基于SAE的核心网演进策略探讨

基于SAE的核心网演进策略研究

2、SAE的基本概念

2.1 SAE的架构

图1描绘了SAE系统的基本架构。系统的主要网元包括移动管理实体（MME）和服务网关（Serving Gateway）、公共数据网关（PDN Gateway）、策略和计费规则功能（PCRF）、归属用户服务器（HSS）等。其中MME和Serving Gateway是对原有PS域SGSN和GGSN功能的归并和重

新划分，MME和Serving Gateway实现了PS域的承载和控制相分离。

SAE架构实现了3GPP网络和非3GPP网络的接入，3GPP原有网络和非3GPP网络分别通过

Serving Gateway和PDN Gateway实现与LTE的接入。

图1 SAE体系架构图

2.2 SAE的网元功能

（1）MME：移动性管理（MME）是SAE的控制核心，主要负责非接入层（NAS）的信令疏导、加密和完整性保护、终结用户信令。对3GPP用户在 2G/3G/LTE网络中的移动性进行管理，具体包

括用户接入控制，鉴权，数据加密，业务承载控制，寻呼、切换控制等控制信令的处理。

（2）Serving Gateway：服务网关作为本地基站间切换时的锚定点，主要负责在基站和公共数据

网关（PDN Gateway）之间数据信息的传输、转发和路由，为下行数据包提供缓存，实现基于用户

的计费。

（3）PDN Gateway：公共数据网关是数据承载的锚定点，主要负责数据包的转发、解析、合法

监听、基于业务的计费、业务QoS控制，同时PDN Gateway还负责和非3GPP网络的互联。

（4）PCRF：策略和计费功能，根据用户使用的业务信息和用户签约的策略信息进行决策，确定用户业务使用和计费的策略，并下发给网关中的策略执行实体。

（5）HSS：归属用户服务器，用于存储用户签约信息。存储的信息包括：用户标识信息、用户

安全控制信息、用户位置信息、用户策略控制信息等。

2.3 SAE的主要接口

（1）S1接口：S1接口位于LTE基站和MME/Serving Gateway之间。S1接口将LTE系统划分为无线接入网和核心网。

S1接口分为控制平面接口S1－MME和用户平面接口S1－U两类，实现了承载和控制的分离。

其中S1－MME接口位于MME和LTE基站之间，实现S1 接口的无线接入承载控制和接口专用的

操作维护功能；S1－U将LTE基站和Serving Gateway相连，用于传送用户数据和相关的用户平面

控制帧。

（2）S2接口：S2接口为非3GPP网络与PDN Gateway之间的接口，基于IETF协议。当用户在

3GPP网络和非3GPP网络间漫游时使用该接口。

（3）S3接口：是MME与原有3GPP网络SGSN之间的接口，类似于传统3G中的SGSN之间

的Gn接口。

（4）S4/12接口：SGSN与Serving Gateway间的接口，类似于传统3G中SGSN与GGSN间的

Gn接口。

（5）S5接口：S5接口是Serving Gateway和PDN Gateway之间的接口，采用GTP协议。

（6）S6a接口：HSS与MME之间接口，完成用户接入认证、插入用户签约数据、对用户接入PDN进行授权，与非3GPP系统互联时对用户的移动性管理消息的认证等功能。

（7）S10接口：S10接口是MME之间的接口。在Gn/GTP－C（SGSN－SGSN）接口基础上增

加了额外的功能。S10接口是多对多接口，采用GTP协议，用于MME之间的切换。

（8）S11接口：S11接口位于MME和Serving Gateway之间。该接口基于Gn/GTP－C（SGSN

－GGSN），同时增加了额外功能，如寻呼协助等。S11接口是一对多接口。

（9）SGi接口：SGi接口类似于Gi接口，是外部分组数据网的接口，也是终端IP地址在外部数据网络的呈现点。所有3GPP范畴的终端移动性能终结都在SGi接口前处理。

2.4 SAE与当前网络架构的比较

与当前3GPP网络架构相比，SAE架构具有以下优势：

图2 当前3GPP网络架构与SAE架构的比较图

（1）控制和承载相分离，组网灵活性强

在SAE架构中，控制平面和用户平面是完全分离的，由MME负责控制平面的处理。在这种架

构下、运营商可以更加灵活地根据用户数和业务量的发展情况，来选择扩展控制平面还是扩展用

户平面，从而提高网络资源的利用率，降低建设成本。而用户平面设备可以通过适当的合并和归一

化来减少网络层次，提升网络性能。通过将用户平面设备下移至网络边缘，节省回程传输资源，

降低运维成本。

（2）网络结构扁平化，减少了网络层次

在原来的3GPP网络中，数据传输需要经过基站（Node B）、基站控制器（RNC）、SGSN、GGSN才能到达业务网络，而在SAE架构中，去掉了基站控制器节点，将其功能分配到核心网和

