後3G時代的系統架構演進
- 陳力
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前言：在行動通信系統發展到後3G時代，除了HSPA，HSPA＋技術不斷發展進步，更有LTE(Long-Term Evolution：長期演進)和SAE(System Architecture Evolution：系統架構演進)向4G邁進的平穩過渡。3GPP R8提出了LTE和SAE的概念，它們分別確定了無線網路演進以及數據封包核心網路演進的發展方向。
本文：
無論LTE還是SAE，二者都是針對數據封包交換(Data Packet Switch)的規劃，因為未來的通信是多媒體數據封包的交換(Multimedia Data Packet Switching)，傳統的電路交換業務(Circuit Switch Service)可以完全利用體數據封包交換的方式來承載(Bearer)。本文主要介紹演進的數據封包系統(Data Packet System)的網路架構及其各節點的功能。
3GPP在SAE的開發過程中明確訂立了3大工作目標︰
1、提升用戶的使用經驗 (User Experience)，降低時延，增加用戶數據速率。
2、實現1個基於IP的網路實現 (Network Implementation)，提升系統容量和覆蓋率，減少運營成本。
3、整合其他非3GPP的接取技術，實現更靈活的行動性，從而在未來10年或者更長一段時間確保3GPP系統的競爭力。
演進數據封包系統的網路架構
演進數據封包系統 (Evolved Data Packet System)由「演進數據封包核心網 (EPC：Evolved Packet Core)」和「演進統一陸地無線接取網(eUTRAN： Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)」兩大部分構成。
其中「演進數據封包核心網 (EPC：Evolved Packet Core)」提供通向外部數據網路(例如Internet，企業的區域網路)和營運商業務(例如彩信，多媒體廣播與多播業務)的通道，負責執行認證功能，金鑰協商，追蹤非主動終端(inactive terminal，例如節能模式的終端)的移動情況，並且支援多種不同接取技術(EDGE、WCDMA、LTE、WLAN、CDMA2000等)之間的移動切換。
「演進統一陸地無線接取網 (eUTRAN：Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)」則負責所有主動終端(active terminal，例如傳送數據的終端)與無線相關的功能。終端直接接取無線網路的演進基站(eNode-B)，然後透過核心網獲得相應的服務。S1介面提供無線與核心網路連接。整體就如3GPP 演進的數據封包系統(Evolved Data Packet System)架構圖所示。
核心網部分包括控制平面(CP：Control Plane)和用戶平面(UP：User Plane)，行動管理實體(MME：Mobility Management Entity)是工作在控制平面的節點，用戶平面由2個節點：服務閘道器(Serving GW或S-GW：Serving Gateway)和數據封包閘道器(PDN GW：Packet Data Network Gateway)組成。
無線部分由多個 eNode-B節點透過X2介面互聯構成，X2和S1介面都分為控制平面和用戶平面，並且為多對多的連接，即1個eNode-B節點可以連接到多個其他的eNode-B節點，也可以連接多個行動管理實體與服務閘道器(Serving GW)節點，反之亦然。在非漫遊狀態時，2個閘道器都位於所屬營運商的網路中，甚至可以合併由1個設備實現。
該體系架構與之前相比，主要改進包括︰
1、行動管理實體功能與閘道器功能分離，即控制平面/用戶平面分離，有助於網路部署、單個技術的演進以及全面靈活的擴充相容。
2、經過優化的用戶平面體系架構，具有比R6更簡化的架構，將節點類型從以前的4層(NodeB，RNC，SGSN和GGSN)縮減到只有2層(e-NodeB和GW)。用戶平面核心網路，括數據封包網路閘道器(PDN GW)和服務閘道器(Serving GW)。
