基于SAE的核心网演进策略研究
1、概述
SAE（系统架构演进，System Architecture Evolution）是3GPP提出的，与无线网长期演进（LTE）相平行的移动核心网系统架构演进方案。SAE以IP为基础，以分组交换为核心，能够为运营商提供强有力的移动核心网解决方案，减少时延，提供更高的用户数据速率，提高系统容量和覆盖率；同时能够实现基于IP网络的现有或新接入技术的移动性的灵活配置；此外SAE架构优化了IP传输网络。SAE的这些特点能够保证它在未来发展的过程中满足移动宽带发展的需求，保障3GPP系统的竞争力。因此，SAE架构是运营商在未来发展中核心网演进的重要方向。
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
图4 现网准备阶段图
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。
（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。
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