基站上处理。数据传输从原来经过四个节点（Node B、RNC、SGSN、GGSN）降到了只经过两个

节点（E－Node B、网关）。这种架构不但避免了对中间节点的投资，而且减少了数据传输的路径，降低了传输时延，为吞吐能力的提升奠定了基础。

（3）所有接口基于IP

SAE架构中，所有的接口均支持基于IP的协议、业务和语言，基于IP的数据连接为运营商节约

成本提供了可能。SAE支持不同的IP版本，便于不同层次的网络共享，并支持没有IP连接的终端

的IP地址配置。

SAE的ALL IP组网，充分利用了IP网高吞吐量、低成本的优势，能够降低运营商的成本，而

IP网络天然的开放性和共享性，方便运营商开展更多业务、提高网络效率，也有利于网络扩容。

（4）支持多种网络接入

SAE的体系结构是一个支持多种网络（如WCDMA/HSPA、GSM、LTE）的通用分组核心网。

对于GSM、WCDMA/HSPA系统，则通过 SGSN和演进后的核心网之间的标准接口集成到演进后

的系统中。SAE从架构上融合了不同制式的无线接口，考虑到了不同无线网络的平滑演进，有利于

保护运营商现有的投资。

3、运营商发展SAE的必要性

目前，随着技术的发展，移动宽带业务已经进入了高速发展期。在移动宽带用户中，有很大一

部分是GU用户（即GSM/UTMS用户）。运营商Flat Rate（统一价格、统一收费率）的引入吸引

了大量移动用户，而HSPA技术的普及，更使得移动数据传速率大大提升，带来了更多的新业务。Flat Rate和HSPA在为运营商招徕更多顾客，开发更多业务提供便利的同时，也导致网络流量的急

剧增加，使得运营商的HSPA网络难以支撑不断发展的用户和业务。

为了满足移动宽带业务的发展，运营商的网络体系架构必须能够满足用户速率的增加和网络容

量的需求，处理更多的网络流量、降低网络的时延、支持多种接入技术并保证网络之间平滑的切换、有效支持各种PS域业务、更能够保证QoS。

而SAE作为3GPP移动宽带网络的下一个核心网演进目标，它具备如下的能力：

（1）支持多种接入方式，包括3GPP和非3GPP方式，并充分考虑了各种网络之间的互操作性，接口开放，有利于多种接入方式的互通；

（2）支持端到端的ALL IP组网，采用扁平化网络结构，有利于提高网络吞吐能力、降低网络

建设成本，便于不同层次的网络共享；

（3）将控制平面和用户平面完全分离，提高了组网灵活性，降低了运维成本；

（4）考虑到了与现有网络的兼容方式，能够和现有的2G/3G网络互操作，便于保护运营商投资；

（5）以分组交换为内核，在提供高带宽承载的同时，能够保证系统的安全性、提高网络可靠性；

（6）具备自组织能力，能够实现网络的自配置、自检测、自愈合，有助于提高管理和运营的效率。

SAE的这些能力表明它能够满足移动宽带网络发展对核心网的种种需求，在保障运营商的网络

能力的同时，更降低运营成本。因此，SAE已成为核心网演进的重要方向。

4、核心网面向SAE的演进策略

4.1 演进思路

融合组网是网络演进的最终方向。通过融合组网，不同的接入网之间能够动态共享有限的网络

处理能力，在用户迁移过程中能降低网络建设的成本。网元类型的减少，接口的统一维护也有利

于减少运营商网络维护的成本，同时也减少了网元之间的信令交互，提高了处理能力，提升了漫游

和切换的性能。

SAE架构的提出，为运营商网络的演进指明了方向。运营商可以从自身网络实际出发，实现

LTE的SAE架构小范围的试点，逐步推进3G核心网的扁平化，继而实现SAE架构和原有2G/3G

架构的融合，形成2G/3G/LTE融合的统一的核心网，最后在SAE架构的基础上，融合其它接入技术，实现全面融合的目标。

4.2 SAE演进的阶段

根据核心网演进的思路，运营商可以分以下几个阶段逐步实现核心网面向SAE架构的演进，最

终实现全面融合。

（1） LTE试点阶段

在LTE试点阶段，运营商可以选择小范围的区域（如数据业务热带地区）部署独立的SAE网络。建立自己的MME、SAE GW（Serving Gateway）以及HSS。

图3 LTE试点阶段图

（2）现网准备阶段

在现网准备阶段，对数据流量较高的区域进行现有网元面向LTE的改造，实现网络的扁平化，使得网络具备接入LTE的能力。

图4 现网准备阶段图

（3）LTE商用阶段

图5 LTE商用阶段图

原2G/3G网络经过改造后，其SGSN和GGSN分别能够具备MME和SAE GW（Serving Gateway）的功能，原2G/3G网络的HLR也能够实现HSS的功能，存储LTE用户的数据。这样在LTE商用阶段，2G、3G、LTE的基站能够直接接入现网，形成融合的网络。

（4）全面融合阶段

图6 多种网络的全面融合图

在网络全面融合阶段，SGSN与MME融合、GGSN与SAE GW（Serving Gateway）的融合、HLR与HSS的融合。实现统一用户面、统一控制面、统一用户数据、资源有效共享的，能够接入2G、3G、LTE、WiFi、 CDMA的全面融合的网络。从而达到资源的有效共享，降低运营成本，方便用户迁移提升用户使用体验。

5、总结

SAE架构是3GPP提出的LTE/SAE网络演进项目中面向核心网的演进方向，它对移动核心网的演进起着重要的作用。SAE能够支持多种类型网络的接入，支持多种计费、鉴权方式，能够提供高数据速率、大容量的网络能力，是实现网络融合、提高运营商综合竞争力的基础之一。运营商可通过有选择性地试点建设 SAE架构的核心网，改造现有网络，逐步实现LTE和现有网络的融合，最终实现多种制式网络的融合。