Evoluzione dell'architettura di sistema - System Architecture Evolution

System Architecture Evolution ( SAE ) è l'architettura di rete di base di dispositivi mobili del gruppo protocollo di comunicazione 3GPP s' LTE standard di comunicazione wireless.

SAE è l'evoluzione del GPRS Core Network , ma con un'architettura semplificata; una rete all-IP (AIPN); supporto per reti di accesso radio (RAN) più elevate e con minore latenza ; e il supporto e la mobilità tra più reti di accesso eterogenee, tra cui E-UTRA ( interfaccia aerea avanzata LTE e LTE ) e sistemi legacy 3GPP (ad esempio GERAN o UTRAN , interfacce aeree di GPRS e UMTS rispettivamente), ma anche non Sistemi 3GPP (ad esempio Wi-Fi , WiMAX o CDMA2000 ).

Architettura SAE

Il SAE ha un'architettura piatta e interamente IP con separazione del traffico del piano di controllo e del piano utente.

Il componente principale dell'architettura SAE è Evolved Packet Core ( EPC ), noto anche come SAE Core . L'EPC fungerà da equivalente delle reti GPRS (tramite i sottocomponenti Mobility Management Entity , Serving Gateway e PDN Gateway ).

Packet Core evoluto (EPC)

Nodi e interfacce EPC

I sottocomponenti dell'EPC sono:

MME (Mobility Management Entity)

L'MME è il nodo di controllo chiave per la rete di accesso LTE. È responsabile della procedura di paging e tagging dell'apparecchiatura utente (UE) in modalità inattiva , comprese le ritrasmissioni. È coinvolto nel processo di attivazione / disattivazione della portante ed è anche responsabile della scelta del Serving Gateway per una UE al momento del collegamento iniziale e al momento dell'handover intra-LTE che coinvolge il trasferimento del nodo Core Network (CN). È responsabile dell'autenticazione dell'utente (interagendo con il server dell'abbonato principale ). La segnalazione di Non Access Stratum (NAS) termina alla MME ed è anche responsabile della generazione e dell'allocazione di identità temporanee alle UE. Controlla l'autorizzazione della UE ad accamparsi sulla Public Land Mobile Network (PLMN) del fornitore di servizi e applica le restrizioni al roaming dell'UE. L'MME è il punto di terminazione nella rete per la protezione di cifratura / integrità per la segnalazione NAS e gestisce la gestione delle chiavi di sicurezza. Anche l'intercettazione legale della segnalazione è supportata dall'MME. L'MME fornisce anche la funzione del piano di controllo per la mobilità tra le reti di accesso LTE e 2G / 3G con l'interfaccia S3 che termina all'MME dall'SGSN . La MME termina anche l'interfaccia S6a verso l'HSS per le UE in roaming.

SGW (Serving Gateway)

Il Serving Gateway instrada e inoltra i pacchetti di dati dell'utente, fungendo anche da ancoraggio di mobilità per il piano utente durante gli hand - over tra eNodeB e da ancoraggio per la mobilità tra LTE e altre tecnologie 3GPP (terminando l'interfaccia S4 e inoltrando il traffico tra 2G / 3G sistemi e Packet Data Network Gateway). Per l'apparecchiatura utente in stato di inattività, il gateway di servizio termina il percorso dei dati di downlink e attiva il paging quando arrivano i dati di downlink per l'apparecchiatura utente. Gestisce e memorizza i contesti UE, ad esempio parametri del servizio portante IP, informazioni di instradamento interno alla rete. Esegue anche la replica del traffico dell'utente in caso di intercettazione legale.

PGW (Packet Data Network Gateway)

Il Packet Data Network Gateway (PDN Gateway, anche PGW) fornisce la connettività dall'apparecchiatura utente (UE) a reti di dati a pacchetto (PDN) esterne essendo il suo punto di uscita e di ingresso del traffico. Una parte dell'apparecchiatura utente può avere connettività simultanea con più di un gateway di rete dati a pacchetto per l'accesso a più reti di dati a pacchetto. Il gateway PDN esegue l'applicazione delle policy, il filtraggio dei pacchetti per ogni utente, il supporto per l'addebito, l' intercettazione legale e lo screening dei pacchetti. Un altro ruolo chiave del Packet Data Network Gateway è quello di fungere da punto di ancoraggio per la mobilità tra le tecnologie 3GPP e non 3GPP come WiMAX e 3GPP2 (CDMA 1X ed EvDO ).

