4G核心网产品说明书.docx

矿用4G核心网

产品说明书

# 概述

## 4G核心网EPC网络结构

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。LTE与SAE二者都是针对分组交换域的规划，未来的通信是多媒体数据的交互，传统的电路交换业务也是完全基于分组交换的承载。

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。

EPC产品作为LTE系统的一部分，为用户提供数据带宽高、业务时延低、接入速度快、安全性强的IP传输服务；支持多种不同的接入技术，用户在不同接入网间移动时能够获得不间断的服务；支持紧急呼叫；支持漫游用户路由优化；为运营商提供灵活的控制策略和计费方法；同时产品提供丰富的操作维护手段。EPC网络架构如图1‑1所示。

![网络架构](/media/202206//20220606170310784664.jpeg)

图1‑1 4G核心网EPC网络架构

## 产品定位

* 4G核心网EPC设备用于行业应用场景，一般不需要计费功能但需内置HSS，并可支持外置HSS（连接到公网HSS，或多个EPC但仅在某一个EPC设备存在HSS）的情况。
* 4G核心网EPC设备可以单独组网，通过SGi接口连接业务服务器，用作公网集群系统；或者作为公网EPC用于小型运营商（需要计费功能）。

# 产品介绍

## 产品简介

4G核心网EPC是小型化EPC网络设备，集成EPC核心网中的MME、S-GW、P-GW、HSS等网元以及与EPC相关的网元HSS（可选）功能。4G核心网EPC是针对行业、教学、研发、小型运营网等领域推出的一体化EPC产品，完成对LTE接入及业务承载。该设备的主要功能包括：为LTE终端用户提供信令处理、移动性管理；对用户数据进行路由及转发；负责终端IP地址分配，根据用户的签约信息进行QoS控制；同时管理用户签约信息，对系统接入用户进行鉴权和位置管理。

## 产品特点

### 高集成度

多网元实体联合部署，最大程度降低设备成本；体积小、占地少，节约机房占用空间。

### 灵活配置及部署

模块化设计，方便进行大、中、小容量设备配置；软硬件模块化布局，方便软件加载及升级。

### 便捷的设备操作及维护

人性化的界面设计；高效的软件加载与在线升级；灵活、实用的性能统计数据查阅与维护；详尽的呼叫跟踪和信令跟踪；丰富、便捷的设备故障与呼损定位手段。

### 全IP交换

支持IP传输，提供开放、标准的FE/GE/10GE等接口，以及灵活配置。

### 良好扩展性

网元内部及之间均支持GE/FE端口连接，完全IP交换，符合网络演进趋势。

### 先进的ATCA平台

基于ATCA标准架构，先进的硬件平台；板卡的延续性和良好的可替代性。

### 跨地域漫游

支持用户在多个小型化EPC系统之间的漫游。大部分情况下用户会在某个固定的区域下使用业务，即在一个EPC系统所管辖的范围内，当用户移动出该区域而进入另外一个EPC系统所管辖区域后，用户还可以继续接入系统并正常使用业务。

同时当漫游地EPC系统的MME与归属地HSS的通信链路故障时，用户仍可以正常接入系统。EPC系统之间漫游组网如图 2‑2所示。

![](/media/202206//20220606170310857285.x-emf)

图 2‑2EPC系统之间漫游组网

用户在空闲态移动到新的EPC系统下后，能够正常接入。

### 设备级冗余备份

通过冗余方式进行容灾，以增强其可靠性。未出现故障时采用负荷分担模式工作。故障接管时间不大于30秒。

## 产品接口

### SGi接口

SGi接口是外部PDN网络和EPC中PGW实体之间的接口；

### S1-MME接口

S1-MME是eNodeB和EPC中MME实体之间的接口；

### S1-U接口

S1-U接口是eNodeB与EPC中S-GW实体之间的接口，用于承载用户面隧道和切换时eNodeB之间的路径交换；

### NAS接口

NAS接口是UE和EPC中MME实体之间的接口；

### S6a接口

S6a接口用于在MME和HSS之间传输与用户相关的数据；

![](/media/202206//20220606170310866238.x-emf)

