Evolution der Systemarchitektur

Die System Architecture Evolution ( SAE ) ist die Kernnetzwerkarchitektur des LTE -Standards der Mobilfunkprotokollgruppe 3GPP .

SAE ist die Weiterentwicklung des GPRS-Kernnetzes , jedoch mit einer vereinfachten Architektur; einem All-IP-Netzwerk (AIPN); Unterstützung für Funkzugangsnetze (RANs) mit höherem Durchsatz und geringerer Latenz; und Unterstützung für und Mobilität zwischen mehreren heterogenen Zugangsnetzen, einschließlich E-UTRA ( LTE- und LTE Advanced- Luftschnittstelle) und 3GPP-Legacy-Systemen (z. B. GERAN oder UTRAN , Luftschnittstellen von GPRS bzw. UMTS ), aber auch Nicht-3GPP-Systemen (z. B. Wi-Fi , WiMAX oder CDMA2000 ).

Die SAE verfügt über eine flache, rein IP-basierte Architektur mit Trennung von Steuerungs- und Benutzerdatenverkehr.

Die Hauptkomponente der SAE-Architektur ist der Evolved Packet Core ( EPC ), auch bekannt als SAE Core . Der EPC dient als Äquivalent zu GPRS-Netzen (über die Subkomponenten Mobility Management Entity , Serving Gateway und PDN Gateway ).

Die Unterkomponenten des EPC sind: ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Die Mobile Management Unit (MME) ist der zentrale Steuerknoten des LTE-Zugangsnetzes. Sie ist verantwortlich für das Paging und Tagging von Endgeräten (UEs) im Leerlaufmodus, einschließlich erneuter Übertragungen. Sie ist am Aktivierungs-/Deaktivierungsprozess von Trägerinformationen beteiligt und wählt das Serving Gateway für ein Endgerät beim ersten Verbindungsaufbau sowie bei Intra-LTE-Handover mit Knotenverschiebung im Kernnetz (CN) aus. Die MME authentifiziert den Benutzer (durch Interaktion mit dem Home Subscriber Server ). Die Signalisierung der Nicht-Zugangsschicht (NAS) endet an der MME, die auch für die Generierung und Zuweisung temporärer Identitäten an Endgeräte zuständig ist. Sie prüft die Berechtigung des Endgeräts zur Nutzung des öffentlichen Mobilfunknetzes (PLMN) des Dienstanbieters und setzt die Roaming-Beschränkungen für Endgeräte durch. Die MME ist der Endpunkt im Netzwerk für die Verschlüsselung und Integritätssicherung der NAS-Signalisierung und verwaltet das Sicherheitsschlüsselmanagement . Auch das rechtmäßige Abfangen von Signalisierungen wird von der MME unterstützt. Die MME stellt außerdem die Steuerungsebene für die Mobilität zwischen LTE- und 2G/3G-Zugangsnetzen bereit, wobei die S3-Schnittstelle vom SGSN an der MME endet . Die MME terminiert zudem die S6a-Schnittstelle zum HSS für Roaming-UEs.

Das Serving Gateway leitet Benutzerdatenpakete weiter und fungiert gleichzeitig als Mobilitätsanker für die Benutzerebene bei Übergaben zwischen eNodeBs sowie als Anker für die Mobilität zwischen LTE und anderen 3GPP-Technologien (Terminierung der S4-Schnittstelle und Weiterleitung des Datenverkehrs zwischen 2G/3G-Systemen und dem Paketdatennetzwerk-Gateway). Bei inaktiven Benutzergeräten beendet das Serving Gateway den Downlink-Datenpfad und löst Paging aus, sobald Downlink-Daten für das Benutzergerät eintreffen. Es verwaltet und speichert UE-Kontexte, z. B. Parameter des IP-Bearer-Dienstes und interne Routing-Informationen des Netzwerks. Außerdem repliziert es den Benutzerdatenverkehr im Falle einer rechtmäßigen Überwachung.