HSS (server di sottoscrizione domestica)

La casa Subscriber Server è un database centrale che contiene le informazioni relative all'utente e dell'abbonamento correlate. Le funzioni dell'HSS includono la gestione della mobilità, il supporto per la creazione di chiamate e sessioni, l'autenticazione dell'utente e l'autorizzazione all'accesso. L'HSS si basa sul registro della posizione domestica (HLR) pre-Rel-4 e sul centro di autenticazione (AuC).

ANDSF (funzione di rilevamento e selezione della rete di accesso)

L' ANDSF fornisce informazioni all'UE sulla connettività a reti di accesso 3GPP e non 3GPP (come Wi-Fi). Lo scopo dell'ANDSF è di aiutare l'UE a scoprire le reti di accesso nelle loro vicinanze e fornire regole (politiche) per dare priorità e gestire le connessioni a queste reti.

ePDG (Evolved Packet Data Gateway)

La funzione principale dell'ePDG è quella di proteggere la trasmissione dei dati con una UE collegata all'EPC su un accesso non affidabile non 3GPP, ad esempio VoWi-Fi. A tal fine, l'ePDG funge da nodo di terminazione dei tunnel IPsec stabiliti con l'UE.

Protocolli Non Access Stratum (NAS)

I protocolli Non-Access Stratum (NAS) formano lo strato più alto del piano di controllo tra l'apparecchiatura utente (UE) e l'MME. I protocolli NAS supportano la mobilità dell'UE e le procedure di gestione della sessione per stabilire e mantenere la connettività IP tra l'UE e un PDN GW. Definiscono le regole per la mappatura tra i parametri durante la mobilità tra sistemi con reti 3G o reti di accesso non 3GPP. Forniscono inoltre la sicurezza NAS mediante la protezione dell'integrità e la cifratura dei messaggi di segnalazione NAS. EPS (Evolved Packet System) fornisce all'abbonato una connettività IP "pronta all'uso" e un'esperienza "sempre attiva" collegando le procedure di gestione della mobilità e di gestione delle sessioni durante la procedura di collegamento UE.

Le transazioni NAS complete consistono in sequenze specifiche di procedure elementari con i protocolli EPS Mobility Management (EMM) ed EPS Session Management (ESM).

EMM (EPS Mobility Management)

Il protocollo EPS (Evolved Packet System) Mobility Management (EMM) fornisce procedure per il controllo della mobilità quando lo User Equipment (UE) utilizza la Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN). Fornisce inoltre il controllo della sicurezza per i protocolli NAS.

L'EMM prevede diversi tipi di procedure come:

  • Procedure comuni EMM : possono sempre essere avviate mentre esiste una connessione di segnalazione NAS. Le procedure appartenenti a questo tipo vengono avviate dalla rete. Includono la riallocazione GUTI, l'autenticazione, il controllo della modalità di sicurezza, l'identificazione e le informazioni EMM.
  • Procedure specifiche EMM - specifiche solo per l'UE. In qualsiasi momento può essere eseguita solo una procedura specifica EMM avviata dall'UE. Le procedure che appartengono a questo tipo sono il collegamento e il collegamento combinato, il distacco o il distacco combinato, l'aggiornamento normale dell'area di tracciamento e l'aggiornamento combinato dell'area di tracciamento (solo modalità S1) e l'aggiornamento periodico dell'area di tracciamento (solo modalità S1).
  • Procedure di gestione della connessione EMM - gestisci la connessione della UE con la rete:
    • Richiesta di servizio: avviata dalla UE e utilizzata per stabilire una connessione sicura alla rete o per richiedere la prenotazione delle risorse per l'invio dei dati, o entrambi.
    • Procedura di cercapersone: avviata dalla rete e utilizzata per richiedere la creazione di una connessione di segnalazione NAS o per richiedere all'UE di ricollegarsi se necessario a seguito di un errore di rete.
    • Trasporto di messaggi NAS: avviato dalla UE o dalla rete e utilizzato per il trasporto di messaggi SMS .
    • Trasporto generico di messaggi NAS: avviato dalla UE o dalla rete e utilizzato per trasportare messaggi di protocollo da altre applicazioni.

La UE e la rete eseguono la procedura di collegamento, la procedura di attivazione del contesto portante EPS di default in parallelo. Durante la procedura di collegamento EPS la rete attiva un contesto portante EPS predefinito. I messaggi di gestione della sessione EPS per l'attivazione del contesto del portatore EPS predefinito vengono trasmessi in un elemento informativo nei messaggi di gestione della mobilità EPS. La UE e la rete completano la procedura di attivazione del contesto portante EPS predefinito combinato e la procedura di collegamento prima che la procedura di attivazione del contesto portante EPS dedicata sia completata. Il successo della procedura di collegamento dipende dal successo della procedura di attivazione del contesto portante EPS predefinito. Se la procedura di collegamento non riesce, anche le procedure di gestione della sessione ESM falliscono.

