1.2 LTE核心网

了解了LTE技术的来龙去脉后，接下来我们来仔细了解LTE系统的各个组成部分。

我们的学习先从核心网开始。前面已经讲到，本书由于是学习教程，为了方便记忆，因此采用了一些大众化、容易理解的提法。比如这里说的LTE核心网，其实是指采用SAE技术的核心网系统，也就是EPC。

在开始讲解LTE核心网之前，我们先来了解一些背景知识。

1.2.1 CS域与PS域

交换技术是核心网的核心技术。核心网采用的交换技术分为CS技术和PS技术两大分支，而本节标题中的域，也就是Domain，代表由相关设备构成的系统。因此，CS域就是由采用CS技术的核心网设备构成的系统，PS域就是由采用PS技术的核心网设备构成的系统。

接下来，我们就来了解CS和PS这两大技术。

CS技术是电路交换技术的意思，是移动通信系统从固定通信系统中继承过来的传统技术，历史悠久。电路交换这个术语说明了核心网的处理特点：需要为业务分配专用的通道，仿佛是在收发两端间建立了一条电路，把发送方和接收方连接在一起。因此，CS技术需要独占资源，能保证良好的业务质量，但系统资源的利用率不高。

与CS（电路交换）技术相提并论的就是PS（分组交换）技术。所谓分组交换，就是用一个个数据包来承载业务信息，核心网依据数据包上的地址动态决定数据包的走向，将不同用户的业务信息送达目的地。分组交换不需要为业务配置单独的专用通道，不同地址的数据包可以走同一个通道。因此分组交换技术的最大优点是传输通道共享，大大提升了系统资源的利用率。另外，业务信息的传送路径动态可变，增强了灵活性。

IP技术是分组交换技术的杰出代表，随着Internet的普及，IP技术一统天下，成为分组交换技术的代名词。因此采用IP技术后还有一个额外的优点，由于IP技术极为普及，设备之间互连互通变得非常方便。就好像英语一样，可以让许多不同国家的人之间进行沟通，这也是LTE核心网实施IP化的一个重要原因。

解释完CS技术和PS技术，我们回到正题，讲一下CS域和PS域。图1.11展示了移动通信系统中的CS域和PS域。附带说一下，有时我们也会简称CS域为电路域，PS域为分组域。

CS域存在于GSM系统和WCDMA系统中，但是在LTE系统这里，就戛然而止了。取消CS域，这是LTE系统的一大革命。

PS域由GPRS引入移动通信系统，GPRS是GSM系统的发展。因此PS域开始自GPRS，经过WCDMA，传递到了LTE，成为硕果仅存的域了。

域的目的是支持各种业务，每种域都有适合的业务，比如CS域的典型业务是大名鼎鼎的语音业务，也就是我们熟悉的打电话。自1G以来，语音业务就是移动通信系统支持的经典业务，历史最为久远。

不过风水轮流转，目前移动通信系统中业务量最大的业务，也就是业务的王者，还要算PS域的手机上网业务。

值得注意的是，业务与域之间并不是绑定关系，手机可以通过CS域上网，也可以通过PS域打电话。

因此，尽管LTE革除了CS域，但这并不代表LTE不能支持语音这样的CS域典型业务，语音业务在LTE网络中依然存在。

1.2.2 CS域与PS域的设备

接下来，我们以WCDMA系统为例，介绍一下CS（电路交换）域与PS（分组交换）域各由哪些设备组成，图1.12展示了WCDMA系统中CS域与PS域的主要设备。

从图1.12中可见，WCDMA系统CS域的设备包括MSC-Server和MGW（Media Gateway，媒体网关）两种网元。MSC是移动交换机的意思，MSC-Server可以简写为MSC-S。

MSC-S对应核心网的控制功能，包括呼叫控制、用户管理、计费、协议管理等，还用来控制MGW，并包含VLR（拜访用户寄存器）的功能；MGW对应核心网的业务承载功能，主要负责无线网络的接入。值得注意的是，由于MSC-S承担控制功能，因此无线网络的信令还须要透过MGW传输，交由MSC-S来处理，而电路交换的业务数据流只须要经过MGW。