數據封包網路閘道器(PDN GW)是所有接取技術的通用錨點(Anchor Point)，為所有用戶提供1個穩定的IP接取點，無論他們是在1種接取技術之內移動，還是在多種接取技術之間移動。服務閘道器(Serving GW)是3GPP移動網路內的錨點，為LTE接取用戶的移動提供服務。
3、所有介面均支援基於IP的協議，所有的業務，包括VoIP的數據連接，為營運商的成本節約提供了可能。演進系統(Evolved System)支援不同的IP版本，並支援沒有IP連接的終端的IP位址分派。基本的IP連接在終端附著(Attach)到網路的初始接取階段就建立。
4、該系統架構能夠將SGSN和行動管理實體(MME)功能整合到同1個節點之中，從而實現1個支援GSM、WCDMA/HSPA和LTE技術的通用數據封包核心網路。GSM和WCDMA/HSPA系統透過SGSN和演進後的核心網之間的標準介面整合到演進後的系統中。
這些介面包括︰與行動管理實體(MME)相連、用於傳送上下文並在不同接取技術之間建立承載(Bearer)的介面，與閘道器相連、用於與用戶設備建立IP連接的介面，因此，閘道器節點的功能相當於一個服務WCDMA/HSPA終端設備的GGSN。
5、能夠整合CDMA2000系統，允許用戶在CDMA2000和LTE系統之間無縫移動，實現從CDMA到LTE的靈活遷移。也能夠整合採用基於客戶端和網路的移動IP，WiMAX等的非3GPP接取技術。
不斷演進的數據封包系統內介面介紹
3GPP也針對SAE架構下，各個功能節點間的各個介點 (Reference Point)，作出了詳細的定義，分別敘述如下：
1、Gi介面
Gi是接取外部數據封包網路的介面，同時也是終端IP位址在外部數據網路的呈現點。所有用戶和控制平面的功能都基於終端IP層之上來處理，所有3GPP範疇的終端移動性能終結在Gi介面前處理。
2、S1介面
位於演進基站(eNode-B)和行動管理實體(MME)/服務閘道器(Serving GW)間的S1介面，將SAE/LTE演進系統劃分為無線接取網和核心網。沿襲了承載(Bearer)和控制分離的想法，S1介面也分為用戶平面和控制平面。
其中用戶平面介面S1-UP將演進基站(eNode-B)和服務閘道器(Serving GW)連接，用於傳送用戶數據和相應的用戶平面控制幀。而控制平面介面S1-CP則將演進基站(eNode-B)和行動管理實體(MME)相連，主要完成S1介面的無線接取承載(Bearer)控制、介面專用的操作維護等功能。
3、X2介面
演進基站(eNode-B)之間透過X2介面互相連接，形成了所謂網狀網路，這是LTE相對傳統的行動通信網路的重大變化，產生這種變化的原因在於網路架構中沒有了RNC，原有的樹型分支架構被扁平化，使得基站須承擔更多的無線資源管理責任，需要更多地和其相鄰的基站直接對話，從而保證用戶在整個網路中的無縫切換(Seamless Handover)。X2介面也分為用戶平面和控制平面。
此介面主要用於支援主動模式(Active Mode)的手機移動，轉發數據封包，也可以用於多細胞(Multi-Cell)的無線資源管理功能。
4、S11介面
S11是行動管理實體(MME)和服務閘道器(Serving GW)之間的介面，此介面基於Gn/GTP-C(SGSN-GGSN)，同時增加了額外的功能，例如尋呼協助，移動性可與傳統的Gn/GTP-C(SGSN-GGSN)介面相比。S11是多對多的介面。
5、S10介面
S10是行動管理實體(MME)之間的控制介面，此介面基於Gn/GTP-C (SGSN-SGSN)，也增加了額外的功能。S10是多對多的介面。
6、S5/S8介面
S5/S8是服務閘道器(Serving GW)和數據封包網路閘道器(PDN GW)之間的介面。S5和S8基本是相同的介面，區別在於S8用在不同營運商之間的漫遊而S5用在網路內部。該介面適用於兩種情形，一種是基於Gn/GTP (SGSN-GGSN)，另一種是用於IETF特定的代理移動IP實施移動控制，額外的機制處理服務品質。
S5/S8的代理移動IP情形的動機主要來自WiMAX或CDMA2000的營運商和廠家，他們感興趣演進的無線網路，2G或3G的無線網路互聯，也希望重新利用3GPP的SAE特定機制支援WiMAX或CDMA2000內部的移動。