ESM (EPS Session Management)

Il protocollo EPS Session Management (ESM) fornisce procedure per la gestione dei contesti portatori di EPS. Insieme al controllo del portatore fornito da Access Stratum , fornisce il controllo dei portatori dell'aereo dell'utente. La trasmissione dei messaggi ESM viene sospesa durante le procedure EMM ad eccezione della procedura di allegato.

Portatore di EPS: ogni contesto portatore di EPS rappresenta un portatore di EPS tra l'UE e un PDN. I contesti portanti EPS possono rimanere attivati ​​anche se le portanti radio e S1 che costituiscono le corrispondenti portanti EPS tra UE e MME vengono temporaneamente rilasciate. Un contesto portatore di EPS può essere un contesto portatore predefinito o un contesto portatore dedicato. Un contesto portante EPS predefinito viene attivato quando la UE richiede una connessione a un PDN. Il primo contesto di portante EPS predefinito, viene attivato durante la procedura di collegamento EPS. Inoltre, la rete può attivare uno o più contesti portanti EPS dedicati in parallelo.

In generale, le procedure ESM possono essere eseguite solo se è stato stabilito un contesto EMM tra l'UE e l'MME e lo scambio sicuro di messaggi NAS è stato avviato dall'MME mediante l'uso delle procedure EMM. Una volta che l'UE è stata collegata con successo, l'UE può richiedere all'MME di impostare connessioni a PDN aggiuntivi. Per ogni connessione aggiuntiva, la MME attiva un contesto portante EPS predefinito separato. Un contesto portante EPS predefinito rimane attivato per tutta la durata della connessione al PDN.

Tipi di procedure ESM: ESM coinvolge diversi tipi di procedure come:

  • Procedure relative ai contesti portante EPS - avviate dalla rete e utilizzate per la manipolazione dei contesti portante EPS, inclusa l'attivazione del contesto portante EPS predefinito, l'attivazione del contesto portante EPS dedicato, la modifica del contesto portante EPS, la disattivazione del contesto portante EPS.
  • Procedure relative alla transazione - avviate dalla UE per richiedere risorse, cioè una nuova connessione PDN o risorse portanti dedicate, o per rilasciare queste risorse. Includono la procedura di connettività PDN, la procedura di disconnessione PDN, la procedura di allocazione delle risorse al portatore, la procedura di modifica delle risorse portanti.

La MME mantiene il contesto EMM e le informazioni sul contesto della portante EPS per UE negli stati ECM-IDLE, ECM CONNECTED ed EMM-EMM.

Stack di protocollo EPC

Protocolli MME (Mobility Management Entity)

Lo stack del protocollo MME è costituito da:

  1. Stack S1-MME per supportare l'interfaccia S1-MME con eNodeB
  2. Stack S11 per supportare l'interfaccia S11 con Serving Gateway

MME supporta l'interfaccia S1 con eNodeB. Lo stack dell'interfaccia S1 MME integrato è costituito da IP , SCTP , S1AP.

  • SCTP (Stream Control Transmission Protocol) è un protocollo di trasporto comune che utilizza i servizi del protocollo Internet (IP) per fornire un servizio di consegna di datagrammi affidabile ai moduli di adattamento, come S1AP. SCTP fornisce una consegna affidabile e sequenziata in cima al framework IP esistente. Le caratteristiche principali fornite da SCTP sono:
    • Configurazione dell'associazione : un'associazione è una connessione impostata tra due endpoint per il trasferimento dei dati, in modo molto simile a una connessione TCP. Un'associazione SCTP può avere più indirizzi a ciascuna estremità.
    • Consegna affidabile dei dati : fornisce dati sequenziati in un flusso (eliminazione del blocco dell'head-of-line): SCTP garantisce la consegna sequenziata di dati con più flussi unidirezionali, senza bloccare i blocchi di dati nell'altra direzione.
  • S1AP (S1 Application Part) è il servizio di segnalazione tra E-UTRAN e Evolved Packet Core (EPC) che soddisfa le funzioni dell'interfaccia S1 come le funzioni di gestione SAE Bearer, la funzione di trasferimento del contesto iniziale, le funzioni di mobilità per UE, paging, funzionalità di ripristino, Funzione di trasporto segnalazione NAS, segnalazione errori, funzione rilascio contesto UE, trasferimento stato.

MME supporta l'interfaccia S11 con Serving Gateway. Lo stack dell'interfaccia S11 integrato è costituito da IP , UDP , eGTP-C .

