1. Wprowadzenie: Rola EPC w sieci 4G
Evolved Packet Core (EPC) jest pakietowym rdzeniem systemu LTE. Zbiór funkcji EPC obsługuje sygnalizację, uwierzytelnianie abonenta, sesje danych, kierowanie ruchu do sieci zewnętrznych oraz polityki jakości usług. E-UTRAN zarządza radiowym połączeniem z urządzeniem, a EPC koordynuje zasoby rdzenia i transport pakietów podczas przemieszczania się użytkownika.
Zmiana modelu sieci rdzeniowej
EPC zmieniło sposób budowy rdzenia w porównaniu z typowymi sieciami 2G i 3G. W tych generacjach współistniały domena głosowa z komutacją łączy oraz domena danych z komutacją pakietów. LTE zaprojektowano jako rdzeń pakietowy, który może obsługiwać rosnący ruch danych bez powielania całej ścieżki transportowej.
Evolved Packet Core jest siecią All-IP. EPC przenosi usługi pakietowe w postaci IP. VoLTE korzysta z IMS działającego nad transportem IP zapewnianym przez EPC. EPC zapewnia nośniki, routing i polityki, a semantyka usługi głosowej należy do IMS. Taki model upraszcza ścieżkę pakietową i wspiera niskie opóźnienia oraz wysokie prędkości 4G.
2. Główne Zasady Architektoniczne EPC
Architektura EPC opiera się na kilku zasadach projektowych, które odróżniają ją od wcześniejszych rdzeni. Ich znajomość porządkuje sposób działania systemu LTE.
Rozdział Płaszczyzny Sterowania i Płaszczyzny Użytkownika
Funkcje sieci są rozdzielone na dwie logiczne "płaszczyzny", które działają niezależnie i pozostają w koordynacji.
Płaszczyzna Sterowania (C-Plane)
Płaszczyzna Sterowania to sieć sygnalizacyjna. Obsługuje wszystkie wiadomości zarządcze i kontrolne wymagane do ustanowienia i utrzymania połączenia. Przenosi komunikaty NAS, mobilności, nośników i polityki. Kluczowe zadania zarządzane przez Płaszczyznę Sterowania to:
- Uwierzytelnianie użytkownika
- Ustanawianie i zrywanie nośników danych
- Zarządzanie mobilnością (śledzenie lokalizacji użytkownika i orkiestracja przełączeń)
- Stosowanie polityk i reguł taryfikacji
Głównym węzłem EPC w Płaszczyźnie Sterowania jest MME (Mobility Management Entity). Dane IP użytkownika, takie jak wideo albo treść stron internetowych, są przenoszone przez ścieżkę Płaszczyzny Użytkownika, podczas gdy Płaszczyzna Sterowania obsługuje sygnalizację i informacje sterujące.
Płaszczyzna Użytkownika (U-Plane)
Płaszczyzna Użytkownika to sieć transportu danych. Jest to ścieżka zaprojektowana do przemieszczania pakietów IP użytkownika między siecią radiową a siecią zewnętrzną. Płaszczyzna Użytkownika jest zoptymalizowana pod kątem:
- Szybkiego przekazywania pakietów
- Niskich opóźnień
- Trasowania danych użytkownika
- Działania jako kotwica mobilności podczas przełączeń
Głównymi węzłami EPC w Płaszczyźnie Użytkownika są SGW (Serving Gateway) i PGW (Packet Data Network Gateway).
Ten podział pozwala operatorom sieci na niezależne skalowanie zasobów dla sygnalizacji i ruchu danych. Na przykład operator może dodać więcej przepustowości w Płaszczyźnie Użytkownika (więcej SGW/PGW) w obszarze z dużym ruchem wideo, bez konieczności skalowania Płaszczyzny Sterowania (MME) w tej samej proporcji.
Spłaszczona Architektura
W porównaniu z architekturą 3G, która miała hierarchiczne węzły takie jak RNC, SGSN i GGSN, architektura LTE EPC jest "spłaszczona". Typowa ścieżka pakietu ma mniej pośrednich funkcji. Połączenie eNodeB z SGW przez S1-U omija RNC, co ilustruje tę zmianę. Mniejsza liczba przeskoków może ograniczać opóźnienie, choć wynik zależy od topologii transportowej.
