5G核心网技术基础自学系列 | EPC的主要功能

Posted 2022-11-23 COCOgsta

书籍来源：《5G核心网 赋能数字化时代》

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本节中， 我们将简要介绍EPC的关键功能， 以帮助读者理解与5G EPC相关的内容。有关EPC的更多详细信息， 参见Olsson etal.(2012) 。EPC的关键实体是HSS、MME、SGW、PGW、PCRF。图4.4展示了EPS的简化架构， 其中仅包括与EPC相关的关键组件， 尤其是与5G EPC相关的关键组件。

图4.4 简化的EPS架构

3GPP的无线接入网包括GERAN、UTRAN和E-UTRAN， 我们的重点只放在E-UTRAN (LTE) 接人。MME是移动性管理实体， 负责控制面与eNB连接的信令， E-UTRAN负责UE的连接。MME还负责NAS终结、注册和跟踪区管理、寻呼和鉴权以及授权， 并由HSS(和AUC) 为连接到EPS的用户和UE提供支持。

Serving GW(SGW) 是对eNB的用户面终结点， 并提供到PDN GW(PGW) 的连接，PDN GW是到分组数据网络(PDN) 的锚点。每个UE通常由单个SGW服务。

PGW是UE访问某个PDN的锚点， 由SGi接口表示。PGW支持所有与分组数据相关的执行功能， 比如实施相关的策略和QoS。

策略和计费规则功能(PCRF) 是EPS中的中央策略处理实体， 该节点负责向PCEF 提供诸如QoS控制、承载绑定、门控以及与策略相关的规则。

策略和计费执行功能(PCEF) 是PGW功能的一部分， 负责执行PCRF安装的策略和规则。

4.2.1 签约和移动性管理

在移动网络中， 许多功能和过程需要与签约有关的信息。LTE/EPC网络中使用用户签约数据最明显的例子是“用户身份和安全凭证”， 这在用户终端连接到LTE/EPC网络并执行鉴权时使用。用户身份(IMSI) 和安全密钥存储在终端的USIM卡中， 相同的信息还存储在运营商核心网的归属用户服务器(HSS) 中。HSS的签约数据和功能用于3GPP网络中的许多功能。

HSS的功能包括：

• 用户安全支持：HSS通过向网络实体(例如SGSN、MME和3GPP AAA服务器) 提供凭证和密钥，支持网络接入的鉴权和安全过程。

• 移动性管理：例如， HSS通过存储当前为用户服务的MME的信息， 支持用户的移动性。

• 用户标识处理：HSS在用户的所有标识符之间提供适当的关系， 唯一确定系统中的用户。

• 接入授权：当MME或(用于PS接入的) 3GPP AAA服务器提出请求时， HSS检查是否允许用户漫游到当前的访问网络，确定是否授权用户的移动接入。

• 服务授权：HSS为终止在移动网络的呼叫、会话建立和服务调用提供基本授权。

• 服务提供：HSS提供对服务配置数据的访问， 以供在CS域、PS域或IMS中使用。对于PS域， HSS提供APN配置文件， 其中包括用户被授权使用的APN。HSS还与IMS实体进行通信以支持应用服务(AS) 。如果签约用户数量太大而无法由单个HSS处理， 运营商可能需要多个HSS。在这种情况下， 为了支持用户标识到HSS 的解析， 可以部署Diameter代理。在EPS中， 与签约用户有关的数据可以由不同的网络实体(例如HLR/HSS和SPR) 进行管理。EPC中引人了UDC， 以实现用户数据的融合， 从而可以更平滑地管理和部署新的服务和网络。UDC概念支持分层架构， 使实际数据与3GPP系统中的应用逻辑分离。这是通过将用户数据存储在逻辑上唯一的用户数据存储库中并允许从EPC和业务层实体访问此数据来实现的。

4.2.2 移动性管理

LTE/EPC中的移动性管理通过“跟踪区”跟踪UE在小区间的移动。MME跟踪连接到核心网的UE，在UE移动的过程中，在需要并且可能的情况下，通过跟踪区更新和切换流程来改变服务的MME。作为移动性流程的一部分， UE最初通过注册(即“附着”)流程连接到网络。

