EPC架構核心網組網方式分析

呂紅衛 馮征

（中國移動通信集團設計院有限公司 北京 100080）

1 EPC標準引入背景

與無線技術演進相適應，2004年12月，3GPP在希臘雅典會議啟動了面向全IP 的分組域核心網的演進項目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絡向全IP 網絡演進、接入方式呈現多樣化的態勢（UTRAN、GERAN、WiFi、WiMAX等），確定EPC標準的目標是構建一個具有高數據吞吐、低延遲、數據分組化、支持多種無線接入技術的系統架構，以更好地支持實時（包括話音業務）和非實時業務，并保證端到端QoS。3GPP于2009年3月完成R8 Stage3標準制定工作，于2009年12月完成R9 Stage3標準制定工作，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行改進，目前各廠家即將具備商用條件的產品大多基于R8版本。

隨著LTE技術在移動無線網絡中的引入，2G/3G分組域將向EPC架構演進，并推動移動網絡向全IP網絡演進。

2 EPC標準架構

EPC核心網主要由移動性管理設備（MME）、服務網關（S-GW）、分組數據網關（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，物理上可以合設，也可以分設，系統架構如圖1所示。

EPC核心網架構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發功能分離出來，分別由兩個網元來完成，其中MME負責移動性管理、信令處理等功能，S-GW負責媒體流處理及轉發等功能，P-GW則仍承擔GGSN的職能。HSS的職能與HLR類似，但功能有所增強，新增的PCRF主要負責計費、QoS等策略。EPC架構中各功能實體間的接口協議均采用基于IP的協議，部分接口協議是由2G/3G分組域標準演進而來，部分協議則是新增的，如MME與HSS間S6接口的Diameter協議等。

圖1 EPC系統架構示意圖

3 EPC網絡組網方式分析

EPC核心網采用控制承載相分離架構，核心網內及與無線網間的接口均基于IP承載，理論上所有網元均可經IP承載網直接互通，組成一個扁平網絡，但在實際組網時，需結合管理維護、局數據設置、接口帶寬配置等因素來考慮其組網方式，本節將基于這些因素，重點討論EPC核心網與無線網間、EPC核心網及與其它核心網的網絡組織方式。此外，考慮各運營商網絡在網中引入EPC架構后主要是接入LTE網絡，因此本文對其它無線網絡接入的組網暫不涉及。

3.1 核心網元設置方式

MME主要負責控制層面信息的處理，為純信令節點，不需要轉發媒體數據，對傳輸帶寬要求較小，在實際組網時宜采用集中設置的方式，一般以省為單位設置。

S-GW主要負責連接eNode B，以及eNode B之間的漫游/切換。P-GW主要負責連接外部數據網，以及用戶IP地址管理、內容計費、在PCRF的控制下完成策略控制。從網元功能來看，S-GW、P-GW均負責用戶媒體流的疏通，其設置與媒體流的流量和流向相關，應根據業務量及業務類型，選擇集中或分散的方式，當業務量較小且不需提供語音類點對點業務時，可采用集中設置的方式，當某些本地網業務量較大或需提供點對點業務時，可將S/P-GW下移至本地網。此外，在業務量較小時，可將S-GW與P-GW綜合設置。

HSS負責存儲用戶數據、鑒權管理等功能，與HLR的功能類似，宜采用以省為單位集中設置的方式。

PCRF主要負責QoS策略等功能，宜采用以省為單位集中設置方式，且應適應IMS核心網的組網模式。

3.2 核心網與無線網間組網方式

LTE無線系統中取消了RNC網元，將其功能分別移至基站eNode B和核心網網元，eNode B將直接與核心網互連，簡化了無線系統的結構，但由于EPC采用控制與承載分離的架構，因此在業務處理過程中，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，其間的網絡組織有兩種方案：

方案一：歸屬方式，即每個eNode B固定由一個MME為之服務，點對點互連，如圖2所示。

圖2 eNode B與MME組網方式示意圖（歸屬方式）

該方案需在MME與其覆蓋范圍內的eNode B間配置歸屬關系，通過IP承載網直接互連，這些eNode B將用戶發起的業務固定送到歸屬的MME進行處理。eNode B與MME間配置歸屬關系的方式有靜態耦聯和動態耦聯兩種，其中靜態耦聯是由MME和eNode B相互預設對端耦聯地址；動態耦聯是由eNode B預先配置MME地址，eNode B主動發起耦聯建鏈，MME保存eNode B地址。

