呂紅衛(wèi) 馮征

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100080）

1 EPC標(biāo)準(zhǔn)引入背景

與無線技術(shù)演進(jìn)相適應(yīng)，2004年12月，3GPP在希臘雅典會議啟動了面向全I(xiàn)P 的分組域核心網(wǎng)的演進(jìn)項(xiàng)目SAE( System Architecture Evolution)，并在WI階段更新為EPC（Envoled Packet Core）。3GPP基于未來移動通信網(wǎng)絡(luò)向全I(xiàn)P 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)、接入方式呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢（UTRAN、GERAN、WiFi、WiMAX等），確定EPC標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是構(gòu)建一個具有高數(shù)據(jù)吞吐、低延遲、數(shù)據(jù)分組化、支持多種無線接入技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)，以更好地支持實(shí)時（包括話音業(yè)務(wù)）和非實(shí)時業(yè)務(wù)，并保證端到端QoS。3GPP于2009年3月完成R8 Stage3標(biāo)準(zhǔn)制定工作，于2009年12月完成R9 Stage3標(biāo)準(zhǔn)制定工作，與R8版本相比，R9版本主要針對SGSN Gn/Gp支持雙棧等功能方面進(jìn)行改進(jìn)，目前各廠家即將具備商用條件的產(chǎn)品大多基于R8版本。

隨著LTE技術(shù)在移動無線網(wǎng)絡(luò)中的引入，2G/3G分組域?qū)⑾駿PC架構(gòu)演進(jìn)，并推動移動網(wǎng)絡(luò)向全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。

2 EPC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

EPC核心網(wǎng)主要由移動性管理設(shè)備（MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)（P-GW）及存儲用戶簽約信息的HSS和策略控制單元（PCRF）等組成，其中S-GW和P-GW邏輯上分設(shè)，物理上可以合設(shè)，也可以分設(shè)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

EPC核心網(wǎng)架構(gòu)秉承了控制與承載分離的理念，將2G/3G分組域中SGSN的移動性管理、信令控制功能和媒體轉(zhuǎn)發(fā)功能分離出來，分別由兩個網(wǎng)元來完成，其中MME負(fù)責(zé)移動性管理、信令處理等功能，S-GW負(fù)責(zé)媒體流處理及轉(zhuǎn)發(fā)等功能，P-GW則仍承擔(dān)GGSN的職能。HSS的職能與HLR類似，但功能有所增強(qiáng)，新增的PCRF主要負(fù)責(zé)計(jì)費(fèi)、QoS等策略。EPC架構(gòu)中各功能實(shí)體間的接口協(xié)議均采用基于IP的協(xié)議，部分接口協(xié)議是由2G/3G分組域標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)而來，部分協(xié)議則是新增的，如MME與HSS間S6接口的Diameter協(xié)議等。

圖1 EPC系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3 EPC網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式分析

EPC核心網(wǎng)采用控制承載相分離架構(gòu)，核心網(wǎng)內(nèi)及與無線網(wǎng)間的接口均基于IP承載，理論上所有網(wǎng)元均可經(jīng)IP承載網(wǎng)直接互通，組成一個扁平網(wǎng)絡(luò)，但在實(shí)際組網(wǎng)時，需結(jié)合管理維護(hù)、局?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)置、接口帶寬配置等因素來考慮其組網(wǎng)方式，本節(jié)將基于這些因素，重點(diǎn)討論EPC核心網(wǎng)與無線網(wǎng)間、EPC核心網(wǎng)及與其它核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)組織方式。此外，考慮各運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)中引入EPC架構(gòu)后主要是接入LTE網(wǎng)絡(luò)，因此本文對其它無線網(wǎng)絡(luò)接入的組網(wǎng)暫不涉及。

3.1 核心網(wǎng)元設(shè)置方式

MME主要負(fù)責(zé)控制層面信息的處理，為純信令節(jié)點(diǎn)，不需要轉(zhuǎn)發(fā)媒體數(shù)據(jù)，對傳輸帶寬要求較小，在實(shí)際組網(wǎng)時宜采用集中設(shè)置的方式，一般以省為單位設(shè)置。

