LTE引入后EPC核心网网络建设与演进探讨
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【摘 要】
EPC的构架更加符合未来移动通信网络的发展需要，能在提升网络性能的同时，满足用户日益增长的业务需求。介绍了EPC网络架构及特征，并结合网络部署对网络演进的步骤进行探讨，对其建设和演进涉及的关键技术进行分析，为后续的lte网络建设提供参考。
【关键词】
LTE EPC 网络演进
中图分类号：TN915.81 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2013）-19-0076-05
收稿日期：2013-04-23
1 概述
随着移动宽带网络向LTE演进，LTE网络已经在全球范围内开始规模建设和部署，而作为LTE网络的核心网，EPC的构架更加符合未来移动通信网络的发展需要，是目前3G分组域的演进方向。对于移动运营商来说，如何快速有效地部署EPC核心网络并实现与现有移动分组域核心网络的平滑演进和无缝衔接，是当前网络建设和规划中必须要考虑的关键问题。本文就LTE引入后epc核心网的网络架构和演进步骤进行探讨。
2 EPC网络架构及特征分析
EPC网络架构如图1所示。由图可知，EPC支持全面分组化接入，对于LTE网络接入，从标准制定之初即确定以全IP承载，不仅包括无线侧eNodeB与EPC间的S1接口，也包括EPC内部MME与HSS之间的接口采用IP承载的diameter协议。同时，LTE的接入更是取消了RNC网元，实现了网络层次的扁平化。
EPC网络对分组核心网进行控制面与用户面分离，使得分组核心网只对网关节点提供用户面处理，不仅大大节省了其他网络节点如SGSN/MME的用户面投资以及承载网的投资，同时也优化了用户面的性能。
由于网络架构更加扁平化和简单化，EPC能够提供更强的性能，包括低时延、低建链时间、高质量通信等，这也是应对网络流量激增的必然选择。
从图1还可以看出，EPC网络为用户提供了多种接入环境，在提供LTE用户接入的前提下，还兼容现有的2G/3G用户接入，并通过不同网元的互通保证了不同系统之间的移动性。
EPC网络实现了核心网的融合，支持各种3GPP接入方式和non-3GPP网络的共接入，并支持多模终端用户的无缝移动性。LTE的引入和移动运营商全业务运营的发展趋势，使得单个运营商开始面对运营多种制式网络的情况。支持多种网络共接入的EPC网络，实现核心网的融合，使得网络结构更加简单，降低了网络运营成本。同时EPC网络支持各种接入方式之间的无缝移动性，提高LTE用户在LTE部署初期局部覆盖时的使用感受。
目前，主流的移动运营商已经开始了LTE/EPC网络的实验和商用网络建设，为了更好地保护现有的网络设备投资，运营商更多考虑的是：新引入的EPC网络如何与现有网络和设备进行衔接？现有网络如何平滑地向LTE/EPC网络演进？如何更好地保证网络升级部署的有效性和经济性？基于上述问题，LTE的网络建设应根据需求有步骤地推进，具体可分为以下几个步骤：
步骤一：网络引入初期，新建LTE和EPC网络，小规模试点；
步骤二：网络引入中期，C网和LTE长期共存，用户逐渐向EPC迁移，实现C网和LTE互操作；
步骤三：规模部署后期，规模部署EPC网络，支持全网融合。
下面分别就三个步骤的主要举措及建设的关键问题进行分析。
3.1 新建LTE和EPC网络，小规模试点
这个阶段的LTE网络主要还处于引入的初期，组网场景以热区热点覆盖、不连续/局部连续组网为主，业务提供主要以解决热点高密度数据业务需求为主，LTE业务非连续，还需要依赖2G/3G补充。
针对此需求，核心网EPC网络的建设也主要定位于网络的引入和主要网元的初期部署。由于业务量较小，在保证网络架构可扩展的基础上，主要网元以集中部署、设备合设为原则，新建MME；新建合设的S-GW/P-GW；新建HSGW或者现网PDSN升级为HSGW支持LTE和eHRPD之间互操作；用户可采用新号段（IMSI），新建HSS和3GPP AAA，为LTE和eHRPD网络提供统一鉴权、数据管理等功能，新建CG（Charging Gateway）为LTE和eHRPD网络提供统一格式的3GPP话单，改造计费中心同时支持3GPP2话单和3GPP话单。