WCDMA系统PS域的主要设备是SGSN（GPRS服务支持节点）和GGSN（GPRS网关支持节点）。SGSN的角色类似于CS域的MSC-S，负责为服务区域内的分组数据用户提供服务，并进行分组数据用户的接入控制、安全认证和位置管理等工作。GGSN负责将分组数据传送到相应的网络，是GPRS网络与外部分组交换网络的接口，还要完成协议转换、路由选择和消息过滤等工作。分组业务数据流先经过SGSN，再经过GGSN。

WCDMA系统CS域和PS域还公用一些设备，负责提供用户管理和网络设备管理，其中最典型的设备就是HLR（用户归属寄存器）。

从图1.12可以看到，WCDMA无线网络同时连接CS域和PS域，比较复杂。

1.2.3 EPC的组成

学习了CS域与PS域的基础知识之后，接下来，我们介绍EPC，也就是LTE核心网。EPC的具体组成如图1.13所示。

从图1.13可以看到，EPC主要包含了如下五大网元。

● MME（Mobility Management Entity，移动性管理实体）：EPC中的关键网元，从名称上就可以看到，MME负责管理和控制，相当于班长。

● SGW（Serving GateWay，服务网关）：EPC中的重要网元，负责处理业务数据流。

● PGW（PDN GateWay，PDN网关）：EPC中的关键网元，主要负责管理与PDN的接口。所谓PDN（分组数据网），通常指Internet。

● HSS（Home Subscribers Server，归属用户服务器）：EPC中的关键网元，是HLR的升级，与HLR一样担当数据库的角色，负责存储用户信息。

● PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功能）：与服务质量（QoS）的控制相关。

在这五大网元中，前三个网元与业务密切相关，在后续小节中将详细介绍。

从图1.13我们还可以看到，LTE的无线网络E-UTRAN与EPC中的MME和SGW分别连接，而外界的IP网络（即Internet）则与EPC中的PGW和PCRF相连。

1.2.4 MME

接下来我们详细介绍EPC五大网元中的三大网元。我们首先从MME开始，简单地说，MME类似于SGSN的控制面，负责处理用户业务信令，实现对移动用户的管理。EPC中的MME如图1.14所示，从该图可知，MME与eNB、HSS和SGW等设备进行交互，该图展示了各个设备之间的连接关系。

在图1.14中，MME与HSS通过S6a接口连接，与SGW通过S11接口连接，而与eNB（基站）通过S1-MME接口连接，这些接口都基于IP协议。

MME的主要功能如下所述。

● 用户鉴权：这是移动通信系统最基本的功能之一，本功能需要与HSS交互。

● 移动性管理（寻呼、切换）：是移动通信系统最基本的功能之一。

● 漫游控制：当漫游用户接入系统后，MME需要访问漫游用户所属的HSS，从而得到该用户的信息。

● 网关选择：一个MME会连接到多个SGW，由MME负责指派处理用户业务的SGW。

● 承载管理：承载（Bearer）是WCDMA引入的概念，对应用户的业务数据流。承载管理涉及承载的建立、释放等工作。

● TA列表管理：TA（Tracking Area，跟踪区）是LTE系统引入的新术语，类似于WCDMA和GPRS系统的路由区（RA），每个eNB都属于一个TA。LTE系统为每个终端定义了归属TA，这些TA（最多16个）构成了TA列表。当终端离开所属TA列表时，就要进行TA更新。

从以上介绍的MME功能可以看出，MME在EPC中的地位相当重要。为了维持LTE系统的可靠运行，通常我们会在网络中部署多套MME，构成一个MME池组，MME之间进行负荷分担。eNB与池组中的MME都连接上，这样即使有一套MME发生故障，也不会影响eNB的正常工作。当然，由于S1-MME接口基于IP协议，因此连接还是很方便的。

