EPS原理笔记

EPS

UE(user equipment)，移动用户设备
LTE(Long Term Evolution)，无线接入网部分，E-UTRAN
EPC(system Architecture Evolution、Evoloed Packet Core)，核心网部分，主要包括MME、S-GW、P-GW、HSS，连接Internet等外部PDN(Packet Data Network)

3GPP定义

3GPP接入是指遵循3GPP制定的协议标准，通过如gNB等基站接入5G核心网。相对地，Non-3GPP接入则是指通过非3GPP定义的网络接入5G核心网，例如通过WiFi等非3GPP网络‌

S-GW和P-GW功能

S-GW作为接入锚点，进行接入侧信令和数据的处理，完成大量切换信令处理；P-GW作为业务锚点，完成业务处理

EPC网元介绍

EPC网元有MME、S-GW、P-GW、HSS、PCRF

MME（mobility management entity），控制面的移动性管理，包括用户上下文、移动状态；分匹配用户临时身份标识。作用：NAS（Non-Access Straturn）信令、漫游、3GPP接入网间切换，CN节点间的信令交互、鉴权、P-GW和S-GW的选择。

S-GW（service gateway）是3GPP内不同接入网络间的用户面锚点，屏蔽了3GPP内部不同接入网络的接口、上下行传输级别标记

P-GW（packet data network gateway），上下行速率执行、上下行计费、IP地址分配、包过滤、APN-AMBR（Aggregate Maximum Bit Rate）上下行速率执行、GBR（Guaranteed Bit Rate）的下行速率执行、上下行传输级别标记，DHCPv4、DHCPv6

HSS（home subscriber server），归属用户服务器，存储用户业务相关数据，EPC用户注册、鉴权、下载用户数据至MME；非3GPP用户注册、鉴权以及下载数据到AAA；漫游限制

PCRF（policy control and charging rule function）策略和计费控制的规则制定，终结Rx和Gx接口

UE接入Intenet流程

用户在MME注册成功，MME会给用户选择P-GW和S-GW并分配资源，PDN给UE分配IP地址，一切准备就绪后，MME给UE发送accpet

UE使用核心网（EPC）分配的ip地址和提供的服务接入Intenet

典型语言业务：EPC信令、IMS信令、SS7信令、Data（VoIP）

漫游，核心网元是MME

漫游Home Routed（通过归属地网络接入Intenet）
在归属地接入PDN（Packet Data Network），提供外部网络接入功能，保证漫游和非漫游场景下用户得到计费、业务、PCC（Policy and Charging Control）策略获取的一致性

漫游Local Breakout（通过本地拜访网络接入Intenet）
在访问地接入PDN，节省与归属地传输的带宽，

IP分配方式

IP分配方式有三种：PGW上配置的地址池、DHCP、3A服务器分配

PDN连接

关键网元：

PDN：UE要接入的目的网络

ip address（es）：给UE分配IPv4/IPv6双栈地址

P-GW：UE到所选网络的业务锚点

APN（Access Point Name）：用于标识目的PDN，PGW据此来选择目的PDN

PDN连接是分配了IPv4和IPv6的UE和特定PDN之间的逻辑链接，UE到PDN是端到端的连接，UE可以同时有多个PDN连接（比如网络的Intenet连接和语言业务的IMS连接）

有三种类型的PDN连接：IPv4、IPv6、IPv4/IPv6双栈类型

EPS承载(bearer)

**默认承载：**PDN连接附着的时候就会被创建，在PDN连接的生命周期一直保持在线（只针对S5/S8），一般作用与不需要特别对待和处理的用户浏览，比如说Web浏览。

**专有承载：**已经有PDN连接，根据需要激活，默认承载不能满足，将尝试建立一个专有承载。

TFT（Traffic Flow Template ）：被UE、SGW和PGW来区分不同的承载。PGW会基于（分配给EPS的TFT里的）下行包过滤器，来把下行数据包路由到不同的EPS承载