Das Paketdatennetzwerk-Gateway (PDN-Gateway, auch PGW) stellt die Verbindung zwischen Benutzergeräten (UE) und externen Paketdatennetzen (PDNs) her, indem es als Ein- und Austrittspunkt für den Datenverkehr dient. Ein Benutzergerät kann gleichzeitig mit mehreren PDN-Gateways verbunden sein, um auf verschiedene Paketdatennetze zuzugreifen. Das PDN-Gateway übernimmt die Durchsetzung von Richtlinien, die Paketfilterung für jeden Benutzer, die Abrechnungsunterstützung, die rechtmäßige Überwachung und die Paketprüfung. Eine weitere wichtige Funktion des PDN-Gateways besteht darin, als Schnittstelle für die Mobilität zwischen 3GPP- und Nicht-3GPP-Technologien wie WiMAX und 3GPP2 (CDMA 1X und EvDO ) zu fungieren.

Der Home Subscriber Server ( HSS) ist eine zentrale Datenbank mit nutzer- und abonnementbezogenen Informationen. Zu seinen Funktionen gehören Mobilitätsmanagement , Unterstützung beim Verbindungsaufbau, Benutzerauthentifizierung und Zugriffsberechtigung. Der HSS basiert auf dem Home Location Register (HLR) und dem Authentication Center (AuC) vor Release 4 .

Der ANDSF stellt dem Endgerät Informationen über die Konnektivität zu 3GPP- und Nicht-3GPP-Zugangsnetzen (wie z. B. WLAN) bereit. Der Zweck des ANDSF besteht darin, das Endgerät bei der Ermittlung der Zugangsnetze in seiner Umgebung zu unterstützen und Regeln (Richtlinien) zur Priorisierung und Verwaltung von Verbindungen zu diesen Netzen bereitzustellen.

Die Hauptfunktion des ePDG besteht darin, die Datenübertragung mit einem UE, das über nicht vertrauenswürdige Nicht-3GPP-Zugangsverbindungen, z. B. Wi-Fi-Anrufe ( VoWiFi ), mit dem EPC zu verbinden, zu sichern. Zu diesem Zweck fungiert der ePDG als Abschlussknoten der mit dem UE aufgebauten IPsec- Tunnel.

Die Non-Access Stratum (NAS)-Protokolle bilden die höchste Schicht der Steuerungsebene zwischen dem Benutzergerät (UE) und der MME. ^{[ 3 ]} NAS-Protokolle unterstützen die Mobilität des UE und die Sitzungsverwaltungsverfahren zum Aufbau und zur Aufrechterhaltung der IP-Konnektivität zwischen dem UE und einem PDN-Gateway. Sie definieren die Regeln für die Parameterzuordnung bei der systemübergreifenden Mobilität mit 3G-Netzen oder Nicht-3GPP-Zugangsnetzen. Zudem gewährleisten sie die NAS-Sicherheit durch Integritätsschutz und Verschlüsselung der NAS-Signalisierungsnachrichten. EPS (Evolved Packet System) bietet dem Teilnehmer eine sofort einsatzbereite IP-Konnektivität und eine unterbrechungsfreie Verbindung, indem es Mobilitäts- und Sitzungsverwaltungsverfahren während des UE-Anmeldevorgangs verknüpft.

Vollständige NAS-Transaktionen bestehen aus spezifischen Sequenzen elementarer Prozeduren mit EPS Mobility Management (EMM)- und EPS Session Management (ESM)-Protokollen.

Das EPS (Evolved Packet System) Mobility Management (EMM)-Protokoll stellt Verfahren zur Steuerung der Mobilität bereit, wenn das Benutzergerät (UE) das Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) nutzt. Es gewährleistet außerdem die Sicherheit der NAS-Protokolle.