1.2.5 SGW

EPC中的SGW如图1.15所示，SGW的功能与MME相呼应。简单地说，SGW类似于SGSN的业务面，负责处理用户业务，完成移动数据业务的承载，并且与eNB、MME和PGW等设备进行交互。

在图1.15中，SGW与MME通过S11接口连接，与PGW通过S5或S8接口连接，而与eNB（基站）通过S1-U接口连接，这些接口都基于IP协议。

SGW的主要功能有：

● 在与GSM/WCDMA系统进行切换时，充当LTE核心网的锚点；

● 作为LTE系统内部移动性的锚点；

● 空闲状态时缓存下行数据；

● 数据包的路由和转发；

● 计费；

● 合法监听。

这些功能都比较容易理解，这里就不详细介绍了。

从SGW功能可以看出，SGW相当于数据业务的中转站，理解为港口也比较贴切，实现了移动用户与固定网络的结合。

1.2.6 PGW

EPC中的PGW如图1.16所示，PGW的功能非常类似GGSN，提供与Internet（也就是PDN）的接口，并且与PCRF和SGW等设备进行交互。

在图1.16中，PGW与SGW通过S5或S8接口连接，与PCRF通过Gx接口连接，与PDN通过SGi接口连接，这些接口都基于IP协议。

值得注意的是，PGW不会直接与eNB（基站）打交道。另外，在实际系统中，SGW和PGW往往是同一套物理设备，这样可以减少处理时延。

PGW的主要功能有：

● 作为外网互联的接入点；

● 为用户分配IP地址；

● 数据包的路由和转发；

● 计费；

● 策略控制执行功能（PCEF）；

● 合法监听。

1.2.7 EPC：漫游业务的处理

讲到这里，细心的读者要问了，SGW与PGW之间到底采用S5接口还是S8接口呢？要回答这个问题，我们得先了解EPC是怎样处理漫游业务的。

所谓漫游，就是指移动用户离开了自己的归属地网络，进入了异地网络，并进行业务的过程。归属地称为本地Home，异地称为漫游地Visit。从技术上看，本地网络的HSS中存放有移动用户的信息，而漫游地网络的HSS中没有存放移动用户的信息。

因此，当漫游用户进行业务时，经过无线网络接入，漫游用户的相关信息被送到漫游地的MME。漫游地的MME在进行用户移动性管理时，发现是漫游用户，会找到该漫游用户所属的本地网络，通过其本地网络的HSS获取该漫游用户的相关信息，并完成认证鉴权工作。

接下来，在建立业务承载时，漫游地的MME有两个选择：就近接入或者回归接入。所谓就近接入，就是漫游地的SGW通过S5接口与漫游地的PGW连接，就近接入Internet；而回归接入是漫游地的SGW通过S8接口与本地的PGW连接，再连接入Internet。

图1.17展示了就近接入及回归接入的连接方式。从图1.17不难看出，采用就近接入比较方便，节省网络资源。不过回归接入也有优势，可以控制业务的QoS以及实施特定的计费策略，因此各有各的应用场景。

1.2.8 EPC：与其他网络的连接

EPC在实施时，有一个宏大的目标，就是作为单一的核心网，去连接各种移动通信系统的无线网络，也就是连接GPRS、WCDMA、cdma2000网络，从而实现与2G、3G网络的互操作，甚至让GPRS、WCDMA、cdma2000等的核心网彻底下岗。

当然，直接与2G和3G无线网络打交道并不是最优的方案，况且无线网络还未必具备IP接口。更好的方案是通过某个代理设备与无线网络打交道，这个代理设备在GPRS和WCDMA的PS域中就是原来的SGSN升级后的设备，而在cdma2000的网络中就是一个新增加的GW（网关）。

由于LTE与GSM和WCDMA的传承关系，因此升级后的SGSN可以直接与MME和SGW连接；而cdma2000网络中的GW就只能与PGW连接，EPC与其他网络的连接如图1.18所示。