EPS承载：UE和PGW之间一个或多个SDF（servide data flow服务数据流）的逻辑聚合体，如果多个SDF需要不同承载级别的Qos处理，则需要给每个SDF设置不同的EPS承载

不同Qos属性需要不同的EPS承载，每个EPS关联一个TFT（流量模板），TFT里包含针对承载的数据包过滤器

TFTs用于区分上下行数据包过滤器

EPS bearer ID用于标识一个用户不同承载上下文

移动性原理

当UE从一个注册区移动到另一个注册区，则发起位置区域更新过程

在2G/3G里，注册区 = 路由区（RA，在PS里），位置区（LA，在CS里）

在EPS里，注册区=跟踪区（TA）

• 在3GPP系统内的移动性
  • 基于X2接口的切换流程
  • 基于S1接口的切换流程（不存在X2）
  • 跟踪去更新流程
• 在E-UTRAN和HRPD（high rate packet data）之间的移动
  • 预先注册
  • 切换
• 在3GPP和non-3GPP系统之间的移动
  • 采用移动IP机制

EPC中的标识

IMSI

IMSI（International Mobile Subscriber Identity）永久用户标识，USIM卡被赋予一个唯一的IMSI，是一个E.164号码

IMSI = MCC + MNC + MSIN

• MCC号 (Mobile Country Code)
• MNC号(Mobile Network Code)
• 一个MSIN号 (mobile subscriber identity)组成

MCC和MNC用于唯一标识运营商网络，在HSS被签约

GUTI

GUTI（Globally Unique Temporary ID）临时用户标识，用于EPC给用户提供唯一的临时用户标识

由MME分配，存储在UE和MME里，用于UE和网络进行信令交互时，用GUTI标识用户，避免在无限端口传输IMSI而泄露用户数据

S-TMSI

S-TMSI临时用户标识，为了提高无线信令传输而对GUTI的简化表示

TAI

TAI（Tracking Area Identity）跟踪区标识，LTE产生新位置区（跟踪区），一个新的TAI被用来标识一个跟踪区（TA），由运营商来规划TAI

TAI = MCC + MNC + TAC（Tracking Area Code）

TA列表

TA列表（tacking Area List）是EPS中位置管理的基本单位，使用TA列表的目的是防止UE频繁发起跟踪区更新（TAU）流程

APN

APN（Access Point Name） = APN-IN + APN-OI，用于UE请求连接到所选的外部网络，APN-IN由运营商签发

安全功能

鉴权方式：2G-3G-EPC鉴权方式为单向鉴权、双向鉴权、双向鉴权

	2G	3G	4G
鉴权方式	单向鉴权	双向鉴权	双向鉴权
安全向量	三元组（Rand，Sres，Kc）	五元组（Rand，Xres，CK，IK，AUTN）	全新EPS安全向量（RAND,AUTN,XRES,Kasme）。实现UTMS鉴权向量与EPS及鉴权向量的隔离
完整性约束保护	否	是	是
兼容SIM	-	兼容	不兼容
层次化安全架构	否	否	对NAS（non access service非接入）层和AS分别保护，同时对两层的密钥也分级管理，也分别进行算法协商 NAS指的是eNodeB和MME之间 AS指的是UE和eNodeB之间

UE和MME之间执行NAS信令加密和完整性保护

UE和eNodeB执行RRC信令加密和完整性保护，还有UP加密

EPS鉴权四元组 :

