爱立信：后3G时代的SAE

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在移动通信系统发展到后3G时代，除了HSPA，HSPA＋推动技术不断进步，更有LTE（长期演进）和SAE（系统架构演进）向4G迈进的平稳过渡。3GPP R8提出了LTE和SAE的概念，它们分别明确了无线网络演进以及分组核心网络演进的发展方向。无论LTE还是SAE二者都是针对分组交换域的规划，因为未来的通信是多媒体数据的交互，传统的电路交换业务可以完全基于分组交换的承载。本文主要介绍演进的分组系统的网络架构及其各节点的功能。

         3GPP在SAE的开发过程中明确了三大工作目标：一是提升用户的感知体验，降低时延，增加用户数据速率；二是实现一个基于IP的网络实施，提高系统容量和覆盖率，减少运营成本；三是集成其他非3GPP的接入技术，实现更灵活的移动性，从而在未来10年或者更长一段时间确保3GPP系统的竞争力。

演进的分组系统的网络架构

         演进的分组系统由演进分组核心网和演进统一陆地无线接入网两大部分构成。其中演进的分组系统提供通向外部数据网络（例如互联网，公司局域网）和运营商业务（例如彩信，多媒体广播与多播业务）的通道，负责执行鉴权功能，密钥协商，追踪非激活终端（例如节能模式的终端）的移动情况，并且支持多种不同接入技术（EDGE，WCDMA，LTE，WLAN，CDMA2000等）之间的移动切换。演进统一陆地无线接入网负责所有激活终端（例如传送数据的终端）与无线相关的功能。终端直接接入无线网络的演进基站，然后通过核心网获得相应的服务。S1接口提供无线与核心网络连接。如图1所示。

         核心部分包括控制平面和用户平面，移动性管理实体是工作在控制平面的节点，用户平面由两个节点服务网关和分组数据网网关组成。无线部分由多个演进基站节点通过X2接口互联构成，X2和S1接口都分为控制平面和用户平面，并且为多对多的连接，即一个演进基站节点可以连接到多个其他的演进基站节点，也可以连接多个移动性管理实体/服务网关节点，反之亦然。在非漫游状态时，两个网关都位于归属运营商的网络中，甚至可以合并由一个设备实现。

          该体系结构与之前相比，主要改进包括：
          • 移动性管理实体功能与网关功能分离，即控制平面/用户平面分离，有助于网络部署、单个技术的演进以及全面灵活的扩容。
          • 经过优化的用户平面体系结构，具有比R6更简化的结构，将节点类型从以前的4种（NodeB，RNC，SGSN和GGSN）缩减到只有2种（e-NodeB和GW）。用户平面核心网络包括分组数据网网关和服务网关。分组数据网网关是所有接入技术的通用锚点，为所有用户提供一个稳定的IP接入点，无论他们是在一种接入技术之内移动，还是在多种接入技术之间移动。服务网关是3GPP移动网络内的锚点，为LTE接入用户的移动提供服务。
          • 所有接口均支持基于IP的协议，所有的业务，包括语言基于IP的数据连接，为运营商的成本节约提供了可能。演进系统支持不同的IP版本，并支持没有IP连接的终端的IP地址配置。基本的IP连接在终端附着到网络的初始接入阶段就建立。
          • 该体系结构能够将SGSN和移动性管理实体功能整合到同一个节点之中，从而实现一个支持GSM、WCDMA/HSPA和LTE技术的通用分组核心网。GSM和WCDMA/HSPA系统通过SGSN和演进后的核心网之间的标准接口集成到演进后的系统中。这些接口包括：与移动性管理实体相连、用于传送上下文并在不同接入技术之间建立承载的接口，与网关相连、用于与用户设备建立IP连接的接口，因此，网关节点的功能相当于一个服务WCDMA/HSPA终端设备的GGSN。
          • 能够集成cdma2000系统，允许用户在cdma2000和LTE系统之间无缝移动，实现从CDMA到LTE的灵活迁移。也能够集成采用基于客户端和网络的移动IP，WiMAX等的非3GPP接入技术。
  

  
演进的分组系统内接口的介绍

Gi接口

         Gi是接入外部分组数据网络的接口，同时也是终端IP地址在外部数据网络的呈现点。所有用户和控制平面的功能都基于终端IP层之上来处理，所有3GPP范畴的终端移动性能终结在Gi接口前处理。

S1接口

         位于演进基站和移动性管理实体/服务网关间的S1接口，将SAE/LTE演进系统划分为无线接入网和核心网。沿袭了承载和控制分离的思想，S1接口也分为用户平面和控制平面。其中用户平面接口S1-UP将演进基站和服务网关连接，用于传送用户数据和相应的用户平面控制帧。而控制平面接口S1-CP则将演进基站和移动性管理实体相连，主要完成S1接口的无线接入承载控制、接口专用的操作维护等功能。