EMM umfasst verschiedene Arten von Verfahren, wie zum Beispiel:

• EMM-Standardprozeduren können immer dann initiiert werden, wenn eine NAS-Signalisierungsverbindung besteht. Die zu diesem Typ gehörenden Prozeduren werden vom Netzwerk initiiert. Dazu gehören GUTI-Neuzuweisung, Authentifizierung, Sicherheitsmodussteuerung, Identifizierung und EMM-Informationen.
• EMM-spezifische Prozeduren – spezifisch für das Endgerät (UE). Es kann jeweils nur eine vom Endgerät initiierte EMM-spezifische Prozedur ausgeführt werden. Zu dieser Art von Prozeduren gehören das Anfügen und das kombinierte Anfügen, das Trennen und das kombinierte Trennen, die normale Aktualisierung des Tracking-Bereichs und die kombinierte Aktualisierung des Tracking-Bereichs (nur im S1-Modus) sowie die periodische Aktualisierung des Tracking-Bereichs (nur im S1-Modus).
• EMM-Verbindungsmanagementverfahren – Verwaltung der Verbindung des Endgeräts mit dem Netzwerk:
  • Dienstanfrage: Wird vom Endgerät initiiert und dient dazu, eine sichere Verbindung zum Netzwerk herzustellen oder die Ressourcenreservierung für das Senden von Daten anzufordern, oder beides.
  • Paging-Verfahren: Wird vom Netzwerk initiiert und dient dazu, den Aufbau einer NAS-Signalisierungsverbindung anzufordern oder das UE gegebenenfalls aufgrund eines Netzwerkausfalls zur erneuten Verbindung aufzufordern.
  • Transport von NAS-Nachrichten: Wird vom Endgerät oder vom Netzwerk initiiert und dient dem Transport von SMS-Nachrichten .
  • Generischer Transport von NAS-Nachrichten: Wird vom Endgerät oder vom Netzwerk initiiert und dient dem Transport von Protokollnachrichten aus anderen Anwendungen.

Das Endgerät (UE) und das Netzwerk führen die Verbindungsprozedur und die Aktivierung des Standard-EPS-Bearer-Kontexts parallel aus. Während der EPS-Verbindungsprozedur aktiviert das Netzwerk einen Standard-EPS-Bearer-Kontext. Die EPS-Sitzungsverwaltungsnachrichten für die Aktivierung des Standard-EPS-Bearer-Kontexts werden in einem Informationselement der EPS-Mobilitätsverwaltungsnachrichten übertragen. Endgerät und Netzwerk schließen die kombinierte Aktivierung des Standard-EPS-Bearer-Kontexts und die Verbindungsprozedur ab, bevor die dedizierte Aktivierung des EPS-Bearer-Kontexts abgeschlossen ist. Der Erfolg der Verbindungsprozedur hängt vom Erfolg der Aktivierung des Standard-EPS-Bearer-Kontexts ab. Schlägt die Verbindungsprozedur fehl, schlagen auch die ESM-Sitzungsverwaltungsprozeduren fehl.

Das EPS Session Management (ESM)-Protokoll stellt Verfahren zur Behandlung von EPS-Bearer-Kontexten bereit. Zusammen mit der Bearer-Steuerung durch die Zugriffsschicht (Access Stratum) ermöglicht es die Steuerung von Benutzerdatenträgern. Die Übertragung von ESM-Nachrichten wird während EMM-Prozeduren unterbrochen, mit Ausnahme der Attach-Prozedur.

EPS-Bearer: Jeder EPS-Bearer-Kontext repräsentiert einen EPS-Bearer zwischen dem UE und einem PDN. EPS-Bearer-Kontexte bleiben aktiv, selbst wenn die zugehörigen Funk- und S1-Bearer zwischen UE und MME vorübergehend freigegeben werden. Ein EPS-Bearer-Kontext kann entweder ein Standard-Bearer-Kontext oder ein dedizierter Bearer-Kontext sein. Ein Standard-EPS-Bearer-Kontext wird aktiviert, wenn das UE eine Verbindung zu einem PDN anfordert. Der erste Standard-EPS-Bearer-Kontext wird während des EPS-Anmeldevorgangs aktiviert. Zusätzlich kann das Netzwerk einen oder mehrere dedizierte EPS-Bearer-Kontexte parallel aktivieren.