3. Węzły Funkcjonalne EPC: Szczegółowe Spojrzenie
Poniższe funkcje opisują role głównych komponentów Evolved Packet Core.
MME (Mobility Management Entity)
MME jest głównym węzłem sterującym EPC. Zarządza stanem połączenia, procedurami NAS i mobilnością, podczas gdy dane użytkownika pozostają w Płaszczyźnie Użytkownika. Przez S1-MME wymienia sygnalizację z E-UTRAN, a przez S11 steruje procedurami między MME i SGW. Wybiera obsługujące bramy, utrzymuje informacje o obszarach śledzenia i koordynuje ustanawianie nośników z radiem oraz węzłami Płaszczyzny Użytkownika.
Szczegółowe Funkcje MME:
- Dołączanie i Odłączanie: MME zarządza całym procesem, gdy urządzenie po raz pierwszy łączy się z (dołącza) lub rozłącza się z (odłącza) siecią LTE.
- Uwierzytelnianie i Autoryzacja: MME uczestniczy w procedurach bezpieczeństwa EPS. Przez HSS otrzymuje dane potrzebne do weryfikacji tożsamości UE z użyciem poświadczeń USIM oraz do sprawdzenia uprawnień do usług.
- Zarządzanie Mobilnością w Stanie Bezczynności: W celu oszczędzania baterii urządzenie mobilne przechodzi w stan bezczynności, gdy nie przesyła aktywnie danych. MME jest odpowiedzialne za znajomość ogólnej lokalizacji urządzenia, zdefiniowanej przez grupę komórek zwaną . Gdy dla urządzenia nadejdą nowe dane, MME inicjuje procedurę "przywoływania" (paging), instruując wszystkie eNodeB w tym TA, aby rozgłosiły wiadomość w celu wybudzenia urządzenia.
- Zarządzanie Nośnikami: MME koordynuje tworzenie, modyfikację i usuwanie nośników EPS, czyli logicznych ścieżek dla danych użytkownika. Obsługuje sygnalizację potrzebną do ustanowienia zasobów w eNodeB, SGW i PGW.
SGW (Serving Gateway)
SGW jest węzłem Płaszczyzny Użytkownika, który kieruje pakiety i działa jako kotwica mobilności podczas przemieszczania urządzenia w sieci dostępu radiowego.
Szczegółowe Funkcje SGW:
- Lokalna Kotwica Mobilności: SGW pozostaje logicznym punktem zakotwiczenia Płaszczyzny Użytkownika podczas przełączeń między eNodeB. Przy zmianie stacji ścieżka danych jest przełączana na poziomie dostępu radiowego, a kontekst SGW może pozostać ten sam. Procedura ma utrzymać ciągłość sesji, lecz jej wynik zależy od przebiegu handoveru i transportu.
- Kotwica Mobilności Między-RAT: SGW współpracuje przy mobilności między technologiami radiowymi, na przykład między 4G LTE i 3G UMTS. Procedury interworkingowe wykorzystują SGW oraz SGSN do przeniesienia kontekstu i ścieżki pakietowej.
- Trasowanie i Przekazywanie Pakietów: W najprostszym ujęciu, SGW jest wysokowydajnym routerem. Odbiera pakiety danych użytkownika z eNodeB (przez interfejs S1-U) i przekazuje je w kierunku PGW, i odwrotnie dla ruchu w dół.
- Buforowanie Danych w Dół: Gdy MME przywołuje bezczynne urządzenie, SGW odgrywa kluczową rolę, tymczasowo przechowując (buforując) pakiety danych w dół, które nadejdą dla tego użytkownika. Gdy urządzenie ponownie nawiąże połączenie, SGW zwalnia zbuforowane dane zgodnie z procedurą. SGW używa S1-U po stronie E-UTRAN oraz S5 lub S8 w kierunku PGW, zależnie od architektury.