X2接口

         演进基站之间通过X2接口互相连接，形成了所谓网状网络，这是LTE相对原来的传统移动通信网的重大变化，产生这种变化的原因在于网络结构中没有了RNC，原有的树型分支结构被扁平化，使得基站承担更多的无线资源管理责任，需要更多地和其相邻的基站直接对话，从而保证用户在整个网络中的无缝切换。X2接口也分为用户平面和控制平面。此接口主要用于支持激活模式的手机移动，转发分组数据，也可以用于多小区的无线资源管理功能。

S11接口

         S11是移动性管理实体和服务网关之间的接口，此接口基于Gn/GTP-C（SGSN-GGSN），同时增加了额外的功能，例如寻呼协助，移动性可与传统的Gn/GTP-C（SGSN-GGSN）接口相比。S11是多对多的接口。

S10接口

         S10是移动性管理实体之间的控制接口，此接口基于Gn/GTP-C (SGSN-SGSN)，也增加了额外的功能。S10是多对多的接口。

S5/S8接口

         S5/S8是服务网关和数据网网关之间的接口。S5和S8基本是相同的接口，区别在于S8用在不同运营商之间的漫游而S5用在网络内部。该接口适用于两种情形，一种基于Gn/GTP (SGSN-GGSN)，另一种用于IETF特定的代理移动IP实施移动控制，额外的机制处理服务质量。S5/S8的代理移动IP情形的动机主要来自WiMAX或CDMA2000的运营商和厂家，他们感兴趣演进的无线网络，2G或3G的无线网络互联，也希望重新利用3GPP的SAE特定机制支持WiMAX或CDMA2000内部的移动。在S5/S8接口使用代理移动IP或GTP，却不会在S1接口或终端上使用，也不会影响无线网络的行为或终端。在非漫游时，服务网关和数据网网关的功能可能在一个物理节点实现。S5/S8是多对多的接口。

演进的分组核心网络构成节点的功能

移动性管理实体

         负责核心网络的控制功能。移动性管理实体概念上由SGSN的控制平面组成。控制平面终止的协议在移动性管理实体终结，移动性管理实体管理终端的移动上下文，只要终端在移动性管理实体的池范围移动，相同的移动性管理实体维持对终端的控制。

         移动性管理实体执行的移动管理和会话管理功能如下：

         • 手机附着和分离处理，允许手机在网络上注册和解除注册。

         • 安全的3A机制。移动性管理实体实施鉴权，授权和审计的安全功能，分别用来识别用户身份，许可网络的接入和追踪用户的行为。

         • 演进的分组系统承载管理。移动性管理实体管理演进的分组系统承载的建立，改变和拆除。前提条件是在演进的无线网络中手机在附着网络时总有一个缺省的演进的分组系统承载建立。

         • 对空闲模式手机的移动管理。移动性管理实体管理空闲模式手机的移动，追踪其位置。

数据网/服务网关节点

         数据网/服务网关功能非常类似现在的GGSN节点。主要的扩展是增加了数据包的缓存，来支持演进无线网络寻呼和非3GPP的互联。数据网网关提供与外部世界连接的接口，数据网/服务网关可以被看作用户平面的一个节点，虽然他们也执行一些服务质量的相关信令。

         数据网/服务网关参与的控制平面功能如下：

         • 演进的分组系统承载管理，数据网/服务网关基于策略控制功能的请求，触发承载的建立。

         • 移动锚点作为IP的呈现点，数据网网关作为移动锚点向固定连接网络部分隐藏了用户移动。当手机附着到网络，从数据网网关分配一个IP地址，并且假设该网关为手机的移动锚点。不论以后随着手机的切换转移到其他的移动性管理实体或服务网关，手机的IP呈现点均维持在原有的数据网网关，那么手机的移动对固定连接的网络来说就是透明的。

         数据网/服务网关提供如下的用户平面功能：

         • 服务质量的策略控制与强制，为了使得应用对承载请求的简化，运营商对网络资源的控制增加，可以有效限制用户的潜在滥用，于是演进的分组系统的服务质量通过网络进行控制。该项功能协助控制流量，采用合适的服务质量级别，执行限速来防止用户超出其约定的流量。下行的流量控制由数据网/服务网关实施，上行的流量则由演进基站控制。

         • 计费功能负责为用户的流量使用收费，采用指定业务的费率计费。

         • 合法的侦听，该功能在法律许可的范围内，由授权的官方司法机构实施电子的侦听技术。

         爱立信做为全球最大的移动网络设备供应商之一，致力于LTE-SAE技术的研究与推广，提供全方位的SAE产品及网络部署。支持原有移动网络的平稳升级与演进，原有的SGSN在SAE系统中可以升级演进为移动性管理实体，GGSN可以演进为数据网/服务网关。爱立信（中国）学院，国内唯一的爱立信授权培训机构，同步跟踪该技术的应用与实现，推出LTE-SAE技术的专业系列培训。