Im Allgemeinen können ESM-Prozeduren nur durchgeführt werden, wenn zwischen dem UE und der MME ein EMM-Kontext eingerichtet wurde und die MME den sicheren Austausch von NAS-Nachrichten mithilfe der EMM-Prozeduren initiiert hat. Sobald das UE erfolgreich verbunden ist, kann es die MME auffordern, Verbindungen zu weiteren PDNs herzustellen. Für jede zusätzliche Verbindung aktiviert die MME einen separaten Standard-EPS-Bearer-Kontext. Dieser Standard-EPS-Bearer-Kontext bleibt während der gesamten Lebensdauer der Verbindung zum PDN aktiv.

Arten von ESM-Verfahren: ESM umfasst verschiedene Arten von Verfahren, wie zum Beispiel:

• EPS-Bearer-Kontext-Prozeduren – vom Netzwerk initiiert und zur Manipulation von EPS-Bearer-Kontexten verwendet, einschließlich Aktivierung des Standard-EPS-Bearer-Kontexts, Aktivierung des dedizierten EPS-Bearer-Kontexts, Änderung des EPS-Bearer-Kontexts und Deaktivierung des EPS-Bearer-Kontexts.
• Transaktionsbezogene Verfahren – vom Endgerät initiiert, um Ressourcen anzufordern, z. B. eine neue PDN-Verbindung oder dedizierte Trägerressourcen, oder um diese Ressourcen freizugeben. Dazu gehören das PDN-Verbindungsverfahren, das PDN-Trennverfahren, das Trägerressourcenzuweisungsverfahren und das Trägerressourcenänderungsverfahren.

Die MME verwaltet EMM-Kontext- und EPS-Bearer-Kontextinformationen für UEs in den Zuständen ECM-IDLE, ECM CONNECTED und EMM-DEREGISTERED.

Der MME-Protokollstapel besteht aus:

1. S1-MME-Stack zur Unterstützung der S1-MME-Schnittstelle mit eNodeB
2. S11-Stack zur Unterstützung der S11-Schnittstelle mit Serving Gateway

MME unterstützt die S1-Schnittstelle mit eNodeB. Der integrierte S1-MME-Schnittstellenstapel besteht aus IP , SCTP und S1AP.

• SCTP (Stream Control Transmission Protocol) ist ein gängiges Transportprotokoll, das die Dienste des Internetprotokolls (IP) nutzt, um eine zuverlässige Datagrammübermittlung an Anpassungsmodule wie S1AP zu gewährleisten. SCTP bietet eine zuverlässige und sequenzielle Zustellung auf Basis des bestehenden IP-Frameworks. Die wichtigsten Funktionen von SCTP sind:
  • Verbindungsaufbau : Eine Verbindung wird zwischen zwei Endpunkten zum Datenaustausch hergestellt, ähnlich einer TCP-Verbindung. Eine SCTP-Verbindung kann an jedem Ende mehrere Adressen haben.
  • Zuverlässige Datenübertragung : Liefert sequenzielle Daten in einem Datenstrom (Beseitigung von Head-of-Line-Blockierungen ): SCTP gewährleistet die sequenzielle Zustellung von Daten mit mehreren unidirektionalen Datenströmen, ohne die Datenblöcke in der anderen Richtung zu blockieren.
• S1AP (S1 Application Part) ist der Signalisierungsdienst zwischen E-UTRAN und dem Evolved Packet Core (EPC), der die S1-Schnittstellenfunktionen wie SAE-Bearer-Managementfunktionen, Initial Context Transfer Funktion, Mobilitätsfunktionen für UE, Paging, Reset-Funktionalität, NAS-Signalisierungstransportfunktion, Fehlerberichterstattung, UE Context Release Funktion und Statusübertragung erfüllt.

MME unterstützt die S11-Schnittstelle mit Serving Gateway. Der integrierte S11-Schnittstellenstapel besteht aus IP , UDP und eGTP-C .