在S5/S8介面使用代理移動IP或GTP，卻不會在S1介面或終端上使用，也不會影響無線網路的行為或終端。在非漫遊時，服務閘道器(Serving GW)和數據封包網路閘道器(PDN GW)的功能可能在一個物理節點實現。S5/S8是多對多的介面。
演進的數據封包核心網路構成節點的功能
A、行動管理實體 (MME：Mobility Management)：
負責核心網路的控制功能。行動管理實體(MME)概念上由SGSN的控制平面組成。控制平面終止的協議在行動管理實體(MME)終結，行動管理實體(MME)管理終端的移動上下段落，只要終端在行動管理實體(MME)的共享池(Pool)範圍內移動，相同的行動管理實體(MME)維持對終端的控制。
行動管理實體 (MME)執行的移動管理和會話管理功能如下︰
1、手機附著(Attach)和分離(Detach)處理，允許手機在網路上註冊和解除註冊。
2、安全的3A機制。行動管理實體(MME)實施認證，授權和審計(Authentication， Authority，Accounting)的安全功能，分別用來識別用戶身分，許可網路的接取和追蹤用戶的行為。
3、管理演進的數據封包系統承載(Bearer)。行動管理實體(MME)管理演進的數據封包系統承載(Bearer)的建立，改變和拆除。
4、對閒置模式(Idle Mode)手機的移動管理。行動管理實體(MME)管理閒置模式 (Idle Mode)手機的移動，追蹤其位置。
B、數據封包網路閘道器(PDN GW)/服務閘道器(Serving GW)節點：
數據封包網路閘道器(PDN GW)/服務閘道器(Serving GW)功能非常類似現在的GGSN節點。主要的強化是增加了數據封包的緩衝(Buffering)，來支援演進系統的尋呼與和非3GPP的互聯。
數據封包網路閘道器(PDN GW)提供與外部世界連接的介面，數據封包網路閘道器 (PDN GW)/服務閘道器 (Serving GW) 可以被看作用戶平面的1個節點，雖然他們也執行1些與服務品質 (QoS) 相關的指令。
數據封包網路閘道器(PDN GW)/服務閘道器(Serving GW)參與的控制平面功能如下︰
1、管理演進數據封包系統承載(Bearer)，數據封包網路閘道器(PDN GW)/服務閘道器(Serving GW)基於策略控制功能(Policy Control Function)的請求，觸發承載 (Bearer)的建立。
2、作為IP移動錨點的呈現點。數據封包網路閘道器(PDN GW)作為移動錨點，對固接網路部分隱藏了用戶移動。當手機附著到網路，從數據封包網路閘道器 (PDN GW)分發1個IP位址，並且假設該閘道器為手機的移動錨點。
不論以後隨著手機的切換轉移到其他的行動管理實體(MME)或服務閘道器 (Serving GW)，手機的IP呈現點均維持在原有的數據封包網路閘道器(PDN GW)，那麼手機的移動對固接的網路來說就是透明的。
C、數據網/服務閘道器 (Serving GW) 提供如下的用戶平面功能︰
1、服務品質(QoS：Quality of Service)的策略控制與執行(Policy Control and Enforcement)，為了簡化應用(Application)對承載(Bearer)的請求，增加營運商對網路資源的控制，以有效限制用戶的濫用可能性。
演進的數據封包系統的服務品質(QoS：Quality of Service)是透過網路進行控制。該項功能協助控制流量，採用合適的服務品質(QoS：Quality of Service)級別，執行限速來防止用戶超出其約定的流量。下行的流量控制由數據封包網路閘道器 (PDN GW)/服務閘道器(Serving GW)實施，上行的流量則由演進基站(eNode-B) 控制。
2、計費功能則負責為用戶的流量使用收費，並採用相關業務指定的費率計費。
3、合法的監聽，該功能為在法律許可的範圍內，由授權的官方司法機構實施電子的監聽技術。
易利信做為全球最大的移動網路設備供應商之一，致力於LTE-SAE技術的研究與推展，提供全方位的SAE產品及網路部署。支援原有行動網路的平穩升級與演進，原有的SGSN在SAE系統中可以升級演進為行動管理實體(MME)，GGSN可以演進為數據網/服務閘道器(Serving GW)。(本文作者為易利信中國學院資深培訓工程師)