S-GW主要負(fù)責(zé)連接eNode B，以及eNode B之間的漫游/切換。P-GW主要負(fù)責(zé)連接外部數(shù)據(jù)網(wǎng)，以及用戶IP地址管理、內(nèi)容計(jì)費(fèi)、在PCRF的控制下完成策略控制。從網(wǎng)元功能來看，S-GW、P-GW均負(fù)責(zé)用戶媒體流的疏通，其設(shè)置與媒體流的流量和流向相關(guān)，應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)量及業(yè)務(wù)類型，選擇集中或分散的方式，當(dāng)業(yè)務(wù)量較小且不需提供語音類點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)時，可采用集中設(shè)置的方式，當(dāng)某些本地網(wǎng)業(yè)務(wù)量較大或需提供點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)時，可將S/P-GW下移至本地網(wǎng)。此外，在業(yè)務(wù)量較小時，可將S-GW與P-GW綜合設(shè)置。

HSS負(fù)責(zé)存儲用戶數(shù)據(jù)、鑒權(quán)管理等功能，與HLR的功能類似，宜采用以省為單位集中設(shè)置的方式。

PCRF主要負(fù)責(zé)QoS策略等功能，宜采用以省為單位集中設(shè)置方式，且應(yīng)適應(yīng)IMS核心網(wǎng)的組網(wǎng)模式。

3.2 核心網(wǎng)與無線網(wǎng)間組網(wǎng)方式

LTE無線系統(tǒng)中取消了RNC網(wǎng)元，將其功能分別移至基站eNode B和核心網(wǎng)網(wǎng)元，eNode B將直接與核心網(wǎng)互連，簡化了無線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，但由于EPC采用控制與承載分離的架構(gòu)，因此在業(yè)務(wù)處理過程中，eNode B需通過S1接口分別與MME、S-GW互通。

3.2.1 eNode B與MME間的互通

eNode B與MME間采用S1接口主要互通控制信令信息，其間的網(wǎng)絡(luò)組織有兩種方案：

方案一：歸屬方式，即每個eNode B固定由一個MME為之服務(wù)，點(diǎn)對點(diǎn)互連，如圖2所示。

圖2 eNode B與MME組網(wǎng)方式示意圖（歸屬方式）

該方案需在MME與其覆蓋范圍內(nèi)的eNode B間配置歸屬關(guān)系，通過IP承載網(wǎng)直接互連，這些eNode B將用戶發(fā)起的業(yè)務(wù)固定送到歸屬的MME進(jìn)行處理。eNode B與MME間配置歸屬關(guān)系的方式有靜態(tài)耦聯(lián)和動態(tài)耦聯(lián)兩種，其中靜態(tài)耦聯(lián)是由MME和eNode B相互預(yù)設(shè)對端耦聯(lián)地址；動態(tài)耦聯(lián)是由eNode B預(yù)先配置MME地址，eNode B主動發(fā)起耦聯(lián)建鏈，MME保存eNode B地址。

方案二： MME Pool方式，即每個eNode B的業(yè)務(wù)由一組MME來處理，點(diǎn)對多點(diǎn)互連，如圖3所示。

圖3 eNode B與MME組網(wǎng)方式示意圖（MME Pool方式）

該方案將網(wǎng)絡(luò)中的多個MME組成Pool，一個eNode B可與MME Pool中的多個MME互連，用戶第一次附著在網(wǎng)絡(luò)時，由eNode B負(fù)責(zé)為用戶選擇1個MME，同時MME為用戶分配一個標(biāo)識（GUTI），來標(biāo)識其歸屬的Pool及所在MME，正常情況下，用戶在MME Pool服務(wù)范圍漫游內(nèi)時不再更換為之服務(wù)的MME。

方案一中MME與eNode B間網(wǎng)絡(luò)組織相對簡單，對網(wǎng)元的功能要求較低。但該方案安全可靠性較低，當(dāng)某一MME出現(xiàn)故障時，其覆蓋區(qū)內(nèi)eNode B接入的業(yè)務(wù)均會受到影響；網(wǎng)內(nèi)設(shè)有多個MME時，不能實(shí)現(xiàn)資源共享，會出現(xiàn)不同MME的負(fù)荷不均衡的情況。