Das SGW besteht aus

1. S11-Steuerungsebenenstapel zur Unterstützung der S11-Schnittstelle mit MME
2. S5/S8-Steuerungs- und Datenebenen-Stacks zur Unterstützung der S5/S8-Schnittstelle mit PGW
3. S1-Datenebenenstapel zur Unterstützung der S1-Benutzerebenenschnittstelle mit eNodeB
4. S4-Datenebenenstapel zur Unterstützung der S4-Benutzerebenenschnittstelle zwischen RNC von UMTS und SGW von eNodeB
5. Sxa: Seit 3GPP Rel.14 wurde die Sx-Schnittstelle und das zugehörige PFCP- Protokoll in das SGW integriert, wodurch die Trennung von Steuerungs- und Benutzerebene zwischen SGW-C und SGW-U ermöglicht wird.

SGW unterstützt die S11-Schnittstelle mit MME und die S5/S8-Schnittstelle mit PGW. Der integrierte Steuerungsebenen-Stack für diese Schnittstellen besteht aus IP , UDP und eGTP-C .

SGW unterstützt die S1-U-Schnittstelle mit eNodeB und die S5/S8-Datenschnittstelle mit PGW. Der integrierte Datenebenen-Stack für diese Schnittstellen besteht aus IP , UDP und eGTP-U .

Die wichtigsten vom P-GW unterstützten Schnittstellen sind:

1. S5/S8: Diese Schnittstelle ist zwischen S-GW und P-GW definiert. Sie wird als S5 bezeichnet, wenn sich S-GW und P-GW im selben Netzwerk befinden (Nicht-Roaming-Szenario), und als S8, wenn sich das S-GW im besuchten Netzwerk und das P-GW im Heimatnetzwerk befindet (Roaming-Szenario). Die S5/S8-Schnittstelle verwendet die Protokolle eGTP-C und GTP-U .
2. Gz: Diese Schnittstelle wird vom P-GW zur Kommunikation mit dem Offline Charging System (OFCS) verwendet, hauptsächlich um die Charging Data Records (CDRs) der Postpaid-Nutzer per FTP zu senden .
3. Gy: Diese Schnittstelle dient dem P-GW zur Kommunikation mit dem Online Charging System (OCS). Das P-GW übermittelt dem Abrechnungssystem in Echtzeit Informationen über das Guthaben der Prepaid-Nutzer. Die Gy-Schnittstelle verwendet das Diameter- Protokoll.
4. Gx: Diese Schnittstelle dient dem P-GW zur Kommunikation mit der Policy and Charging Rules Function (PCRF) und verarbeitet die Policy and Charging Rules (PCC)-Regeln. Diese Regeln enthalten abrechnungsrelevante Informationen sowie QoS-Parameter ( Quality of Service ), die beim Bearer-Aufbau verwendet werden. Die Gx-Schnittstelle nutzt das Diameter- Protokoll.
5. SGi: Diese Schnittstelle ist zwischen dem P-GW und externen Netzwerken definiert, zum Beispiel Internetzugang, Unternehmenszugang usw.
6. Sxb: Seit 3GPP Rel.14 wurde die Sx-Schnittstelle und das zugehörige PFCP- Protokoll in das PGW integriert, wodurch die Trennung von Steuerungs- und Benutzerebene zwischen PGW-C und PGW-U ermöglicht wird.

Das EPC ist ein reines Paketvermittlungs-Kernnetz. Es verfügt nicht über einen leitungsvermittelten Bereich, der traditionell für Telefongespräche und SMS genutzt wird .

3GPP spezifizierte zwei Lösungen für Sprache:

• IMS : Eine Lösung für IMS Voice over IP wurde in Rel-7 spezifiziert.
• Circuit-Switched Fallback (CSFB) : Um Anrufe zu tätigen oder zu empfangen, wechselt das Endgerät (UE) seine Funkzugangstechnologie von LTE zu einer 2G/3G-Technologie, die leitungsvermittelte Dienste unterstützt. Diese Funktion erfordert 2G/3G-Netzabdeckung. Eine neue Schnittstelle (SG) zwischen der Mobile Management Unit (MME) und dem Mobile Service Center (MSC) ist erforderlich. Diese Funktion wurde in Release 8 (Rel-8) entwickelt.