在EPS中， 注册区称为跟踪区(TA) 。为了分发注册更新信令， EPS引人了跟踪区列表的概念，该概念允许UE属于由多个TA组成的列表，不同的UE可分配有不同的跟踪区列表。如果UE在其分配的TA列表对应的区域内移动，不必执行跟踪区更新。通过给UE分配不同的跟踪区列表，运营商可以为UE提供不同的注册区边界，从而减少注册更新信令的峰值， 例如， 当火车经过TA边界时。

EPS中空闲移动性过程的要点是：

• TA由一组小区组成。

• EPS中的注册区是一个或多个TA的一个列表。

• 当UE移出其TA列表中的区域时，UE执行TA更新。

• 当周期性TA更新定时器到期时，UE也要执行周期性TA更新。

当UE重新选择新小区时， 如果发现广播的TA ID不在其TA列表中， 则UE向网络发起TAU过程。

1. 首先向MME发送TA更新消息。

2. 当从UE接收到TA消息时， MME检查该UE的上下文是否存在； 如果不存在，则检查UE的临时身份以确定哪个MME保留着UE的上下文。一旦确定， MME就向旧的MME请求UE上下文。

3）旧的MME将UE上下文传送到新的MME。

1. 新的MME与HSS交互以完成该过程， 包括用新的MME信息更新HSS。

2. MME向UE确认跟踪区更新过程成功。

寻呼是为了寻找空闲态的UE， 并建立和UE的信令连接。寻呼可以由到达SGW的下行数据触发， 当SGW收到发往空闲态UE的下行数据包时， 没有可发送数据包的eNodeB地址， 此时， SGW通知MME， 下行数据已到达。MME知道UE在哪个TA(列表) 中漫游， 并向TA列表内的e Node B发送寻呼请求。在接收到寻呼消息后， UE通过Service Request(业务请求) 消息响应MME， 承载被激活， 至此下行数据可发送给UE。

4.2.3 会话管理

会话管理规定的是3GPP系统如何在UE和与之通信的服务网络之间提供连接。在EPS中， 此连接是通过建立一个或多个PDN连接来实现的， 该连接通过RAN将UE连接到PGW， PGW是通向3GPP以外的外部网络的出口， 也是外部网络通往3GPP EPC网络的入口。

提供PDN连接不仅是获得IP地址， 还涉及如何在UE和PDN之间传输IP数据包，以便为用户访问业务提供良好的体验。不同的业务类型，比如IP语音呼叫、视频流服务、文件下载、聊天应用等， 对IP数据包传输的QoS要求是不同的。不同的业务对比特率、时延、抖动等也有不同的要求。此外，由于无线和传输网资源有限，并且许多用户可能在共享相同的可用带宽，因此必须有有效的机制，以便在应用和用户之间分配可用的(无线)资源。EPS需要支持所有这些不同的业务要求， 并确保不同的业务获得适当的QoS， 以实现较好的用户体验。

会话管理过程的主要目标之一是建立PDN连接， 而最初的EPS主要是提供PDN类型的IP(IPv4和IPv6) 。随着对EPS不同类型业务的需求的增长， 支持其他PDN类型的需求也变得很重要。当前的EPS系统支持两种其他的PDN类型， 称为Non-IP和以太网PDN。Non-IP主要针对为蜂窝物联网服务设计的低复杂性和低吞吐量的UE， 而以太网针对的是工业4.0的用例。

4.2.4 控制面的考虑

EPS中承载的控制可以有几种流程， 用于激活、修改和去激活承载， 以及为承载分配QoS参数、数据包过滤器等。请注意， 如果默认承载被去激活了， 那么整个PDN连接会被释放。EPS采用了以网络为中心的QoS控制机制， 这意味着基本上只有PGW可以激活、修改和去激活专用EPS承载， 并决定在哪个承载上传输哪些数据流。