方案二： MME Pool方式，即每個eNode B的業務由一組MME來處理，點對多點互連，如圖3所示。

圖3 eNode B與MME組網方式示意圖（MME Pool方式）

該方案將網絡中的多個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絡時，由eNode B負責為用戶選擇1個MME，同時MME為用戶分配一個標識（GUTI），來標識其歸屬的Pool及所在MME，正常情況下，用戶在MME Pool服務范圍漫游內時不再更換為之服務的MME。

方案一中MME與eNode B間網絡組織相對簡單，對網元的功能要求較低。但該方案安全可靠性較低，當某一MME出現故障時，其覆蓋區內eNode B接入的業務均會受到影響；網內設有多個MME時，不能實現資源共享，會出現不同MME的負荷不均衡的情況。

方案二中由一組MME共同處理業務，具備容災備份能力，網絡安全可靠性較高；在3GPP關于EPC標準中定義的MME Pool與MSC/SGSN Pool相比，增加了MME向eNode B反饋其負荷狀態的機制，由eNode B根據各MME對應的負荷權重比例進行選擇，可使Pool內的MME負荷相對均衡，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MME的節點選擇功能；eNode B與MME間的網絡組織相對復雜；在實施容災備份機制時，對于語音等業務，需考慮與IMS核心網配合解決被叫業務的問題。

從網絡可靠性及技術發展角度，建議優選方案二。實際組網時，可將一定區域內（一般以省為單位或省內分區）設置的MME組成Pool，這些MME與Pool內的eNode B通過IP承載網互連，eNode B按預先設定的選擇原則來與相應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生跨eNode B切換時的信息，其間的組網方式也有兩種：

方式一：eNode B與某個(或兩個)S-GW配置歸屬關系并經IP承載網互連，其發起的業務由MME直接選擇其歸屬的S-GW來疏通。

方式二：eNode B與所屬區域內的多個S-GW均經IP承載網互連，無歸屬關系，其業務由一組S-GW負荷分擔地疏通。

方式一的優點是易于規劃eNode B與S-GW間的IP電路及配置接口帶寬，局數據設置相對簡單，對MME功能要求較低。其缺點是網絡可靠性較低，當某一S-GW出現故障時，其服務的所有eNode B接入的業務均將受到影響；不同eNode B覆蓋范圍內業務量不均衡時，其歸屬的S-GW的負荷也將出現不均衡的現象，不能有效利用資源；另外，當用戶在不同eNode B覆蓋范圍內進行業務切換時，需切換到其它S-GW為之服務，增加了信令處理需求。

方式二的優點是網絡可靠性高，通過DNS和MME的數據配置，可以實現S-GW的冗災備份；當用戶在一組S-GW服務區域內發生跨eNode B業務切換時，仍由原S-GW服務，可相對減少信令交互；一組S-GW采用負荷分擔方式工作，可避免服務區域內不同eNode B接入業務量不均衡帶來的問題，資源利用率高。其缺點是不易于規劃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，需要具備負荷分擔選擇S-GW的功能。

綜合上述分析，方式二優勢較明顯，建議采用。

在實際組網時，當省內S-GW集中設置且數量較少時，可將這些S-GW設置在同一組內，共同為省內的eNode B服務；當S-GW集中設置但數量較多時，可根據省內本地網劃分、各地LTE業務量情況，將S-GW分為多個組，每一組分別為所轄區域內的eNode B服務；當S-GW下放到本地網時，則將同一本地網內的S-GW設為群組，只處理所轄本地網內eNode B的業務。

3.3 核心網內組網方式

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網絡即為LTE用戶建立LTE用戶 — eNode B —S-GW — P-GW的默認承載，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對應的S-GW和P-GW地址列表， 再根據配置的策略選擇最優的S-GW和P-GW組合，為用戶建立默認承載。

從上述過程來看，MME選擇S/P-GW需根據DNS解析的結果來實現，同樣MME間的選擇也需通過DNS，因此在實際組網時不需特別規劃其間的組網方式，只需在MME、DNS等節點配置相關數據，網元間經IP承載網直接互連。

3.3.2 MME與HSS間互通

EPC核心網中MME與HSS間采用Diameter協議互通，完成用戶接入認證、插入用戶簽約數據、對用戶接入PDN進行授權等功能。對于同一本地網內的MME與HSS間可采用靜態配置數據方式，直接經IP承載網互連；對于跨本地網及跨省的MME與HSS的網絡組織方案有以下3種。