3GPP spezifizierte drei Lösungen für SMS:

• IMS : Eine Lösung für SMS über IP wurde in Rel-7 spezifiziert.
• SMS über SGs : Diese Lösung erfordert die im Rahmen der CSFB-Entwicklung eingeführte SGs-Schnittstelle. SMS werden im Non-Access-Stratum über LTE zugestellt. Für das Senden und Empfangen von SMS sind keine systemübergreifenden Änderungen erforderlich. Diese Funktion wurde in Rel-8 spezifiziert.
• SMS über SGd : Diese Lösung erfordert die SGd Diameter-Schnittstelle am MME und liefert SMS im Non Access Stratum über LTE, ohne dass die vollständige Signalisierung, das Legacy MSC mit CSFB oder der mit der IMS-Signalisierung und dem zugehörigen EPC-Bearer-Management verbundene Overhead erforderlich sind.

CSFB und SMS über SGs werden als Übergangslösungen angesehen, die langfristige Lösung ist IMS . ^{[ 4 ]}

Das UE kann sich über verschiedene Zugriffstechnologien mit dem EPC verbinden. Diese Zugriffstechnologien umfassen:

• 3GPP-Zugangstechnologien : Diese Zugangstechnologien werden vom 3GPP spezifiziert . Dazu gehören GPRS , UMTS , EDGE , HSPA , LTE und LTE Advanced .
• Nicht-3GPP-Zugriffe : Diese Zugriffstechnologien sind nicht im 3GPP spezifiziert . Dazu gehören Technologien wie CDMA2000 , WLAN oder Festnetze. Das 3GPP definiert zwei Klassen von Nicht-3GPP-Zugriffstechnologien mit unterschiedlichen Sicherheitsmechanismen:
  • Vertrauenswürdige Zugriffe , die der Netzbetreiber aus Sicherheitsgründen als vertrauenswürdig einstuft (z. B. ein CDMA2000- Netzwerk), stellen eine direkte Schnittstelle zum Netzwerk dar.
  • Nicht vertrauenswürdige Zugriffe , die der Netzbetreiber aus Sicherheitsgründen als nicht vertrauenswürdig einstuft (z. B. eine Verbindung über einen öffentlichen WLAN-Hotspot), werden über einen ePDG mit dem Netzwerk verbunden, der zusätzliche Sicherheitsmechanismen ( IPsec- Tunneling) bereitstellt.

Es obliegt dem Netzbetreiber zu entscheiden, ob eine Nicht-3GPP-Zugangstechnologie als vertrauenswürdig oder nicht vertrauenswürdig eingestuft wird.

Es ist wichtig zu beachten, dass diese Kategorien „vertrauenswürdig“/„nicht vertrauenswürdig“ nicht für 3GPP-Zugänge gelten.

Das 3GPP liefert Standards in parallelen Releases, die jeweils einen einheitlichen Satz von Spezifikationen und Funktionen bilden.

• 3GPP-Seite zu SAE
• 3GPP TS 23.401: Erweiterungen des General Packet Radio Service (GPRS) für den Zugang zum Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN).
• 3GPP TS 23.402: Architekturerweiterungen für Nicht-3GPP-Zugriffe

• LTE
• IP-Multimedia-Subsystem

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• LTE-Whitepaper: „Long Term Evolution (LTE): Ein technischer Überblick“ (PDF) . Motorola.
• Strategisches Whitepaper: „Einführung in Evolved Packet Core“ (PDF) . Alcatel-Lucent. Archiviert vom Original (PDF) am 24.02.2012.
• Technisches Whitepaper: „Evolved Packet Core solution: Innovation in LTE core“ (PDF) . Alcatel-Lucent. Archiviert vom Original (PDF) am 24.02.2012.
• 3GPP TS 32.240: Telekommunikationsmanagement; Gebührenmanagement; Gebührenarchitektur und -prinzipien . portal.3gpp.org.