图 2‑3漫游时拜访地MME与归属地HSS组网与接口

### S10接口

S10接口是EPC产品中MME与MME实体之间的接口；

### S5/S8接口

S5/S8接口是EPC产品中S-GW与P-GW实体之间基于PMIP和GTP的接口；

### OM接口

OM接口是设备与操作维护系统之间的接口；

## 遵从协议

遵循3GPP标准规范，支持的协议列表参见附件B。

# 业务及功能描述

## 业务功能

为了满足未来数据业务的高速、突发性等特征，为有效提高用户体验，减小业务建立的时延，真正实现用户的“永远在线”，4G核心网EPC产品引入了默认承载的概念，即在用户进行网络附着的同时，为该用户建立一个固定数据速率的默认承载，保证其基本的业务需求。

为实现端到端QoS，EPC产品从业务的起点到业务的终点都建立和使用了具有明确定义属性与功能的承载业务。同时4G核心网EPC网络在UE和一个PLMN的外部PDN之间提供PDN连接业务，支持一个或者多个业务数据流(SDF)的传输。

增强改进的QoS机制，使相同承载上的所有数据流量均能获得相同的QoS保障，为不同类型的承载提供不同的QoS保障，为产品上的业务提供了完全的QoS保证。同时由于EPC系统中采取了端到端的全IP架构，提供了更高的空口带宽，为VoIP业务（其中包括语音、视频电话、SMS/MMS）及其它丰富的宽带多媒体业务提供了有效的承载通路。

## 功能描述

### MME功能

#### 接入鉴权

LTE/SAE网络的安全架构和UMTS的安全架构基本相同。

LTE/SAE网络的安全分为5个域：

1. 网络接入安全 (I)

网络域安全 (II)

用户域安全 (III)

应用域安全 (IV)

安全服务的可视性和可配置性（V）

根据以上架构，要求4G核心网EPC 网络中的MME支持以下功能：

* 鉴权功能；
* GUTI分配功能；
* 用户设备识别功能；
* 信令和数据加密功能；
* NAS信令的加密及一致性保护功能。

#### 移动性管理

* MME负责UE接入到EPC系统，管理空闲模式手机的移动性，跟踪其位置，如维护UE当前所在的TA、MME等信息；
* 移动性管理功能主要通过附着、分离、跟踪区更新等流程来实现。这些流程保证了在UE移动的时候，相关网络实体中UE位置信息的及时更新，例如更新HSS 中的当前MME信息；
* 位置管理：包括MME能够依据静态配置的方式分配TAI list；MME之间的跟踪区更新；同一个MME内的不同eNode B之间的跟踪区更新；同一个MME的同一个eNode B內的跟踪区更新；周期性的跟踪区更新；MME之间负载重分配导致跟踪区更新；
* MME也可根据用户的签约信息，对用户进行移动性限制；
* MME支持多PDN连接：支持UE发起的PDN连接/释放，支持由MME发起的PDN连接；
* 支持业务请求，包括UE发起的和网络侧发起的业务请求；
* 支持Purge流程。

#### 会话管理

MME负责管理EPC承载的建立，修改和释放，同时负责对E-UTRAN接入网侧承载的建立和释放，比如S1连接释放、S1-U接口的承载重建。

1. 支持通过以下方式建立承载

* UE发起的附着过程中，建立到默认APN的默认承载；
* UE发起的承载资源修改，建立专用承载；
* 网络侧发起的EPC承载的激活，建立专用承载；
* UE发起PDN连接过程中，建立默认承载。

1. 支持通过以下方式对承载进行修改

* UE发起的承载资源修改，修改专用承载；
* P-GW发起的承载修改，承载的QoS发生了变化，包括修改QoS参数和APN-AMBR；
* P-GW发起的承载修改，承载的QoS没有发生变化，主要是修改TFT；
* HSS中的签约数据变化，触发MME发起承载修改。

1. 支持通过以下方式对承载进行删除

* UE发起的承载资源修改，释放专用承载；
* P-GW发起的承载释放，释放专用承载；
* MME发起的承载释放，释放专用承载；
* UE或MME发起PDN去连接过程，释放一个PDN连接的所有承载。

#### 切换控制

MME支持的切换包括以下几种：

* SGW不改变的X2切换；
* MME,SGW不变的S1切换；

#### MME Pool管理

为更好的服务运营商，3GPP提出MME Pool的概念，一个MME Pool服务于多个MME，每个MME都保存着相同的MME Pool中所有MME ID，每个eNode B和一个Pool中的所有MME相连。MME Pool的管理包括以下功能：

* MME支持在S1 setup流程中将自身的权重信息下发给eNode B；
* MME Pool中进行MME间的负荷迁移时，MME支持发送S1连接释放消息；
* MME支持过载处理机制。