方案一：MME靜態配置HSS地址數據；需MME配置外地所有HSS的地址（與LTE IMSI號碼段有對應關系）。

方案二：通過DNS尋址；即由DNS根據LTE IMSI號碼或其它信息解析出HSS的設備標識(主機名)或IP地址，返回給MME。

方案三：Diameter代理中繼方式，即在網中設置Diameter代理中繼服務器來轉接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，服務質量較高，但該方案適合MME與HSS數量較少，網絡規模較小的情況。當EPC網絡規模比較大、網內MME和HSS較多時，MME需配置大量路由數據，且每當網內新增HSS時，均需MME增加相應的數據，網絡維護工作量大，不利于網元的穩定。

對于方案二，由DNS負責解析相應節點的地址并反饋給MME，MME的數據配置相對簡單，且MME直接與HSS進行信令消息的交互，但在跨省尋址時，需要經多個DNS進行解析，特別是方式二，需經多級DNS解析地址，信令傳送時延較長；當網絡規模較大時，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中的STP，轉接MME與HSS間的Diameter信令，MME的數據配置也相對簡單，HSS、MME拓撲對外隱藏，安全性高；但Diameter信令需經多個節點轉接，傳送時延將較長，且需考慮Diameter代理中繼的設置和組網問題，在網絡規模較小時，設置獨立的Diameter代理中繼服務器不太經濟。

圖4 Diameter代理中繼方式

根據上述3個方案的特點可看出，方案一適用于網絡規模小的情況。方案二和方案三均為轉接方式，其區別在于，方案三由Diameter中繼代理完成信令轉接功能，需分析Diameter信令消息中的路由信息，并根據其選路并進行消息轉接；而方案二中DNS只根據IMSI或其它信息解析出相關地址信息反饋MME，并不分析Diameter信令消息。相比較而言，方案三是電信網中較為傳統的信令轉接方案，依托于現有七號信令網成熟的架構和信令轉接模式，可保證較好的業務質量；方案二是IP網中常用的尋址方案，當信令消息轉接量較大時，DNS的解析能力可能會成為瓶頸。因此宜優選方案三。此外，該方案有利于當網中設置了多個PCRF節點時，不同PCRF節點間Diameter信令消息的轉接。

對于Diameter中繼代理節點的設置，有3種方式可選擇：方式一：全國集中設置；方式二：分大區設置；方式三：以省為單位設置。具體采用哪種方式，需結合EPC網絡建設范圍和建設規模來選擇。為了保證網絡安全可靠，Diameter中繼代理節點應成對設置。

3.4 與其他網絡間組網方式

3.4.1 與2G/3G核心網間互連

從技術發展和網絡建設來看，LTE/EPC網絡在現網中的布署將是一個漸進的過程，必將有與2G/3G網絡并存的階段，而且在LTE網絡建設初期，需通過現有2G/3G網絡來彌補其覆蓋范圍有限的問題，使LTE用戶在無LTE覆蓋的區域內仍能接入到2G/3G網絡繼續使用業務，保證業務的連接性，因此要求EPC與2G/3G核心網互連。

EPC與2G/3G分組域間直接通過IP承載網實現互連，若EPC核心網與2G/3G分組域承載在不同的IP承載網時，兩網間的互通可通過設置BG的方式來實現。當提供一些特定業務如短信業務時，要求EPC與2G/3G電路域互連，MME與MSC Server間SGs接口可以通過IP承載網實現互連，HSS設備需具備No.7信令接口，通過No.7信令網與短信中心互連。

3.4.2 與IMS核心網及其他外部數據網間互連

EPC核心網需與IMS核心網及其它外部數據網互連，以便為LTE用戶提供IMS業務和其它數據業務，P-GW經SGi接口與這些網通過IP承載網實現互連。

4 結束語

EPC核心網雖可由2G/3G分組域演進而來，但因其網絡架構發生變化，組網方式與現有分組域有所不同，本文根據EPC技術特點，對其網元設置方式、核心網及與其它網間組網方式進行了分析和探討，并提出了相應的組網方案，可為運營商布署EPC網絡提供參考，但在實際組網中還有一些細節問題有待進一步研究。

[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]中國移動集團設計院有限公司. 現有GPRS向SAE演進方案研究.2009，12