4.2.5 QoS

EPS仅涵盖EPS内部(即UE与PGW之间) 流量的QoS要求， 如果业务对QoS的要求超出了EPS的范围， 则由其他机制来维护， 例如运营商网络的部署和不同网络运营商间的服务水平协议(SLA) 。EPS承载代表了E-UTRAN/EPS中QoS控制的粒度， 并在UE和网络之间提供一条具有明确QoS属性的逻辑传输路径。

EPS承载的QoS概念映射到底层传输的QoS概念。例如， 在E-UTRAN无线接口上， EPS承载的QoS特性是使用E-UTRAN特定的流量处理机制来实现的， 每个EPS承载都通过具有相应QoS特性的E-UTRAN无线承载进行传输。在eNB、SGW和PGW之间的“骨干”网络中， 可以使用例如Diffserv将EPS承载的QoS映射到IP传输层的QoS。承载的属性之一是与之关联的比特率。我们区分两种类型的承载：GBR承载和非GBR承载， 其中GBR是保证比特率的缩写， 除上面讨论的QoS参数外， GBR承载还有关联的比特率分配：GBR和最大比特率(MBR) 。非GBR承载没有关联的比特率参数。

一个GBR承载意味着， 无论是否使用该承载， 都会为该承载预留一定数量的带宽，因此， 即使没有任何用户数据发送， GBR承载也总是占用无线链路上的资源。GBR承载在建立时会有准入控制， 只有在有足够的可用资源时， 网络才允许GBR承载的建立， 因此一般情况下， GBR承载不应因网络或无线链路拥塞而遭受任何数据丢失。MBR限制了GBR承载可提供的最大比特率， 超出MBR的流量可能会被整形功能丢弃。

4.2.6 E-UTRAN接入的EPS承载

对于EPS中的E-UTRAN接入， 实现QoS的一种基本工具是“EPS承载”。实际上，上述PDN连接服务总是由一个或多个EPS承载(为简单起见也称为“承载”) 提供。EPS 承载在UE和PDN之间提供逻辑传输通道， 用于传输IP流量。每个EPS承载都与一组QoS参数相关联， 这些参数描述了传输信道的属性， 例如， 比特率、时延和误码率、无线基站中的调度策略等。在同一个EPS承载上发送的所有符合要求的流量将得到相同的QoS 处理。如果两个IP数据流要求不同的QoS， 需要建立不同的EPS承载。属于一个PDN连接的所有EPS承载共享相同的UE IP地址。

4.2.7 默认承载和专用承载

一个PDN连接至少具有一个EPS承载， 但它也可能具有多个EPS承载， 以便为其传输的IP流量提供差异化的QoS。在LTE中建立PDN连接时激活的第一个EPS承载称为“默认承载”， 该承载存续于PDN连接的生命周期内。即使可以为默认承载提供增强的QoS， 但在大多数情况下， 默认承载只与默认的QoS类型相关， 用于传输不需要任何特殊QoS的IP流量。一个PDN连接可以有其他的EPS承载， 被称为“专用承载”， 此类承载可以按需激活，例如，在启动需要特定保障比特率或优先调度的应用时。由于专用承载仅在需要时才建立， 因此当不再需要时(例如， 在需要特别QoS的应用不再运行时) ， 也可以将其去激活。

4.2.8 用户面的考虑

UE和PGW使用数据包过滤器将IP流量映射到不同的承载上。每个EPS承载都与一个“业务流模板”(TFT) 相关联， 该模板包含该承载的包过滤器。这些TFT可以包含用于上行流量(UL TFT) 或下行流量(DL TFT) 的包过滤器。TFT通常是在建立新的EPS承载时创建的， 在EPS承载的生命周期内可以对其进行修改， 例如， 当用户使用业务时， 可以将与该业务相对应的流量过滤器添加到EPS承载的TFT中， 该EPS承载也将负责该业务数据的传输。过滤器的内容可以来自UE或PCRF。TFT包含数据包过滤器信息， UE和PGW根据包过滤器信息识别属于某个IP流的数据包。包过滤器信息通常是IP五元组， 定义了源和目标IP地址、源和目标端口以及协议标识符(例如， UDP或TCP) 。包过滤器还可以基于其他与IP流有关的参数来定义。