Protocolli SGW (Serving Gateway)

L'SGW è costituito da

  1. Stack del piano di controllo S11 per supportare l'interfaccia S11 con MME
  2. Controllo S5 / S8 e stack del piano dati per supportare l'interfaccia S5 / S8 con PGW
  3. Stack del piano dati S1 per supportare l'interfaccia del piano utente S1 con eNodeB
  4. Stack del piano dati S4 per supportare l'interfaccia del piano utente S4 tra RNC di UMTS e SGW di eNodeB
  5. Sxa: a partire da 3GPP Rel.14, l'interfaccia Sx e il protocollo PFCP associato sono stati aggiunti all'SGW , consentendo la separazione del piano utente di controllo tra SGW-C e SGW-U.

SGW supporta l'interfaccia S11 con MME e l'interfaccia S5 / S8 con PGW. Lo stack del piano di controllo integrato per queste interfacce è costituito da IP , UDP , eGTP-C .

SGW supporta l'interfaccia S1-U con eNodeB e l'interfaccia del piano dati S5 / S8 con PGW. Lo stack del piano dati integrato per queste interfacce è costituito da IP , UDP , eGTP-U .

Interfacce principali che P-GW condivide con altri nodi EPC

Protocolli PGW (Packet Data Network Gateway)

Le principali interfacce supportate dal P-GW sono:

  1. S5 / S8: questa interfaccia è definita tra S-GW e P-GW. Si chiama S5 quando l'S-GW e il P-GW si trovano nella stessa rete (scenario non roaming) e S8 quando l'S-GW si trova nella rete ospitante e il P-GW nella rete domestica (roaming scenario). I protocolli eGTP-C e GTP-U vengono utilizzati nell'interfaccia S5 / S8.
  2. Gz: questa interfaccia viene utilizzata dal P-GW per comunicare con l'Offline Charging System (OFCS), principalmente per inviare i Charging Data Records (CDR) degli utenti postpagati tramite FTP .
  3. Gy: questa interfaccia viene utilizzata dal P-GW per comunicare con l' Online Charging System (OCS). Il P-GW informa il sistema di ricarica in tempo reale sul carico utile degli utenti prepagati. Il protocollo del diametro viene utilizzato nell'interfaccia Gy.
  4. Gx: questa interfaccia viene utilizzata dal P-GW per comunicare con la Policy and Charging Rules Function (PCRF) al fine di gestire le regole Policy and Charging Rules (PCC). Queste regole contengono informazioni relative all'addebito nonché parametri di qualità del servizio (QoS) che verranno utilizzati nello stabilimento al portatore. Il protocollo del diametro viene utilizzato nell'interfaccia Gx.
  5. SGi: questa interfaccia è definita tra il P-GW e le reti esterne, ad esempio, accesso a Internet, accesso aziendale, ecc.
  6. Sxb: a partire da 3GPP Rel.14, l'interfaccia Sx e il protocollo PFCP associato sono stati aggiunti al PGW, consentendo la separazione del piano utente di controllo tra PGW-C e PGW-U.

Supporto di servizi vocali e SMS

L'EPC è una rete centrale di soli pacchetti. Non ha un dominio a commutazione di circuito , che viene tradizionalmente utilizzato per le chiamate telefoniche e gli SMS .

Supporto per servizi vocali in EPC

3GPP ha specificato due soluzioni per la voce:

  • IMS : una soluzione per IMS Voice over IP è stata specificata in Rel-7.
  • Fallback a commutazione di circuito (CSFB) : per effettuare o ricevere chiamate, l'UE cambia la sua tecnologia di accesso radio da LTE a una tecnologia 2G / 3G che supporta servizi a commutazione di circuito. Questa funzione richiede una copertura 2G / 3G. È necessaria una nuova interfaccia (chiamata SG) tra MME e MSC . Questa funzione è stata sviluppata in Rel-8.

Supporto per servizi SMS in EPC

3GPP ha specificato tre soluzioni per gli SMS:

  • IMS : una soluzione per SMS over IP è stata specificata in Rel-7.
  • SMS over SGs : questa soluzione richiede l'interfaccia SGs introdotta durante il lavoro su CSFB. Gli SMS vengono forniti in Non Access Stratum su LTE. Non è prevista alcuna modifica tra sistemi per l'invio o la ricezione di SMS. Questa funzionalità è stata specificata in Rel-8.
  • SMS over SGd : questa soluzione richiede l'interfaccia SGd Diameter alla MME e fornisce SMS nel Non Access Stratum su LTE, senza richiedere la segnalazione completa né l'MSC legacy che fa CSFB, né l'overhead associato alla segnalazione IMS e il portatore EPC associato gestione.