该阶段的网络结构如图2所示：
3.2 向EPC迁移，实现C网和LTE互操作
这个阶段的LTE网络规模随着业务需求有所扩大，逐步实现城区的连续覆盖以及2G/3G重叠覆盖、共站址。业务提供以解决城区数据业务需求为主，实现城区内LTE业务连续覆盖，并实现C网和LTE的无缝操作。
针对此需求，无线全网升级AN为eAN，支持eHRPD接入，并兼容现有3G终端；PDSN升级为HSGW或扩容新建可兼容PDSN的HSGW，完成PDSN的升级；P-GW支持HA功能，实现归属域2G/3G/4G统一的业务和计费控制。用户逐渐向HSS和3GPP AAA迁移，但原有AN-AAA和3GPP2 AAA仍保留；计费逐渐向CG迁移，但原有的3GPP2 AAA仍保留。
该阶段的网络结构如图3所示：
3.3 规模部署EPC网络，支持全网融合
这个阶段LTE网络由于业务需求因素开始全网的规模部署，组网场景为全部地区连续覆盖，并实现和3G/2G重叠覆盖、共站址，业务提供实现LTE业务体验全网一致。
针对此需求，无线网侧继续扩容eNB，eAN开始逐步退网，EPC核心网实现网关全融合，AN-AAA和3GPP2 AAA随3G用户退网而退网，并实现全网的统一计费和策略控制。
该阶段的网络结构如图4所示：
图4 规模部署后期EPC网络架构图
4 演进过程中关键技
术分析
从上一节的网络演进步骤可以看出，LTE作为新一代移动通信技术，能够提供更高的用户速率、更低的时延、更丰富的业务。但LTE网络的建设必然存在一个较长的过程，在这个过程中，会存在LTE覆盖小于2G/3G网络的场景，当用户从有LTE覆盖的区域移动到没有LTE覆盖但有2G/3G网络覆盖的区域，会出现业务掉线/掉话的问题。
为确保现有移动用户良好的业务体验感知，LTE标准在制定过程中，把与现有系统间的互操作作为一个非常重要的特性来研究，并制定相应的方案。LTE和CDMA2000互操作可以从两方面来分析：分组数据业务的互操作和电路业务（主要是语音）的互操作。
4.1 LTE与CDMA网络的数据互操作
LTE和CDMA2000的数据业务互操作主要是考虑LTE和eHRPD之间的分组数据切换，通过LTE和eHRPD网络之间的数据切换，保证数据业务的连续性。数据互操作应遵循以下原则：在LTE覆盖不足的时候，需要平滑切换到eHRPD网络，以确保业务连续性；在同时有LTE和eHRPD网络覆盖时，尽量选用LTE网络，以获取更好的业务体验，同时解决CDMA2000数据容量不足的问题。
目前主要有两种切换方式：非优化切换和优化切换。非优化切换的为常规流程，其过程可以分为4个部分：eHRPD的测量、LTE连接释放、eHRPD网络搜索和锁定、eHRPD网络的连接建立。而优化切换则是通过S101接口在LTE建立一个终端和eHRPD网络的隧道，终端可以通过LTE网络与eHRPD网络进行信令交互，提前进行eHRPD网络的资源分配、建立等操作，以加快切换的速度。其过程可以分为：eHRPD网络的预登记、eHRPD的测量、通过隧道方式进行eHRPD资源分配、完成eHRPD网络的连接建立、LTE连接释放。
从现网测试来看，目前优化切换可以做到时延小于300ms，满足E2E QoS时延敏感数据业务切换需求，而非优化切换仅仅可以做到切换时延5～7s，一般用于满足BE数据业务的切换。优化切换用户体验的提升也产生了网络的复杂度，如图1所示，优化切换需要支持eAN到MME的S101接口，以及PDSN到SGW的S103接口，需要网络进行改动，增加了不同设备商之间对接的难度；而非优化切换实现简单，并且所有支持CDMA2000和LTE的双模终端都支持非优化切换方式。因此在LTE部署的初期阶段，在没有非常迫切的业务需求下，LTE和HRPD的互操作可采用非优化切换方式，在网络部署成熟和终端支持后逐步过渡到优化切换方式。
4.2 LTE与CDMA网络的语音互操作
LTE和CDMA2000的语音业务互操作需求场景相对比较简单，主要是为了确保语音业务的连续性。但从实现方式来说，由于涉及到终端的多样性，语音互操作涉及的方案远远比数据的互操作多样。对于LTE网络不部署语音业务时，语音的互操作方案主要包括CSFB和SVLTE两种；对于LTE网络部署语音业务及支持VoIP时，主要采用SRVCC方式。以下就三种互操作的方式技术做简单的介绍。