EPS承载建立时， 所有需要处理用户面并识别每个承载的EPS节点都将创建承载的上下文。对于E-UTRAN和基于GTP的SGW和PGW之间的S5/S8接口， UE、eNodeB、MME、SGW和PGW都将具有承载上下文。承载上下文的细节在节点之间会有所不同，因为相同的承载参数并不是与所有节点都相关。在EPC的核心网节点之间， 属于一个承载的用户面流量，使用封装报头(隧道标头)进行传输，封装报头用来标识是哪个承载，封装协议为GTP-U。当使用E-UTRAN时， GTP-U用于S1-U， 也可以用于S5/S8。

4.2.9 策略和计费控制

策略控制是一个非常宽泛的术语，网络中可以实现许多不同的策略，例如，与安全性相关的策略、与移动性相关的策略、与接入技术使用相关的策略，因此，在讨论策略时，这两个功能：

1. 门控是阻止或允许属于某个服务的IP流的IP数据包的功能。PCRF做出门控决策， 然后由PCEF实施， 例如， PCRF可以基于应用功能(AF) 通过Rx参考点报告的会话事件(业务的开始/停止)做出门控决策。

2. QoS控制允许PCRF为PCEF提供用于IP流的授权QoS。授权的QoS可以包括例如授权的QoS类别和授权的比特率。PCEF通过建立适当的承载来实施QoS控制决策；PCEF还执行比特率的控制， 以确保某个业务会话不会超过其授权的QoS。

3GPP的多个Release都向PCC添加了更多功能， 这些功能与第10章中所描述的非常类似。

计费控制包括用于离线和在线计费的方案。PCRF决定对于某个服务会话是使用在线计费还是离线计费， PCEF通过收集计费数据并与计费系统交互来执行该决策。PCRF还控制采用哪种测量方法：使用数据总量、使用持续时间、使用组合的数据总量/持续时间或使用基于事件的测量。同样， PCEF通过对流经PCEF的IP流量进行适当的测量来决定策略的执行。

使用在线计费，计费信息可实时影响所使用的服务，因此需要计费机制与网络资源使用的控制直接进行交互。在线信用额度管理允许运营商根据信用状态控制对服务的访问。例如，为了继续正在进行的业务或者开始使用其他的业务，签约用户必须留有足够的信用额度。OCS可以通过对已授权的IP流提供信用额度， 允许用户访问单个服务或一组服务。OCS对资源使用的许可有不同的形式， 例如以一定数量的时间、流量或计费事件的形式给予信用额度。如果用户无权访问某项服务， 例如由于预付费账户为空， 则OCS可以拒绝信用额度的请求， 并可以额外指示PCEF将业务请求重定向到指定的目的地， 因而用户能够重新给账户充值。

PCRF是PCC做出策略和计费控制决策的中心实体， PCRF所作的决策可以基于来自不同网元(即UE、GW、RAN、AF) 的输入。

PCRF以PCC规则的形式提供其决策。PCC规则包含PCEF和计费系统使用的一组信息。首先， 它包含PCEF用来识别属于服务会话的IP数据包的信息(在服务数据流(SDF)模板中) 。与SDF模板的包过滤器匹配的所有IP数据包都被称为SDF。SDF模板中的过滤器包含对IP流的描述，通常包括源IP地址和目标IP地址、IP数据包使用的协议类型以及源端口号和目标端口号， 这五个参数通常称为IP五元组。SDF模板中也可以指定IP报头的其他参数。PCC规则还包含门状态(打开/关闭) ， 以及SDF的QoS和计费相关的信息。SDF的QoS信息包括QCI、MBR、GBR和ARP。PCC规则中QoS参数的一个重要特点是， 它们和EPS承载的QoS参数的取值范围不同。单个EPS承载可以用于传送由多个PCC规则描述的数据流， 只要该承载为那些PCC规则的SDF提供了适当的QoS。