方案二中由一組MME共同處理業(yè)務(wù)，具備容災(zāi)備份能力，網(wǎng)絡(luò)安全可靠性較高；在3GPP關(guān)于EPC標(biāo)準(zhǔn)中定義的MME Pool與MSC/SGSN Pool相比，增加了MME向eNode B反饋其負(fù)荷狀態(tài)的機(jī)制，由eNode B根據(jù)各MME對應(yīng)的負(fù)荷權(quán)重比例進(jìn)行選擇，可使Pool內(nèi)的MME負(fù)荷相對均衡，資源利用率高。但該方案對eNode B及MME的功能要求較高，eNode B需具備為用戶選擇服務(wù)MME的節(jié)點(diǎn)選擇功能；eNode B與MME間的網(wǎng)絡(luò)組織相對復(fù)雜；在實(shí)施容災(zāi)備份機(jī)制時，對于語音等業(yè)務(wù)，需考慮與IMS核心網(wǎng)配合解決被叫業(yè)務(wù)的問題。

從網(wǎng)絡(luò)可靠性及技術(shù)發(fā)展角度，建議優(yōu)選方案二。實(shí)際組網(wǎng)時，可將一定區(qū)域內(nèi)（一般以省為單位或省內(nèi)分區(qū)）設(shè)置的MME組成Pool，這些MME與Pool內(nèi)的eNode B通過IP承載網(wǎng)互連，eNode B按預(yù)先設(shè)定的選擇原則來與相應(yīng)MME互通。

3.2.2 eNode B與S-GW間的互通

eNode B與S-GW間采用S1-U接口，主要傳送用戶媒體流及用戶發(fā)生跨eNode B切換時的信息，其間的組網(wǎng)方式也有兩種：

方式一：eNode B與某個(或兩個)S-GW配置歸屬關(guān)系并經(jīng)IP承載網(wǎng)互連，其發(fā)起的業(yè)務(wù)由MME直接選擇其歸屬的S-GW來疏通。

方式二：eNode B與所屬區(qū)域內(nèi)的多個S-GW均經(jīng)IP承載網(wǎng)互連，無歸屬關(guān)系，其業(yè)務(wù)由一組S-GW負(fù)荷分擔(dān)地疏通。

方式一的優(yōu)點(diǎn)是易于規(guī)劃eNode B與S-GW間的IP電路及配置接口帶寬，局?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)置相對簡單，對MME功能要求較低。其缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)可靠性較低，當(dāng)某一S-GW出現(xiàn)故障時，其服務(wù)的所有eNode B接入的業(yè)務(wù)均將受到影響；不同eNode B覆蓋范圍內(nèi)業(yè)務(wù)量不均衡時，其歸屬的S-GW的負(fù)荷也將出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象，不能有效利用資源；另外，當(dāng)用戶在不同eNode B覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行業(yè)務(wù)切換時，需切換到其它S-GW為之服務(wù)，增加了信令處理需求。

方式二的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)可靠性高，通過DNS和MME的數(shù)據(jù)配置，可以實(shí)現(xiàn)S-GW的冗災(zāi)備份；當(dāng)用戶在一組S-GW服務(wù)區(qū)域內(nèi)發(fā)生跨eNode B業(yè)務(wù)切換時，仍由原S-GW服務(wù)，可相對減少信令交互；一組S-GW采用負(fù)荷分擔(dān)方式工作，可避免服務(wù)區(qū)域內(nèi)不同eNode B接入業(yè)務(wù)量不均衡帶來的問題，資源利用率高。其缺點(diǎn)是不易于規(guī)劃eNode B與S-GW間的IP傳輸電路，接口帶寬配置核算相對較難；對MME的功能要求較高，需要具備負(fù)荷分擔(dān)選擇S-GW的功能。

綜合上述分析，方式二優(yōu)勢較明顯，建議采用。

在實(shí)際組網(wǎng)時，當(dāng)省內(nèi)S-GW集中設(shè)置且數(shù)量較少時，可將這些S-GW設(shè)置在同一組內(nèi)，共同為省內(nèi)的eNode B服務(wù)；當(dāng)S-GW集中設(shè)置但數(shù)量較多時，可根據(jù)省內(nèi)本地網(wǎng)劃分、各地LTE業(yè)務(wù)量情況，將S-GW分為多個組，每一組分別為所轄區(qū)域內(nèi)的eNode B服務(wù)；當(dāng)S-GW下放到本地網(wǎng)時，則將同一本地網(wǎng)內(nèi)的S-GW設(shè)為群組，只處理所轄本地網(wǎng)內(nèi)eNode B的業(yè)務(wù)。

