP信令方式实现；如不支持，则需要引入的HSS同时支持Diameter/MAP信令，通过现有7号信令网实现。

3.3核心网与无线侧组网方式

LTE系统中eNodeB与核心网直接通过IP连接，不再有RNC设备，如图5所示。

(1)eNodeB与MME连接：eNodeB与MME间采用S1接口，主要互通控制信令信息。初期如建设多个MME，则多个MME组成MME POOL，POOL内eNodeB与MME实现全互联的组网方式，便于实现负载均衡与容灾。不建议eNodeB与MME配置一对—归属关系。

(2)eNodeB 与S-GW连接：eNodeB与S-GW间采用S1-U接口，主要传送用户媒体流及用户发生跨eNodeB切换时的信息。初期如建设多个S-GW，则eNodeB分别与MME、S-GW全互联，MME与S-GW全互联。此种方式下，用户在POOL覆盖区内移动时，MME和S-GW都不会改变，切换信令降低。不建议本地eNB只与本地S-GW相连，一方面是MME上TAIList的分配受限，TAIList的分配只能限制在每个S-GW范围内；另一方面，用户在POOL内移动时，需进行S-GW间的位置更新或切换，增加了信令开销。

eNodeB与MME及S-GW通过PTN网络实现连接。目前有核心层PTN新增L3功能实现S1flex和X2承载、PTN+新增CE承载LTE两种方式。具体实施时，可视省内PTN建设情况确定。

3.4核心网与其他网络连接方式

如图6所示EPC核心网需与IMS核心网及其它外部数据网互连，以便为LTE用户提供IMS业务和其它数据业务，P-GW经SGi通过CMNET与其他外部网络实现互连，并与现有GPRS网络保持一致。

4结束语

EPC核心网网络架构与现有GPRS系统不同，组网方式也有所变化。本文根据EPC的技术特点和国内运营商的GPRS网络现状，对EPC引入初期分组域核心网网元设置方式、组网方式进行了简要分析，提出了相应组网建议。EPC后续大规模商用及融合组网有待进一步研究。

参考文献
1 TS23.002.3GPP.Network Architecture(Release9)
2 TS23.401.3GPP.GPRS Enhancements for E-UTRAN Access(Release9)