RAND：Random Challenge，随机数

AUTN：Authentication Token，鉴权令牌，提供信息给UE，UE可用此对网络鉴权

XRES：Expected Response，期望的回复，用于和UE产生的RES进行比较，以此达到鉴权的效果

Kasme：Ciphering key，密钥

EPS鉴权向量由MME向HSS请求获取，随后鉴权过程中，MME向USIM发送RAND和AUTN，USIM可以选择返回RES或者拒绝鉴权

鉴权流程

鉴权的目的是MEE问HSS索要EPS鉴权向量（RAND、AUTN、XRES、KASME），用此对用户进行鉴权

1. MME发送==Authentication Data Request（IMSI，SNI，TYPE）==给HSS
2. HSS收到后，通过==Authentication Response（RAND、AUTN、XRES、KASME）==将鉴权向量返回给MME
3. MME收到鉴权向量之后，向UE发送==User Authentication Request（RAND、AUTN）==消息，对用户进行鉴权，包含了RAND和AUTN两个参数
4. UE收到MME请求后，先验证AUTN是否可接受，UE通过比对自己计算的XMAC和接收到的MAC（通过AUTN携带）来对网络进行认证，不一致则认为是非法的。一致则继续计算RES，然后将此RES通过==USER Authentication Response（RES）==发送给MME
5. MME比对RES和XRES，一致则鉴权通过

Qos覆盖范围

EPS系统仅仅覆盖在EPS里的流量Qos需求，也就是UE到PGW之间的范围

以Internet接入为例，一个UE会话范围包括两部分，在EPS里的会话和Internet上的会话，

EPS承载的Qos

EPS承载在UE和PGW之间建立

EPS承载 = 无线承载+ S1承载 + S5/S8承载

业务流和承载都是关联和映射到响应的TFT（包过滤器），而TFT在无线侧和RB-ID关联，在核心网侧和TEID关联

UE关联上行流和TFT，PGW关联下行流和TFT

承载的Qos参数

在GPRS/UMTS系统中，3GPP定义了4类业务和13中Qos参数，每个PDP上下文被赋予一种业务级别和对应的Qos属性，这个设计被证实太过复杂，很多Qos参数在实际中并没有被使用

在EPS系统里，Qos参数大大简化，每个EPS承载仅关联两个参数，一个QCI和一个ARP

QCI：QoS Class Identifier，一个数值，用于标识QoS类别，不同值对应不同Qos属性，取值范围是1~9， QCI取值1~4是专门用于GBR业务，其余是Non-GBR业务。QCI决定了在一定承载上的IP数据包应该收到怎么样的用户平面处理

对于不同的业务，可以将承载分为GBR承载和non-GBR承载（保证比特率/非保证比特率）

• GBR承载意味着要预留一定的带宽，不管自己用不用。GBR承载可以使用GBR和MBR来控制带宽（GBR保证比特率的最小带宽，MBR最大允许带 宽）
• non-GBR承载，可以使用AMBR来控制带宽（AMBR聚合最大带宽，分为UE-AMBR手机支持，APN-AMBR PDN定义最大带宽），不用分配固定带宽，这样无法保证承载上能携带多少流量，虽然没有MBR，但运营商可以使用AMBR来进行带宽控制

ARP：Allocation and Retention Priority，承载建立和维护的优先级，包括三部分：

• 优先级（Priority）：承载建立和保持的优先级，数字越小优先级越高
• 抢占能力（Pre-emption Capability）：是否能够抢占其他承载资源
• 抢占易感性（Pre-emption Vulnerability）：是否容易被其他承载抢占

AMBR-最大聚合比特率:

• APN-AMBR（uplink & downlink）：一个APN的所有PDN连接的所有Non-GBR承载所有提供的聚合比特速率，有PGW执行
• UE-AMBR（uplink & downlink）：定义一个UE所有的Non-GBR承载上的所能提供的聚合比特速率，有eNodeB执行

Qos的签约

在GPRS/UTRAN系统里（EPS系统前），Qos是在HLR里签约

有EPS后，在HSS和PCRF里签约Qos（HSS默认承载，PCRF专有承载）

• HSS签约用户附着到网络时所建立的默认承载的Qos
• PCRF签约专有承载的Qos，如果默认承载的Qos不能满足当前业务，UE会请求专有承载，由PGW基于PCRF授予Qos参数决定分配的专有承载的Qos，所以不需要经过HSS