3.3 核心網(wǎng)內(nèi)組網(wǎng)方式

3.3.1 MME間及MME與S-GW/P-GW間的互通

與2G/TD分組域不同，在LTE用戶附著時，EPC網(wǎng)絡(luò)即為LTE用戶建立LTE用戶 — eNode B —S-GW — P-GW的默認(rèn)承載，MME需為LTE用戶選擇P-GW和S-GW。MME收到用戶附著請求或PDN連接請求消息后，MME從該用戶在HSS中的簽約信息中獲取APN， 向DNS獲取該APN對應(yīng)的S-GW和P-GW地址列表， 再根據(jù)配置的策略選擇最優(yōu)的S-GW和P-GW組合，為用戶建立默認(rèn)承載。

從上述過程來看，MME選擇S/P-GW需根據(jù)DNS解析的結(jié)果來實(shí)現(xiàn)，同樣MME間的選擇也需通過DNS，因此在實(shí)際組網(wǎng)時不需特別規(guī)劃其間的組網(wǎng)方式，只需在MME、DNS等節(jié)點(diǎn)配置相關(guān)數(shù)據(jù)，網(wǎng)元間經(jīng)IP承載網(wǎng)直接互連。

3.3.2 MME與HSS間互通

EPC核心網(wǎng)中MME與HSS間采用Diameter協(xié)議互通，完成用戶接入認(rèn)證、插入用戶簽約數(shù)據(jù)、對用戶接入PDN進(jìn)行授權(quán)等功能。對于同一本地網(wǎng)內(nèi)的MME與HSS間可采用靜態(tài)配置數(shù)據(jù)方式，直接經(jīng)IP承載網(wǎng)互連；對于跨本地網(wǎng)及跨省的MME與HSS的網(wǎng)絡(luò)組織方案有以下3種。

方案一：MME靜態(tài)配置HSS地址數(shù)據(jù)；需MME配置外地所有HSS的地址（與LTE IMSI號碼段有對應(yīng)關(guān)系）。

方案二：通過DNS尋址；即由DNS根據(jù)LTE IMSI號碼或其它信息解析出HSS的設(shè)備標(biāo)識(主機(jī)名)或IP地址，返回給MME。

方案三：Diameter代理中繼方式，即在網(wǎng)中設(shè)置Diameter代理中繼服務(wù)器來轉(zhuǎn)接MME與HSS間的Diameter信令，如圖4所示。

對于方案一，MME與HSS間可直接互通信令，信令傳送時延較小，服務(wù)質(zhì)量較高，但該方案適合MME與HSS數(shù)量較少，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小的情況。當(dāng)EPC網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大、網(wǎng)內(nèi)MME和HSS較多時，MME需配置大量路由數(shù)據(jù)，且每當(dāng)網(wǎng)內(nèi)新增HSS時，均需MME增加相應(yīng)的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作量大，不利于網(wǎng)元的穩(wěn)定。

對于方案二，由DNS負(fù)責(zé)解析相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的地址并反饋給MME，MME的數(shù)據(jù)配置相對簡單，且MME直接與HSS進(jìn)行信令消息的交互，但在跨省尋址時，需要經(jīng)多個DNS進(jìn)行解析，特別是方式二，需經(jīng)多級DNS解析地址，信令傳送時延較長；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，對DNS的解析能力要求較高。

對于方案三，Diameter代理中繼類似于七號信令網(wǎng)中的STP，轉(zhuǎn)接MME與HSS間的Diameter信令，MME的數(shù)據(jù)配置也相對簡單，HSS、MME拓?fù)鋵ν怆[藏，安全性高；但Diameter信令需經(jīng)多個節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)接，傳送時延將較長，且需考慮Diameter代理中繼的設(shè)置和組網(wǎng)問題，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時，設(shè)置獨(dú)立的Diameter代理中繼服務(wù)器不太經(jīng)濟(jì)。

