1.1 4G网络概念#

• 早期核心网也称为PS（package switching 分组交换），以SAE（系统架构演进 system architecture evolution）作为PS网络核心网工作项目并向4G演进；
• LTE（长期演进 Long Term Evolution） 无线接口部分项目4G网络的演进。
• EPC（4g 核心网 evolved packet core）作为SAE的研究对象；E-UTRAN（演进的UMTS陆地无线接入网络 evolved umts terrestrial radio access network）则作为LTE的研究对象。

1.2 演进过程#

1. 扁平化：从SGSN（Serving GeneralPacketRadioService Support Node）到MME，接入只需要一个节点，且该节点只处理信令流程，转控分离。
2. IP化：除空口以外的接口均使用IP协议。
3. 共存：与2/3G或非3GPP网络还会长时间共存。

扁平化网络架构同时带来了风险更为集中的特点，如更多的信令交互、对网络的可靠性要求更高。

1.3 EPC网元#

EPC包含的网元，简单概括下定位和功能。

1. eNodeB（evolved Node B）：

   • 定位：4G网络的无线接入节点，负责与用户设备进行无线通信。
   • 功能：无线资源管理、上下行数据分类与 QoS 执行、空口数据压缩与加密；与 MME 完成信令处理，与 S-GW 完成用户面数据转发。

2. MME（mobile management entity）：

   • 定位：EPC核心网的控制面核心，负责移动用户的移动管理。
   • 功能：移动性管理、用户上下文与状态管理、分配用户临时身份标识；统一协调内部（Intra System）和外部（Inter System）切换。

3. HSS（home subscriber server）：

   • 定位：用户签约数据中心，类似 2G/3G 的 HLR 网元。
   • 功能：存储 LTE 用户的签约与鉴权信息，提供用户签约管理和位置管理；在 4G 网络中通常与 2G/3G 的 HLR 融合部署。

4. SGW（serving gateway）：

   • 定位：EPC 的用户面锚点，终结 E-UTRAN 方向的接口。
   • 功能：负责用户在不同接入技术间移动时的用户面数据交换，屏蔽 3GPP 内部接入网络的接口差异。

5. PGW（packet data network gateway）：

   • 定位：EPC 与外部 PDN（分组数据网络，如互联网）的网关，终结 SGi 接口。
   • 功能：作为 3GPP 与非 3GPP 接入网络的用户锚点，一个终端可同时通过多个 P-GW 访问多个 PDN。

6. PCRF（policy control function）：

   • 定位：EPC 的策略控制中心。
   • 功能：完成动态 QoS 策略控制和基于流的计费控制；提供基于用户签约的授权控制。P-GW 识别业务流后通知 PCRF，PCRF 下发规则决定业务可用性与 QoS。

1.4 EPC网络协议#

全面IP化使得网络协议架构变得明显且好理解，EPC网络协议图： 这里简单记录下作用，字段后面再说。

1. MME和ENB S1接口 S1AP ，用于MME和ENB之间完成无线资源管理、移动性管理等。
2. MME和HSS S6a接口 PGW和PCRF Gx接口 Diameter ，用于MME和HSS之间传递签约信息、PGW和PCRF之间传递策略信息，diameter的AVP能够携带大量信息。

大多数情况下diameter都使用SCTP进行传输，避免TCP的拥塞。

3. SGW和PGW S5/S8接口控制面 GTPv2（GTP-C） ，控制面协议，用于维护GTP-U的隧道。
4. UE数据面 S1U SGW和PGW S5/S8接口数据面 GTPv1（GTP-U） ，数据面协议，基于UDP，保证功能的情况下减小开销。

1.4 EPC网络的业务#

与传统有线网络不同，无线移动网由于需要考虑到无线资源，在信令面和数据面可以看作有两套协议栈。 UE-MME的控制面协议栈：

UE-MME的数据面协议栈：

EPC业务可大致分为：

1. 公众应用
   • 普通用户的上网业务
2. 行业应用
   • 行业需求，如IoT、POS机等
3. 语音应用，在这存在四种方案
   • SVLTE simultaneous voice and LTE 即单卡双待，能够同时在2/3G和4G中进行业务
   • CSFB CS fall back 电路域回落 进行语音业务时回落到2/3G网络，需要4G网络在建立语音链接时参与
   • VoLTE voice over LTE 基于IMS来提供语音业务，配合SRVCC single radio voice call continuity 来保证从4G到2/3G的语音业务连续性。
   • OTT over the top 通过互联网提供语音业务，如微信语音、抖音语音等。

2.1 状态#

由于空口资源和终端资源的限制，EPC定义了EMM（EPC mobile management ）、ECM（EPC connection management）和RRC(radio resource control)三种状态。