PGW (Packet Data Network Gateway)
PGW jest bramą użytkownika do sieci poza siecią operatora komórkowego. Jest punktem zakotwiczenia połączenia z PDN i zarządza łącznością z sieciami zewnętrznymi, takimi jak publiczny internet czy sieć korporacyjna.
Szczegółowe Funkcje PGW:
- Alokacja Adresu IP: PGW jest elementem w EPC, który przypisuje urządzeniu użytkownika dla połączenia z PDN. Adres może pozostać stały przez czas tego połączenia, także podczas przejścia przez różne SGW. Ponowne zestawienie albo zwolnienie połączenia może jednak prowadzić do innego przydziału. Przykładem zastosowania jest utrzymanie pobierania pliku lub sesji VPN w ramach aktywnego połączenia.
- Łączność z Sieciami Danych Pakietowych (PDN): PGW zapewnia faktyczne połączenie z sieciami zewnętrznymi przez interfejs SGi. Każda sieć PDN jest identyfikowana przez . Dla większości użytkowników APN łączy się z internetem. Dla użytkowników korporacyjnych specjalny APN może łączyć się z prywatną siecią firmy. SGi rozdziela stronę EPC od zewnętrznego PDN.
- Funkcja Egzekwowania Polityki i Taryfikacji (PCEF): W typowej architekturze EPC PGW udostępnia funkcję PCEF i działa jako punkt egzekwowania reguł ustalonych przez PCRF. Sprawdza pakiety danych użytkownika i stosuje odpowiednie oznaczenia Jakości Usług (QoS), filtruje ruch i zapewnia, że zużycie danych jest zgodne z planem abonenta.
HSS (Home Subscriber Server)
HSS to centralna baza danych abonentów. Łączy funkcje starszych węzłów 2G/3G, takich jak HLR (Home Location Register) i AuC (Authentication Center), oraz przechowuje informacje potrzebne do obsługi subskrypcji i bezpieczeństwa.
Dane przechowywane w HSS:
- Identyfikatory Abonenta: Obejmuje to IMSI (Międzynarodowy Identyfikator Abonenta Mobilnego) i MSISDN (numer telefonu użytkownika).
- Informacje o Bezpieczeństwie: Funkcja AuC/HSS chroni materiał sekretny i generuje wektory uwierzytelniające potrzebne MME do weryfikacji tożsamości użytkownika.
- Profil Użytkownika: Definiuje subskrypcję, w tym usługi, dozwolone APN-y, limity danych oraz parametry QoS i AMBR zależne od profilu.
- Informacje o Lokalizacji: HSS utrzymuje informacje o węźle obsługującym abonenta, w tym o MME, aby sieć mogła kierować procedury i dane zgodnie ze stanem rejestracji.
PCRF (Policy and Charging Rules Function)
PCRF jest elementem decyzyjnym EPC w zakresie polityki i taryfikacji. Przez Gx przekazuje reguły do PCEF, a przez Rx może otrzymywać informacje od AF. Na tej podstawie kontroluje usługi i zasoby zgodnie ze stanem sesji.
- Dynamiczne Decyzje Polityki: PCRF korzysta z informacji usługowych AF, informacji subskrypcyjnych udostępnianych przez SPR oraz stanu sesji i sieci. Na tej podstawie podejmuje decyzje o traktowaniu przepływów danych użytkownika, a reguły przekazuje do PCEF w PGW.
- Kontrola Jakości Usług (QoS): To PCRF decyduje, że połączenie VoLTE wymaga nośnika o gwarantowanym niskim opóźnieniu, podczas gdy synchronizacja w chmurze w tle może używać nośnika typu "best-effort". Wysyła te reguły polityki do PGW (PCEF) w celu ich wyegzekwowania.
- Kontrola Taryfikacji: PCRF przekazuje reguły polityki i taryfikacji do PCEF. Operator może na ich podstawie skonfigurować scenariusz taki jak korzystanie z wybranych aplikacji społecznościowych bez pomniejszania głównego limitu danych, czyli "zero-rating". Jest to przykład zależny od polityki i oferty operatora.