圖4 Diameter代理中繼方式

根據(jù)上述3個方案的特點(diǎn)可看出，方案一適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小的情況。方案二和方案三均為轉(zhuǎn)接方式，其區(qū)別在于，方案三由Diameter中繼代理完成信令轉(zhuǎn)接功能，需分析Diameter信令消息中的路由信息，并根據(jù)其選路并進(jìn)行消息轉(zhuǎn)接；而方案二中DNS只根據(jù)IMSI或其它信息解析出相關(guān)地址信息反饋MME，并不分析Diameter信令消息。相比較而言，方案三是電信網(wǎng)中較為傳統(tǒng)的信令轉(zhuǎn)接方案，依托于現(xiàn)有七號信令網(wǎng)成熟的架構(gòu)和信令轉(zhuǎn)接模式，可保證較好的業(yè)務(wù)質(zhì)量；方案二是IP網(wǎng)中常用的尋址方案，當(dāng)信令消息轉(zhuǎn)接量較大時，DNS的解析能力可能會成為瓶頸。因此宜優(yōu)選方案三。此外，該方案有利于當(dāng)網(wǎng)中設(shè)置了多個PCRF節(jié)點(diǎn)時，不同PCRF節(jié)點(diǎn)間Diameter信令消息的轉(zhuǎn)接。

對于Diameter中繼代理節(jié)點(diǎn)的設(shè)置，有3種方式可選擇：方式一：全國集中設(shè)置；方式二：分大區(qū)設(shè)置；方式三：以省為單位設(shè)置。具體采用哪種方式，需結(jié)合EPC網(wǎng)絡(luò)建設(shè)范圍和建設(shè)規(guī)模來選擇。為了保證網(wǎng)絡(luò)安全可靠，Diameter中繼代理節(jié)點(diǎn)應(yīng)成對設(shè)置。

3.4 與其他網(wǎng)絡(luò)間組網(wǎng)方式

3.4.1 與2G/3G核心網(wǎng)間互連

從技術(shù)發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)來看，LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)網(wǎng)中的布署將是一個漸進(jìn)的過程，必將有與2G/3G網(wǎng)絡(luò)并存的階段，而且在LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，需通過現(xiàn)有2G/3G網(wǎng)絡(luò)來彌補(bǔ)其覆蓋范圍有限的問題，使LTE用戶在無LTE覆蓋的區(qū)域內(nèi)仍能接入到2G/3G網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)使用業(yè)務(wù)，保證業(yè)務(wù)的連接性，因此要求EPC與2G/3G核心網(wǎng)互連。

EPC與2G/3G分組域間直接通過IP承載網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互連，若EPC核心網(wǎng)與2G/3G分組域承載在不同的IP承載網(wǎng)時，兩網(wǎng)間的互通可通過設(shè)置BG的方式來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)提供一些特定業(yè)務(wù)如短信業(yè)務(wù)時，要求EPC與2G/3G電路域互連，MME與MSC Server間SGs接口可以通過IP承載網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互連，HSS設(shè)備需具備No.7信令接口，通過No.7信令網(wǎng)與短信中心互連。

3.4.2 與IMS核心網(wǎng)及其他外部數(shù)據(jù)網(wǎng)間互連

EPC核心網(wǎng)需與IMS核心網(wǎng)及其它外部數(shù)據(jù)網(wǎng)互連，以便為LTE用戶提供IMS業(yè)務(wù)和其它數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，P-GW經(jīng)SGi接口與這些網(wǎng)通過IP承載網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互連。

4 結(jié)束語

EPC核心網(wǎng)雖可由2G/3G分組域演進(jìn)而來，但因其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生變化，組網(wǎng)方式與現(xiàn)有分組域有所不同，本文根據(jù)EPC技術(shù)特點(diǎn)，對其網(wǎng)元設(shè)置方式、核心網(wǎng)及與其它網(wǎng)間組網(wǎng)方式進(jìn)行了分析和探討，并提出了相應(yīng)的組網(wǎng)方案，可為運(yùn)營商布署EPC網(wǎng)絡(luò)提供參考，但在實(shí)際組網(wǎng)中還有一些細(xì)節(jié)問題有待進(jìn)一步研究。

[1]TS 23.002 V9.0.0 Network Architecture（Release 9）

[2]TS 23.401 V9.1.0 GPRS Enhancements for E-UTRAN Access (Release 9)

[3]中國移動集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司. 現(xiàn)有GPRS向SAE演進(jìn)方案研究.2009，12