PCC

提供给运营商进行业务Qos和计费控制的高级工具

在无线网络，对于包的传输，不同的业务由不同固定Qos需求，网络一般同时存在不同用户的许多不同的业务流，那么确保业务共存和为业务提供相应的传输通道就尤为重要，

PCC允许集中控制来确保业务会话进行，意味着在由网络测替代终端来控制带宽，同时，PCC提供业务级别的计费控制方法，极大的有助于内容计费

• AF（Application Function）：与动态PCC应用和业务交互
• SPR（Subscription Profile Repository）：存储用户签约信息，如用户的签约策略和其他数据
• OCS（Online Charging System）：在线计费系统，就是预付费的信息管理系统
• OFCS（Offline Charging System）：离线计费系统，接受来自PCEF的计费事件，并产生话单，然后把话单传输到计费中心
• PCRF（The Policy Charging Rules Funcation）：实现PCC的策略控制功能，通过Rx接口接受会话信息，通过Gx接口接受来自接入网络的信息。
• PCEF（The Policy And Charging Enforcement Function）：执行来自于PCRF的策略
• BBEFR（The Bearer Binding and Event Reporting Function）：承载绑定和事件上报实体

PCRF的功能

PCRF提供向PCEF针对业务流的数据监测、门控、Qos和基于流的计费等网络控制

门控控制

• 阻塞还是放行某些业务的IP分组
• PCRF是做门控决策，PCEF是执行决策

Qos控制

• Qos控制允许PCRF向PCEF提供针对IP流的Qos授权
• PCEF实现速率的强制执行，确保业务会话没有超过所授权的Qos级别

基于流的计费

• 计费方式：在线/离线

• 计费特性：Flat rate / hot-billing / normal

• 内容计费：Flow ID（cbbid）

MME的选择

eNodeB选择MME：eNodeB需要基于负载均衡去选择MME，有一个MME Pool

MME选择MME：利用DNS解析功能，然后基于TAI（Tracking Area Identity，TAI = MCC + MNC + TAC）选择一个MME；在Attach/TAU流程里，利用DNS解析功能来基于GUTI选择MME

SGW的选择

选择一个合适的SGW来给UE提供服务

基于网络拓扑，选择要减少SGW改变的可能性、同时考虑负载均衡，当DNS返回包含权重值的IP地址时，MME根据SGW的负载均衡情况选择SGW，然后建立承载，以此达到SGW的负载均衡效果

PGW的选择

1. 根据APN（Access Point Name，PGW据此选择PDN）所对应的P-GW
2. 在Attach/PDN连接建立流程中，利用DNS解析功能基于APN来选择PGW

EPS里的接口（3GPP Access）

下面这张图描述了EPS里的接口以及EPS与3GPP接入（如GPRS或WCDMA）之间的接口

GTP（GPRS隧道协议）

GTP的基本功能是提供网络节点之间承载隧道的建立。由于其简单和易拓展，进一步被用来传输（移动性过程中不同核心网移动管理节点之间的）用户的移动性管理和会话管理。在EPC系统中，用户会话管理进一步演进，因此GTP也随之进行版本迭代