#### 跨地域漫游

支持用户在多个小型化EPC系统之间的漫游。大部分情况下用户会在某个固定的区域下使用业务，即在一个EPC系统所管辖的范围内，当用户移动出该区域而进入另外一个EPC系统所管辖区域后，用户还可以继续接入系统并正常使用业务。

同时当漫游地EPC系统的MME与归属地HSS的通信链路故障时，用户仍可以正常接入系统。

#### NTP客户端功能

MME 支持设置远程服务器为本地时间服务器，本端工作在client 模式。

网络时间协议NTP是用来在整个IP 网络内发布精确时间的TCP/IP 协议，其本身的传输基于UDP，RFC1305 规范中规定了NTP 使用的复杂算法，来确保时钟同步的精确性。

### S-GW功能

#### 承载管理

1. 承载建立

* UE发起的承载资源修改；
* UE发起的Attach过程中，建立到默认APN的默认承载；
* 网络侧发起的EPC承载的激活；
* UE请求多PDN连接建立过程中，建立默认承载。

1. 承载修改

* UE发起的承载资源修改；
* P-GW发起的承载修改，承载的QoS发生了变化，包括修改QoS参数和APN-AMBR；
* P-GW发起的承载修改，承载的QoS没有发生变化，主要是修改TFT；
* HSS中的签约数据变化，触发MME发起承载修改，包括修改APN-AMBR。

1. 承载释放

* UE发起的承载资源修改；
* P-GW发起的承载释放；
* MME发起的承载释放。
* UE请求多PDN去连接过程中，删除该PDN连接的所有承载。

1. 网络侧触发业务请求

当S-GW收到下行数据而S1-U接口承载信息已经释放时，S-GW通知MME发起寻呼。

#### 路由选择和数据转发

* S-GW应具有将从上一个节点接收到的数据（GTP-U PDU）转发给路由中下一个节点的功能；
* 在eNode B间或系统间切换之后，S-GW用户面应发送“end marker”数据包给源eNode B，源SGSN或源RNC，以帮助eNode B实现重排功能。

#### QoS控制

* S-GW支持EPC承载的主要QoS参数，包括QCI，ARP，GBR，MBR和APN-AMBR；
* S-GW支持终端和网络侧发起的基于QoS更新的承载修改过程；
* S-GW支持对GBR承载实现bearer level的MBR带宽管理功能；
* S-GW支持基于bearer level的上下行数据DSCP marking功能；
* S-GW支持配置QCI与QOS参数的映射关系。

### P-GW功能

#### UE IP地址管理

* P-GW可以通过本地进行分配；
* P-GW支持根据不同的APN配置不同的地址池。

#### 承载管理

* P-GW应具有将来自外部数据网的PDU用GTP包头和UDP/IP包头进行封装的功能，并以包头的相关地址信息作为标识，在EPC网中利用一条点到点的双向隧道来传输封装数据给终端；
* 对于去往外部数据网的GTP-U PDU，P-GW应去除其封装包头、再转发给外部数据网。

#### 路由选择与数据转发

* P-GW应具有将来自外部数据网的PDU用GTP包头和UDP/IP包头进行封装的功能，并以包头的相关地址信息作为标识，在EPC网中利用一条点到点的双向隧道来传输封装数据给终端；
* 对于去往外部数据网的GTP-U PDU，P-GW应去除其封装包头、再转发给外部数据网。

#### QoS控制

* P-GW能支持EPC承载主要的QoS 参数包括QCI, ARP, GBR, MBR, 和APN-AMBR；
* 缺省承载初始的承载级别QoS参数由网络根据签约数据来分配。
* P-GW能支持本地配置PCC规则；
* P-GW支持UE和网络侧发起的创建或者修改专有承载，是否建立只能由EPC决定，并且承载级别的QoS参数值是由EPC来分配；
* P-GW支持发起基于QoS更新的承载修改流程；
* P-GW支持对GBR承载实现bearer level的MBR带宽管理功能；
* P-GW支持对non-GBR承载的上行和下行数据流量进行APN-AMBR的带宽管理功能（Policing）；
* P-GW支持bearer level的DSCP marking功能，QCI对应的DSCP的值应为运营商可配置；
* P-GW支持配置QCI与QOS参数的映射关系。

### HSS功能

#### 用户数据管理

HSS对用户的数据进行相应的操作管理，主要如下：

* 开户、销户。
* 用户签约数据的修改，包括新增签约业务数据和修改现有签约业务数据。
* 相关用户数据操作的批处理支持，主要为支持同时对大量用户进行类似的操作。
* HSS能通知MME对用户签约数据进行更新（增加一部分用户数据或者替换一部分用户数据）。
* HSS能通知MME删除其保存的用户签约数据的一部分。
* 查询/新增/删除/修改用户标识及签约数据。

