深入浅出4G网络

1 概述

1.1 概念

• LTE(long term evolution)无线侧

• SAE(System Architecture Evolution)核心网

• EPC(Evolved Packet Core)核心网

• EPS(Evolved Packet System)无线侧、核心网

• U-EUTRAN(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access)无线侧

• 3GPP标准化机构

• PS(Packet Switching)

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1.2 演进

• EPC 架构扁平化、承载控制分离、全IP组网

1.3 网元

• LTE 将移动终端以分组的方式连接到外部分组数据网络

• 分组：网元、接口必须支持分组方式转发

• 网元

• eNodeB（演进的节点B）

• 负责无线资源管理、上下行数据分类和QOS执行，空口数据压缩和加密

• MME（移动性管理实体）

• 负责控制面的移动性管理、用户上下文和移动状态管理，分配用户临时身份标识等，相当于LTE网络总管家

• HSS（归属用户服务器）

• HSS存储了LTE网络中用户所有与业务相关的签约数据，提供用户签约信息管理和用户位置管理

• 签约、鉴权信息都保存在HSS中、HSS常与HLR融合在一起

• S-GW（服务网关）

• 是3GPP内不同接入网络间的用户锚点，负责用户在不同接入技术之间移动时用户面的数据交换，以屏蔽3GPP内不同接入网的接口，S-GW承担EPC的网关功能，终结E-UTRAN方向的接口

• P-GW（PND Gateway） PDN(公用数据网,Public Data Network)

• 被称为PDN网关，是3GPP接入网络和非3GPP接入网络之间的用户锚点

• 承担EPC的网关功能，一个终端可以同时通过多个P-GW访问多个PDN

• S-GW和P-GW通常是和物理网元合一部署，被称为SAE-GW

• PCRF（策略和计费规则功能）

• 完成动态QOS策略控制和动态的基于流的计费控制功能，同时还提供基于用户签约信息的授权控制功能。

• P-GW识别业务流，通知PCRF。PCRF再下发规则，决定业务是否可用，以及提供给该业务的QOS。

1.4 本质

• 移动宽带的本质在名字——MBB里（Mobile BroadBand）

• Mobile 空中接口、终端会移动

• BroadBand 基于分组实现的“宽带”

• 带来的问题（设计重点、维护难点） 全面IP化、复杂的QOS、宽带

1.5-1.6 接口、协议

• EPC的接口命名均已S开头（S代表SAE)

• 协议是理解接口的根本

• 在用户面，沿用2/3G时代的协议结构：

• 与外部PDN相连的SGI接口，采用TCP/IP协议栈

• 在私网穿公网时，使用GRE或其他进行封装

• 协议栈（Protocol stack，协议堆叠）

• 报文（网络中交换和传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块）

• 4G网络中创建的用于用户面转发的上下文被称为承载（Bearer）。创建承载时传递的消息（标识、QOS等）发生变化，消息类型（前PDP，现承载）引入新的流程（Suspeng/Resume）

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• 接口/协议

• s5/s8 控制面GTPv2-C、用户面 GPTv1-U

• s1-U GPTv1-U

• GPTv1-U承载在UDD上，保证了在实现路径探测、数据分流等情况下协议开销最小

• s1-MME 接口上传递两类消息：

• eNodeB和MME交互的消息，用于移动性，无线资源管理，是S1接口应用协议（S1-AP）

• 非接入层消息（即NAS消息），是终端和MME交互（如移动性，连接流程消息）

• s6a、gx接口

• 特点：需要大量传递各种信元信息

• 需求：协议需携带大量信息、信息能表面信元类型和信元值、能按需扩展

• 采用Diameter协议（使用AVP（属性值对结构），能够迭代携带大量信元信息，方便扩展）

• 在各个接口应用上，对Diameter交互流程和内容进行定义以实现不同功能

• EPC网络信令接口的可靠传输要求信息处理独立，不彼此依赖（SCTP）

• SCTP协议

• 面向消息进行确认，用户间不会相互影响

• 实现多归属，相等于TCP用两个回话支持一次业务传送，增强了可读性

1.7 业务

协议角度看4G，业务所在的应用层位于OSI模型的第七层。在Internet广泛采用的TCP/IP模型中。很多应用直接设计在第4层传输层之上，少部分会存在会话层

• 业务大致划分：公众应用、行业应用、语音应用（实习，质量）

• 语音方案：

• SVLTE（同时进行语音和LTE） 即“单卡双待”采用两套天线系统

• CSFB（电路域回落）回落进行通信，需4G网络在语音系统建立连接过程中进行少量参与

• VOLTE（通过LTE实现语音）指使用LTE通过IMS实现语音，是VOIMS的LTE接入实现方式。由于覆盖问题，必须配合SRVCC/eSRVCC（单一无线语音呼叫连续性）实施。