GTP分成：

• GTP-C：GTPv0、GTPv1、GTPv2（仅用于EPS）
• GTP-U：GTPv0、GTPv1

功能：

• 移动性管理
• 隧道管理
• 特别业务功能
• 系统维护

基于GTP的接口——控制面

仅在EPS里

S10：MME之间的控制面接口，用于传递MME重定位和MME之间的消息

S11：MME和SGW，支持移动性管理和承载管理程序

S5/S8：SGW与PGW之间，S5是用户面隧道和隧道管理功能；S8是用户漫游的时候，VPLMN（拜访地）的SGW与HPLMN（归属地）的PGW的参考点

和2G/3G互操作

S3/S4：仅在EPS和GERAN/UTRAN网络互操作（S3是MME与SGSN的接口，S4是SGW与SGSN之间的接口）

基于GTP的接口——用户面

仅在EPS

S1-U：是eNodeB与SGW之间的接口

S5/S8：SGW与PGW之间的接口

与2G/3G互操作

用户面的接口不需要经过MME

Diameter协议

集认证、授权和计费（AAA）为目的设计的协议，弥补Radius的不足，使用AVP来携带信元

基于Diameter的接口

1. MME到HSS（S6a）

2. SGSN到HSS（S6d）

S6a在MME和HSS之间，用于交换用户的位置信息和管理信息

• Diameter：在MME和HSS之间传递签约和鉴权数据，从而授权进入EPS
• SCTP：保证MME和HSS之间信令的可靠传输，运用的是S1-AP

3. PGW到PCRF（Gx）

4. SGW到PCRF（Gxc）

Gxc仅用于S5或者S8采用的PMIP协议，如果采用的是GTP协议则不需要

基于S1-AP的接口

仅用于S1-MME，即eNodeB与MME之间的信令业务，包括MME与UE间NAS（Non-access Stratum）消息的透明传输

因为S1-AP的可靠传输机制，被设计应用于SCTP（Stream Control Transmission Protocol）协议中

NAS（Non-Access Stratum）消息在一定程度上独立于底层的 AS（Access Stratum）协议结构，但仍然需要依赖底层的 AS 协议来进行传输。NAS层消息可以看作是高层协议数据单元（PDU），逻辑上与物理层传输细节隔离

• NAS层位于UE（User Equipment，用户设备）和核心网（Core Network）之间，负责处理与移动管理、会话管理和认证相关的高层协议。功能有：
  • EPS的移动性管理
  • 会话管理
  • 认证和安全

• AS层位于UE和基站（eNodeB或gNodeB）之间，负责处理物理层和数据链路层的通信。功能有：
  • 物理层的信号传输和调制解调
  • 数据链路层数据帧的传输、差错检验和纠错
  • 无线资源管理

个人理解：类比于TCP模型，NAS消息在“应用层”之间传输，采用的是NAS协议，而AS协议工作在“物理层”，所有NAS不需要关注“物理层”的消息格式，因为在传输的时候，NAS消息仅需在进入AS协议进行传输之间，将NAS消息转化为RRC（底层传输的格式）即可在AS中传输。

SGi接口

服务于PGW与PDN之间，同时可以服务于PGW于AAA服务器之间，用于传输鉴权和计费

信令

用户状态

EMM：EPS Mobility Management，EPS移动性管理

• EMM-DEREGISTERED：UE不可达MME，EMM不保存用户的有效位置和信息，但是UE和MME还是保存了部分UE上下文，避免每次附着都发起AKA（Authentication and Key Agreement）鉴权流程
• EMM-REGISTERED(emm-registered)：UE通过附着流程（ATTACH/TAU）之后的状态，MME知道UE所在位置，或者知道用户TA所在的TA列表

ECM：EPS Connection Managerment，EPS连接管理

• ECM-IDLE：用户与网络没有NAS连接（eNodeB于MME之间连接）时候进入该状态，用户在eNodeB中无上下文，无S1-MME和S1-U连接
• ECM-CONNECTED：用户与网络有NAS连接，MME知道所服务的eNodeB的ID

MM上下文、EPS承载上下文

MM上下文包括：IMSI、MISISDN、鉴权参数、TAI、签约参数等

EPS承载上下文：PGW IP地址、SGW IP地址等

UE到MME之间有MM上下文，全过程都有EPC承载上下文

附着流程

UE才可以发起Attach流程

UE注册到EPS网络中的过程称为附着，附着过程将UE的相关位置信息、能力登记到管理的网络实体。附着过程给UE复分配IP地址。当部署了动态PCC，默认承载的PCC规则从PCRF获取，否则采用PWG的预配置的方式从本地获得

1. UE向eNodeB发送包含RRC的Attach Request消息，eNodeB转发此条消息给MME

2. 如果UE使用GUTI标识自己并且MME发生了变化，则新MME通过DNS解析GUTI得到旧的MME/SGSN的IP地址，然后就会向旧的MME/SGSN索要IMSI