#### 用户位置信息管理

HSS能保存用户的位置信息，还可以根据需要更新或删除位置信息，并通知相关的MME。

#### 移动性管理

支持MME和HSS间S6a接口的移动性管理程序，包括跟踪区更新和位置删除等。

#### 接入限制

通过在HSS中定义用户数据的ARD参数，对接入网络类型进行限制。

#### HSS POOL

HSS支持当增加或删除一个用户时，HSS把该用户的数据向hss pool 中所有的hss同步。

# 操作维护

## 基本功能

### 配置管理

配置管理提供对系统数据的管理。包括对配置数据的离线和在线处理。

配置管理实现对系统数据的增加、删除、修改、查询等操作。

MME、S-GW、P-GW、HSS提供的数据配置有：

* 动态配置是指在不中断系统运行的情况下，直接对系统数据进行修改。
* 物理设备的配置：机架、机框、单板、处理器、单板设置、子板卡、硬件资源、端口、链路等配置；
* 协议配置：IP路由、GTP协议、Diameter、DHCP、计费规则等配置；
* 管理配置：告警模板、性能任务、跟踪任务等配置；

### 故障管理

故障管理功能提供了系统故障的检测、监控及处理手段。

告警系统负责监控系统的运行状况，并将检测到的故障或扰动通知维护人员。

告警系统具有如下特点：

* 告警内容丰富，定位准确、详细

EPC提供多种告警，涉及了系统全部软件功能、硬件部件以及外部环境。丰富的告警保证了系统的各种故障可以被即时检测并处理。为方便管理，这些告警被赋予不同的类别及级别。

* 告警信息处理灵活、方便

操作维护终端提供了多种方便、灵活的操作，保证用户即时、有效的处理告警信息。

### 性能管理

4G核心网EPC系统的性能管理功能由LTE统一OMC网管系统进行集中性能管理，同时支持通过LMT进行性能数据的浏览。

设备根据规则生成性能数据，通过实时上报和文件两种方式上报给操作维护终端，性能文件上载到FTP 服务，OMC网管系统作为FTP 客户端，获取性能统计文件，进行性能管理。LMT 获取性能统计文件，通过性能浏览工具提供给用户查看。

集中性能管理系统提供给用户一个直观、全面的操作环境，用户能够根据需要对全网的设备进行性能管理，包括性能测量任务的创建、修改、查看及测量结果的管理等，以及时了解到网络、设备的运行状况，对网络、设备的性能进行评估，为网络优化提供依据。

### 消息跟踪

4G核心网EPC产品各网元的跟踪功能由LMT 提供的“跟踪”窗口实现。

针对EPC主要提供对各网元接口信令的跟踪，对内部消息的跟踪，以及协助eNode B提供对UE的跟踪。

用户通过设置各种接口和信令跟踪条件，对S1、S11、SGi、S6a、S5/S8等接口及用户进行实时的跟踪和监测，并且可以在在线或离线的状态下对保存的消息（包括以前版本保存的信息）进行回顾。在系统发生故障时，通过接口信令跟踪能够迅速、准确地定位障碍点，解决问题。

### 日志管理

日志按照内容分为用户操作日志、系统运行日志、安全日志、告警日志。

用户操作日志记录了用户操作命令，包括用户名、执行的命令、执行时间等信息，便于分析故障、明确责任；系统日志记录系统运行过程中的一些状态信息，便于系统维护和错误定位。系统还提供了用户操作日志的查询功能。