CSFB e SMS su SG sono visti come soluzioni provvisorie, essendo IMS a lungo termine .

Reti ad accesso multiplo

L'UE può connettersi all'EPC utilizzando diverse tecnologie di accesso. Queste tecnologie di accesso sono composte da:

  • Accessi 3GPP : queste tecnologie di accesso sono specificate dal 3GPP . Includono GPRS , UMTS , EDGE , HSPA , LTE e LTE Advanced .
  • accessi non 3GPP : queste tecnologie di accesso non sono specificate dal 3GPP . Includono tecnologie come cdma2000 , WiFi o reti fisse. 3GPP specifica due classi di tecnologie di accesso non 3GPP con diversi meccanismi di sicurezza:
    • accessi fidati , che l'operatore di rete considera affidabili dal punto di vista della sicurezza (ad esempio: una rete cdma2000 ). Affidabile non 3GPP accede all'interfaccia direttamente con la rete.
    • accessi non attendibili , che l'operatore di rete non considera affidabili dal punto di vista della sicurezza (ad esempio, una connessione su un hotspot WiFi pubblico). Gli accessi non affidabili non 3GPP sono collegati alla rete tramite un ePDG, che fornisce meccanismi di sicurezza aggiuntivi ( tunneling IPsec ).

Spetta all'operatore di rete decidere se una tecnologia di accesso non 3GPP è attendibile o meno.

Vale la pena notare che queste categorie attendibili / non attendibili non si applicano agli accessi 3GPP.

Versioni 3GPP

Il 3GPP fornisce standard in versioni parallele, che compongono serie coerenti di specifiche e funzionalità.

Versione Rilasciato Informazioni
Versione 7 2007 Q4 Studio di fattibilità su All-IP Network (AIPN)
Versione 8 2008 Q4 Prima versione di EPC . Specifica SAE: funzioni di alto livello, supporto di LTE e altri accessi 3GPP, supporto di accessi non 3GPP, mobilità tra sistemi, Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC), fallback CS. Sistema di allarme per terremoti e tsunami (ETWS). Sostegno della casa Nodo B / casa eNode B .
Versione 9 2009 Q4 Piano di controllo LCS per EPS . Supporto delle chiamate di emergenza IMS su GPRS ed EPS . Miglioramenti a casa Nodo B / casa eNode B . Sistema di allarme pubblico (PWS).
Versione 10 2011 Q1 Miglioramenti alla rete per comunicazioni di tipo macchina. Vari meccanismi di scarico ( LIPA , SIPTO , IFOM ).
Versione 11 2012 Q3 Ulteriori miglioramenti per le comunicazioni di tipo macchina. Simulazione di USSD in IMS. Controllo QoS basato sui limiti di spesa degli abbonati. Ulteriori miglioramenti a LIPA e SIPTO. Single Radio Video Call Continuity (vSRVCC). Continuità della chiamata vocale radio singola da UTRAN / GERAN a HSPA / E-UTRAN (rSRVCC). Supporto per l'interazione con gli accessi al Broadband Forum .
Versione 12 2015 Q1 Operazione Small Cells migliorata, Carrier Aggregation (2 portanti uplink, 3 portanti downlink, aggregazione portante FDD / TDD), MIMO (modellazione canale 3D, beamforming elevazione, MIMO massiccio), MTC - UE Cat 0 introdotto, comunicazione D2D, miglioramenti eMBMS.
Versione 13 2016 Q1 Introduzione di LTE-U / LTE-LAA, LTE-M, beamforming elevazione / Full Dimension MIMO, posizionamento interno, LTE-M Cat 1.4 MHz e Cat 200 kHz

Ulteriore lettura

Guarda anche

Riferimenti

  • White paper LTE: "Evoluzione a lungo termine (LTE): una panoramica tecnica" (PDF) . Motorola.
  • White paper strategico: "Introduzione a Evolved Packet Core" (PDF) . Alcatel-Lucent. Archiviato dall'originale (PDF) il 26/05/2012. Manutenzione CS1: parametro sconsigliato ( collegamento )
  • White paper tecnico: "Soluzione Packet Core evoluta: innovazione nel core LTE" (PDF) . Alcatel-Lucent. Archiviato dall'originale (PDF) il 26/05/2012. Manutenzione CS1: parametro sconsigliato ( collegamento )
  • 3GPP TS 32.240: Gestione delle telecomunicazioni; Gestione della ricarica; Architettura e principi di ricarica . portal.3gpp.org.