（1）CSFB
CSFB（Circuit Switched Fallback）即电路域语音回落技术，它使用的前提是LTE和CS双模终端的无线模块是单一无线模式，在使用LTE接入时，无法收/发电路域业务信号。为了使得终端在LTE接入下能够发起话音业务等CS业务，以及接收到话音等CS业务的寻呼，并且能够对终端在LTE网络中正在进行的PS业务进行正确的处理，需要引入1X CS IWS网络，与MME之间存在S102接口，与MSC之间存在A1信令接口，相当于逻辑1X BSC。当UE驻留在LTE侧时，通过1X CS IWS向MSC发起登记、语音回落等过程。
从CSFB的实现方式看，只需运营商升级现有MSC核心网而无需建立IMS网，由于对网络的改变较小，适合于在EPC早期建设阶段；当然相对于此阶段，将EPC作为高速数据业务承载与传统电路语音等业务分离管理仅仅是一个短期的过渡方案。随着EPC网络的快速建设和基于IMS的业务平台部署，很容易更新终端到网络侧的业务能力配置，从而完全过渡到使用EPC网络的能力。
（2）SVLTE
SVLTE（Simultaneous Voice and LTE）即双待手机方式，手机同时工作在LTE和CS方式下，前者提供数据业务，后者提供语音业务。这是纯粹基于手机的方案，对网络无特别要求，不需要部署IMS，缺点是手机成本高、耗电高。目前已经有CDMA 1X和LTE的双待手机，被一些CDMA运营商采用作为IMS部署之前的过渡方案。
Verizon在2010年底商用LTE，LTE网络覆盖还不完善，互操作技术在当时尚未成熟，为了快速抢占市场，就采用基于双射频系统CDMA和LTE双模终端的SVLTE技术实现语音的同步支持。
（3）SRVCC
SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity）是3GPP提出的一种VoLTE语音业务连续性方案，主要是为了解决当单射频UE在LTE/Pre-LTE网络和2G/3G CS网络之间移动时，如何保证语音呼叫连续性的问题，即保证单射频UE在IMS控制的VoIP语音和CS域语音之间的平滑切换。
SRVCC满足了语音业务的连续性，前提条件是LTE也能承载语音业务，同时跟CDMA2000 1X的语音锚定到同一个IMS网络。
SRVCC方案的实现是在IMS域增加一个实体VCC AS，用作被叫方的域选择，以及LTE VoIP到1X CS切换时媒体的转换控制。
以上三种语音互操作方案各有优劣，从用户的业务感受来说，SVLTE最好，语音和数据业务的性能互不影响，而且语音数据还可以并发；CSFB最差，不仅语音和短信会影响到LTE数据业务的中断，而且由于CSFB的终端是单天线系统，进行分组数据的非优化切换时，还会因搜索CDMA2000 1X的开销消息而导致额外的时延。从呼叫性能来说，CSFB最好，完全通过高速的LTE网络来完成起呼、寻呼等信令操作，被叫建立时长可以压缩到1.7s，远低于CDMA系统的5～7s。从对网络的影响程度来说，SVLTE和双接收单发方案最好，不需要网络的改动就可以支持，CSFB需要增加一个IWS（Interworking Solution，互操作节点）网元及其跟LTE的S102接口。语音互操作方案的具体选择，需要根据运营商的网络、终端策略而定。Verizon选择了SVLTE方案，日本的KDDI和美国的Sprint则更倾向于CSFB方案。
5 小结
目前，LTE/EPC网络的建设已经进入了快速发展的时期，随着网络部署的进行，各种各样的新问题会陆续出现。但是，网络的建设发展始终要遵循循序渐进、业务驱动的原则，根据用户的需求和现有网络的能力综合考虑新网络的引入和未来网络的演进与发展。
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作者简介
吕振华：高级工程师，毕业于北京邮电大学计算机通信专业，现任职于中国电信股份有限公司广州研究院，主要从事下一代网络技术研究及移动网络规划的相关工作。