1. RRC状态：RRC-IDLE 和 RRC-CONNECTED
2. EMM状态：EMM-DEREGISTERED 和 EMM-REGISTERED
3. ECM状态：ECM-IDLE 和 ECM-CONNECTED 三种状态关系：

EMM-REGISTERED只会出现在附着的情况下。

EMM和ECM的状态转换都由流程来触发，如ECM状态可由RRC状态或S1链接状态触发转换。

2.2 附着流程#

附着流程是最重要的流程之一，逐步说太多了，简化下比较好理解。
附着流程简化图如下，红色内容为流程中比较重要的字段：

这张图不涉及到新旧MME的切换流程和旧session的释放流程，简单来说就是这几步：

1. ue向enb发起附着请求，enb透传该消息到MME
2. MME向HSS发起鉴权请求，然后将HSS返回的鉴权信息发到UE
3. 收到UE回复的鉴权响应后，MME向HSS发update location携带UE相关信息，HSS返回鉴权结果等信息，包含默认的签约信息
4. MME根据attach中携带内容向SGW发起session建立（EPS 承载）请求，之后SGW向PGW发起create session request
5. 如果有部署动态规则，PGW则会向PCRF获取对应的策略信息CCR消息，否则使用本地默认策略
6. PCRF授权并返回决策CCA消息
7. PGW创建一个EPS承载，并生产一个chargingid，并向SGW返回create session response
8. SGW向MME返回create session response，包含pdn地址、SGWu地址等隧道信息。
9. MME向enb发送attach accept消息，请求建立无线空口资源
10. enb向ue发送RRC消息分配空口资源，并携带attach accept，之后ue回复携带attach complete消息
11. 此时UE获得了APN地址并可以通过enb向SGW发送上行数据包，通过modify bearer request消息来动态调整承载QoS、速率、隧道等参数

结合报文看更为清晰（这里没有PCRF的流程）：

2.3 承载#

• UE到外部PDN的IP链接被称为EPS承载。
• EPS承载不仅定义终端地址，还定义QoS等参数、S5/S8接口GTP层的TEID信息等。

两种承载：

• GBR（Guaranteed Bit Rate）承载 ：业务不低于该保证速率带宽。
• NonGBR（NonGuaranteed Bit Rate）承载 ：空闲时，业务速率可以上升到该速率；资源紧张时可能会低于该值。

Qos与承载关系：

• 默认QoS中速率控制只能是NonGBR
• 专有承载的QoS控制可以是NonGBR或GBR，但通常为GBR

EPS承载由三部分组成，包括 无线承载 S1承载 和 S5/S8承载;
无线承载 和 S1承载 合起来被称为 eRAB（eRadio Access Bearer），eRAB的建立成功率为重要指标。

2.4具体流程分解#

按书中将附着流程分为5个部分，这里还是根据书和自己的抓包来吧，全是文字流程能看下去的也是神人了。

1. 初始请求阶段
2. 鉴权和安全阶段
3. 更新位置阶段
4. 网元和拓扑选择
5. 会话和承载建立阶段

1
UE → MME：附着请求
2
MME → HSS：请求鉴权向量
3
HSS → MME：返回鉴权向量 (AV)
4
MME → UE：鉴权请求 (RAND+AUTN)
5
UE → MME：鉴权响应 (RES)
6
MME 对比 RES = XRES → 鉴权成功
7
之后便是NAS加密

3.1 位置标识#

1. 2/3G 位置区 LAI

• 地理位置相近、终端移动频繁的多个小区划分到一个位置区。
• 终端在空闲态下发生小区切换，若在这个位置区里则不会通知网络。
• 终端到达新小区后，若位置区改变，则通知网络更新位置区信息。 LAI标识组成：

RAI：Routing Area Identity，通过加上两位RAC组成，RAI是空闲态PS寻呼终端的范围

2. 4G/5G 跟踪区标识 TAI

1
TAI = MCC + MNC + TAC
2
      │    │     │
3
      │    │     └── 跟踪区码（Tracking Area Code）
4
      │    └──────── 移动网络码（Mobile Network Code）
5
      └───────────── 移动国家码（Mobile Country Code）

• 多个TAI组成一个 TA list
• TA list通过attach accept/tau accept下发终端
• 终端在进入到ta list之外的跟踪区时才会发起TAU流程

3.2 TAU 流程#

当UE移动到新的TA list时，需要发起TAU流程。

以MME + SGW 改变TAU流程为例：

1. UE触发TAU请求
2. NEW MME从 OLD MME（old mme地址由FQDN解析得出）获取UE的上下文（context），发送context request消息（包含EPS承载上下文 MME上下文 SGW信令面地址和TEID PGW FQDN等）
3. 安全流程，和附着相同，HSS校验UE合法性
4. 承载切换，MME根据终端上报的的信息构建 TAC FQDN 来解析可用的SGW列表，再根据PGW FQDN选择SGW
5. NEW mme发起位置更新，将NEW MME ID注册到HSS

• TAU accept包含新的TA list，如果同时携带了GUTI，UE需要给MME返回TAU complete
• TAU accept携带了T3412计时器，用于周期性更新，让终端能够定期向网络汇报状态

3.3 Service Request#

Service Request（业务请求）流程是UE在ECM-IDLE状态下，需要恢复数据传输时触发的流程。其核心目的是将UE从ECM-IDLE状态转换到ECM-CONNECTED状态，重建无线承载和S1-U用户面承载。

• UE触发：上行有数据待发送、上行信令待处理（如TAU、Detach）
• 网络触发：MME收到下行数据通知，需要寻呼UE

Service Request 流程：

1. 网络侧触发（S5承载保留）

• -> paging寻呼终端
• -> 终端发起service request
• -> MME 发送context setup request携带SGW S1和TEID到eNodeB
• -> 无线承载建立
• -> modify bearer request携带eNB S1用户面地址和TEID到SGW

service request流程如图所示：

2. UE触发 终端直接发起service request即可。

3.4 Handover流程#

Handover（切换）是连接态下的流程。当UE在eNodeB之间移动时，为保证数据连接的连续性，由eNodeB主导将UE的服务从源eNodeB转移到目标eNodeB。

Handover和TAU的区别：

Handover的两种切换方式

4.1 基于UE能力选择网关#

具有4G能力的UE在2/3G网络时一定需要选择融合了GGSN和PGW能力的网关。

• 网关不具备融合能力，在2/3G切换到4G时，PGW不会存在相关的承载信息