3. 如果新旧MME都没有UE的IMSI，新的MME就会向UE发起Identity Request消息，UE通过Identity Response上报自己的IMSI

4. MME鉴权IMSI（可选）

5. 如果距上次MME变化，则需要更细HSS，MME向HSS发送Update Location Request消息，前提需要先取消旧的MME，并且删除UE中的MM上下文和EPS承载上下文

6. HSS给MME提供用户签约数据，然后MME选择SGW（MME通过TA在DNS解析出所归属的SGW），为UE分配EPS缺省承载ID，然后发送给SGW，SGW记录此承载ID，并发送PGW

7. PGW记录此ID，并生成计费的Charging ID，随后将此ID返回给SGW，SGW返回Create Session Response给MME，

8. MME将消息封装在S1-MME控制面返回给eNodeB

9. eNodeB通过==RRC Connection Reconfiguration（在eNodeB与UE之间）==将EPS无线侧的承载ID和Attach Accept发送给UE，UE回应

10. eNodeB收到回应之后， 返回包含S1-U用户面IP地址和TEID的Initial Context Response消息给MME

11. UE发送Attach Complete给eNodeB，eNodeB转发给MME。如果此时UE已经获取IP，则可以向eNodeB发送上行数据，然后eNodeB通过GTP隧道转发至SGW和PGW

12. MME收到10中eNodeB发送的消息之后，则会向SGW发送Modify Bearer Request请求，SGW回应之后即可以向UE发送下行数据了

分离流程

UE/MME/HSS均可发起detach请求

分离流程在以下情况中使用：

• UE从EPS中分离
• UE断开最后一个PDN连接
• 网络通知UE不能再接入EPS

显式分离：网络侧或者UE主动请求分离，会通知另一方

隐式分离：网络侧分离UE，不通知UE，例如网络不可达

1. UE发送Detach Request给eNodeB，eNodeB将UE的位置信息（如TAI和ECGI）和请求一同发给MME
2. MME发送Detach Session Request（以下简称）给SGW，SGW释放相关的EPS承载上下文，随后转发DSR给PGW并返回DS Response给MME，
3. PGW收到请求后删除用户相关信息，随后返回DS Response
4. 如果UE不是因为网络不可达引起，MME返回Detach Accept给UE，MME发送S1 Release命令给eNodeB，释放S1-MME上的信令连接

S1释放流程（S1 Release）

释放eNodeB与MME之间S1控制平面信令连接和所有用户平面承载

这个过程的结果是将UE从连接状态转化为空闲状态，UE从EPS中断开，同时eNodeB删除UE的所有上下文信息，空口和S1-U均会被释放

业务请求流程

分为UE发起和网络触发，对象是空闲状态下的UE

• UE发起：S1释放完后，UE有上行数据或者信令需要发送，由UE发起流程

• 网络触发：有下行数据或者信令过程，由核心网侧发起流程

跟踪区更新（TAU）流程

Tacking Area Updata

伴随SGW改变MME的TAU流程，MME需要选取新的SGW给UE创建新的EPS承载

在SGW不变的TAU流程中，需要更新SGW中的旧承载

承载激活流程

缺省承载会在激活流程或者UE发起的PDN连接流程中建立

• 专有承载激活触发，目的是建立不同的Qos和TFT，以满足某种业务，触发条件有：
  • PGW发起的专有承载激活
  • UE请求承载资源修改触发
• 专有承载修改，主要用于修改承载的Qos，AMBR，TFT，触发条件有：
  • PGW发起的伴随Qos更新
  • PGW发起的不伴随Qos更新
  • HSS发起的签约Qos修改
• 专有承载去激活，可以由PGW或者MME发起，触发条件有：
  • 承载老化前，没有数据要传输，则要去激活
  • 3GPP切换到non-3GPP，和PDN地址相关的默认承载和所有专有承载都要被释放

UE请求PDN连接的建立流程