### 软件管理

支持通过LMT/OMC本地或远程，通过任务的方式下载软件及软件补丁，并进行立即激活。如果下载的软件包运行不正常，支持版本回退到上一个版本。

# 技术指标

## 技术指标

表 5‑1技术指标

**物理尺寸**

高度

130.55mm

宽度

482.6mm

深度

394.54mm

**重量**

净重

18Kg

**电源（直流）**

输入电压

-40V ～ -57V

额定功率

800W

输出电压

-40V～-57V

输入过流保护

30A

**电源（交流）**

输入电压

90V ～ 280V

额定功率

800W

输出电压

-42V～-58V

输出典型电压

-53.5V

输入过流保护

30A

**业务规格**

最大基站数

500

最大吞吐量

10Gbps

**工作环境**

温度

长期条件15℃～30℃

短期条件-5℃～55℃

湿度

长期条件20％～65％

短期条件5％～95％

**存储环境**

储藏温度

-10℃ ～ +40℃

储藏湿度

<75％

**EMI**

辐射干扰要求

EN55022 - Class A

传导干扰要求

EN55022 - Class A

附录A：缩略语

英文缩写

英文原语

中文含义

3G

Third Generation

第三代移动通信

3GPP

3rd Generation Partnership Project

第三代伙伴项目

**A**

ATCA

Advanced Telecom Computing Architecture

高级电信计算体系结构

ARD

Access Restriction Data

接入限制数据

**E**

EPC

Evolved Packet Core

演进分组核心网

ECM

EPC Connection Management

EPC系统连接性管理

eNode B

Evolved Node B

演进型Node B

E-UTRAN

Evolved UTRAN

演进型UTRAN

**H**

HSS

Home Subscriber Server

归属签约用户服务器

HLR

Home Location Register

归属位置寄存器; 归属位置寄存器

**L**

LAN

Local Area Network

局域网，本地网

LMT

Local Maintenance Terminal

本地维护终端

**M**

MME

Mobility Management Entity

移动性管理实体

MCPAc

Main Control Processing Assemble version C

主控制处理板C版本

MCPBc

Main Control Processing Backboard version C

主控制处理后插板C版本

MFPA

Multi-function Processing Assemble

多功能业务处理板

MNPA

Multi-service Network Processing Assemble

多功能网络处理板

MSC

Mobile Switching Center

移动交换中心

**N**

NTP

Network Time Protocol

网络时间协议

NAS

Non-Access Stratrum

非接入层

**O**

OAMS

Operation And Maitainance Subsystem

操作维护子系统

OM

Operations and Maintenance

操作维护

OMC

Operation Management Center

操作维护中心

**P**

P-GW

PDN Gateway

PDN网关

PCRF

Policy and Charging Rules Function

策略与计费规则功能

**S**

S-GW

Serving Gateway

服务网关

SGSN

Serving GPRS Support Node

服务GPRS支持节点

附录B：遵循的3GPP协议标准

项目

功能描述

遵循的标准或协议

总体

General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access (Release 8)

TS 23.401-850

安全

3G security; Lawful interception architecture and functions

TS 23.107-871

3GPP System Architecture Evolution (SAE); Security architecture

TS 33.401-850

3GPP System Architecture Evolution (SAE); Security aspects of non-3GPP accesses

TS 33.402-831

GTP-C

Tunnelling Protocol for Control plane (GTPv2-C); Stage 3

TS 29.274-830

GTP-U

General Packet Radio System (GPRS) Tunnelling Protocol User Plane (GTPv1-U)

TS 29.281-810

Diameter

Evolved Packet System (EPC); Mobility Management Entity (MME) and Serving GPRS Support Node (SGSN) related interfaces based on Diameter protocol

TS 29.272-850

"Diameter Base Protocol"

IETF RFC 3588

DHCP

"Dynamic Host Configuration Protocol"

IETF RFC 2131

"Stateless Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) Service for IPv6"

IETF RFC 3736

"IPv6 Prefix Options for Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) version 6"

IETF RFC 3633

PCC

Policy and charging control architecture

TS 23.203-850

Policy and charging control over Gx reference point

TS 29.212-830

Policy and charging control signalling flows and Quality of Service (QoS) parameter mapping

TS 29.213-830

Policy and charging control over Rx reference point

TS 29.214-840

计费

Telecommunication management; Charging management; Charging architecture and principles

TS 32.240-850

Telecommunication management; Charging management; Packet Switched (PS) domain charging

TS 32.251-870

Policy and Charging Control (PCC) over S9 reference point

TS 29.215-810

Telecommunication management; Charging management; Charging Data Record (CDR) parameter description

TS 32.298-860

Nas

Non-Access-Stratum (NAS) protocol for Evolved Packet System (EPC);

TS 24.301-840

S1AP

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 Application Protocol (S1AP)

TS 36.413-870

SGsAP

Evolved Packet System (EPC); Mobility Management Entity (MME) and Mobile Switching Center /Visitor Location Register(MSC/VLR) SGs interface specification

TS 29.118-850

MBMS

Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Architecture and functional description

TS 23.246-830

互操作

Interworking between the Public Land Mobile Network (PLMN) supporting packet based services and Packet Data Networks (PDN)

TS 29.061-820

Architecture enhancements for non-3GPP accesses

TS 23.402-850