• OTT（over the top，在基础电信服务之上）语音业务包在移动数据网络上转发。用QOS提高质量

2 EPC网络基本流程

2.2 状态

为什么会有状态（受限于无线信道资源和终端电路电力资源）

2.3 概念

谈到状态和流程最多的两个词MM、SM

• MM（Mobility Management，移动性管理） 又称EMM

• 移动性流程包括所有追踪用户位置相关的流程，还包括这些流程中的安全、标识分配流程，如附着（attach）、切换（Handover/Handoff）、重选（TAU）、寻呼（Paging）等

• SM（Session Management，会话管理） 又称ESM

• 是与用户面数据连接有关的概念，包括连接的创建、删除、修改等流程和相关的概念

• 用户面数据承载包括无线侧的用户面承载ePAB资源，也包括核心网络S1-U、S5/S8承载，以及各网元上支持数据转发相关的上下文资源。

2.4 有哪些状态

• EMM（EMM-DEREGISTERED、EMM-REGISTERED）

• ECM（EPS Connection Management）分为 ECM-IDLE、ECM-CONNECTED

• RRC（Radio Resource Control）是UE到eNodeB之间的控制平面的信令连接

• 终端通过附着流程注册到网络

• 网络和终端的联系的亲密程度取决于ECM状态

• 从协议角度，EMM和ECM是独立的

• 在MME侧。谈到ECM状态，必须是终端处于EMM-REGISTERED才有意义

2.5 协议对附着流程的描述

词汇：

• IMSI 国际移动用户识别码、

• GUTI 全球唯一临时UE标识、

• TAI LTE网络的跟踪区域码，由TAI = MCC + MNC + TAC组成、

• GUMMEI 全球唯一的MME标识

• RRC 无线资源控制。RRC处理UE和eNodeB之间控制平面的第三层信息。

• ME (IMEI) 国际移动设备识别码

• PDN (public data network) 公用数据网

2.6 关于4G网络承载

4G网络存在IP连接永远在线特性，UE只要一注册到网络上，就需要和外部PDN建立IP连接。这个IP连接被称为EPS承载（EPS Bearer） ，除了定义终端的地之外，还包括处理这个承载之上的数据包的其他信息，比如时延、丢包率、误比特率等QOS控制参数、上下行S5/S8接口GTP层TEID等信息。

• 默认承载：UE attach到网络时，建立的承载。（该承载实际上不是和attach对应的，是和PDN对应的）

• 专有承载：和默认承载使用相同的IP地址，具有不同的QOS

• QOS中，速率的限制：

• GBR（保证速率）

• Non-GBR（非保证速率）

默认承载的QOS可以签约在HSS或PCRF中，只能使用Non-GBR

专有承载是网络侧识别终端需求时，发起建立的承载，通常用GBR

• 承载包括（无线、s1、s5/s8）其中无线和s1合称eRAB。eRAB在承载业务过程中非常重要。且包含无线介质部分，因此建立的成功率也是实际网络运维中最重要的监控指标

2.7 分解附着过程

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• 1、初始请求阶段（MME收到attach REQ消息）

  • 是UE和eNodeB建立PPC的过程。在最后一条PPC Connection Setup Complete中，UE会把attach req带给网络侧。这个消息到达eNodeB后。eNodeB会向MME发送initial UE Message 其中携带attach req、同时还有s1接口相关的id位和位置相关的TAI、ECGI等信元，用于创建s1接口信令连接

• 2、鉴权和安全过程

  • 鉴权过程是MME从用户签约的HSS获取鉴权向量（四元组），并与UE完成网络和UE相互鉴权的过程

  • 安全过程是UE和MME之间建立加密和完整性保护上下文的过程。在这个过程之后，MME和UE之间的NAS消息都会被加密和完整性保护。

• 3、位置更新过程

  • 1、2后网络侧会认可UE接入，此时需把位置信息（主要为MME ID）登记到HSS。这部分是MME和HSS之间使用Diameter协议通过S6a接口交互的过程

• 4、网元和拓扑选择

  • 承载建立的一部分。

  • MME通过解析TAC FQDN选择可供服务此无线区域的S-GW；

  • MME通过解析APN FQDN选择可供服务请求的PDN的P-GW。

  • 网元和拓扑信息是DNS响应上述解析请求提供的，MME根据DNS返回和自身选一对合适的S-GW和P-GW建立承载

• 5、会话和承载建立过程

  • 网络各个节点为UE创建EPS承载上下文，为用户面转发创建资源的过程。

  • EPS承载上下文，就是在网元中保存用户相关信息，保存在网元上的动态信息，可以使设备在用户报文达到时识别哪个是用户报文、采用的转发策略、对外转发时如何封装。

  • 还存在P-GW与PCRF交互，已完成PCC会话的建立