システムアーキテクチャの進化

System Architecture Evolution ( SAE ) は、モバイル通信プロトコル グループ3GPPのLTE無線通信規格のコア ネットワーク アーキテクチャです。

SAE はGPRS コア ネットワークの進化形ですが、アーキテクチャが簡素化され、オール IP ネットワーク (AIPN)、高スループットおよび低遅延の無線アクセス ネットワーク(RAN) のサポート、E-UTRA ( LTEおよびLTE Advancedエア インターフェイス)、3GPP レガシー システム (たとえばGERANまたはUTRAN、それぞれGPRSおよびUMTSのエア インターフェイス)、さらに非 3GPP システム (たとえばWi-Fi、WiMAX、CDMA2000 ) を含む複数の異種アクセス ネットワークのサポートとそれらの間のモビリティを備えています。

SAE は、コントロール プレーンとユーザー プレーンのトラフィックを分離したフラットなオール IP アーキテクチャを備えています。

SAE アーキテクチャの主要コンポーネントは、 SAE コアとも呼ばれるEvolved Packet Core ( EPC ) です。EPC は、GPRS ネットワークと同等の役割を果たします ( Mobility Management Entity、Serving Gateway、およびPDN Gatewayサブコンポーネント経由)。

EPCのサブコンポーネントは以下のとおりです。^{[1] [2]}

MME は、LTE アクセス ネットワークの重要な制御ノードです。アイドル モードのユーザー機器(UE) のページングとタグ付け手順 (再送信を含む) を担当します。ベアラのアクティブ化/非アクティブ化プロセスに関与し、初期接続時およびコア ネットワーク (CN) ノードの再配置を伴う LTE 内ハンドオーバー時に UE のサービング ゲートウェイを選択する役割も担います。また、ユーザーを認証する役割も担います (ホーム サブスクライバ サーバーと対話することにより)。非アクセス層(NAS) シグナリングは MME で終了し、UE への一時 ID の生成と割り当ても担当します。サービス プロバイダーの公衆陸上移動ネットワーク(PLMN) にキャンプする UE の承認を確認し、UE のローミング制限を適用します。MME は、NAS シグナリングの暗号化/整合性保護のためのネットワークの終端点であり、セキュリティ キー管理を処理します。シグナリングの合法的な傍受も MME によってサポートされます。 MME は、 SGSNから MME で終端する S3 インターフェイスを使用して、LTE と 2G/3G アクセス ネットワーク間のモビリティのための制御プレーン機能も提供します。MME は、ローミング UE 用の HSS への S6a インターフェイスも終端します。

サービング ゲートウェイは、ユーザー データ パケットをルーティングおよび転送すると同時に、eNodeB間のハンドオーバー中にユーザー プレーンのモビリティ アンカーとして、また LTE と他の 3GPP テクノロジ間のモビリティのアンカーとして機能します (S4 インターフェイスを終端し、2G/3G システムとパケット データ ネットワーク ゲートウェイ間のトラフィックを中継します)。アイドル状態のユーザー機器の場合、サービング ゲートウェイはダウンリンク データ パスを終端し、ダウンリンク データがユーザー機器に到着するとページングをトリガーします。サービング ゲートウェイは、IP ベアラ サービスのパラメータ、ネットワーク内部ルーティング情報などの UE コンテキストを管理および保存します。また、合法的な傍受の場合に備えて、ユーザー トラフィックのレプリケーションも実行します。

パケット データ ネットワーク ゲートウェイ (PDN ゲートウェイ、PGW とも呼ばれる) は、トラフィックの出入り口となることで、ユーザー機器 (UE) から外部パケット データ ネットワーク (PDN) への接続を提供します。1 台のユーザー機器は、複数のパケット データ ネットワークにアクセスするために、複数のパケット データ ネットワーク ゲートウェイに同時に接続できます。PDN ゲートウェイは、ポリシーの適用、各ユーザーのパケット フィルタリング、課金サポート、合法的傍受、およびパケット スクリーニングを実行します。パケット データ ネットワーク ゲートウェイのもう 1 つの重要な役割は、3GPP と、WiMAX や3GPP2 (CDMA 1X およびEvDO )などの非 3GPP テクノロジ間のモビリティのアンカーとして機能することです。

ホームサブスクライバー サーバーは、ユーザー関連およびサブスクリプション関連の情報を含む中央データベースです。HSS の機能には、モビリティ管理、通話およびセッション確立サポート、ユーザー認証、アクセス許可などがあります。HSS は、リリース 4 以前のホーム ロケーション レジスタ(HLR) と認証センター(AuC) に基づいています。

ANDSFは、 3GPP および非 3GPP アクセス ネットワーク (Wi-Fi など) への接続に関する情報を UE に提供します。ANDSF の目的は、UE が近隣のアクセス ネットワークを検出できるように支援し、これらのネットワークへの接続を優先順位付けして管理するためのルール (ポリシー) を提供することです。

ePDG の主な機能は、Wi-Fi 通話( VoWiFi )などの信頼できない非 3GPP アクセスを介して EPC に接続された UE とのデータ伝送を保護することです。この目的のために、ePDG はUE と確立された IPsecトンネルの終端ノードとして機能します。

非アクセス層（NAS）プロトコルは、ユーザー機器（UE）とMME間の制御プレーンの最上位層を形成します。^[3] NASプロトコルは、UEのモビリティと、UEとPDN GW間のIP接続を確立および維持するためのセッション管理手順をサポートします。3Gネットワ​​ークまたは非3GPPアクセスネットワークとのシステム間モビリティ中のパラメータ間のマッピングのルールを定義します。また、NASシグナリングメッセージの整合性保護と暗号化によってNASセキュリティも提供します。EPS（Evolved Packet System）は、UEアタッチ手順中にモビリティ管理とセッション管理手順をリンクすることにより、加入者に「すぐに使用できる」IP接続と「常時接続」エクスペリエンスを提供します。

完全な NAS トランザクションは、EPS モビリティ管理 (EMM) および EPS セッション管理 (ESM) プロトコルを使用した特定の基本手順のシーケンスで構成されます。

EPS (Evolved Packet System) モビリティ管理 (EMM) プロトコルは、ユーザー機器 (UE) が Evolved UMTS 地上無線アクセス ネットワーク (E-UTRAN) を使用する際のモビリティを制御する手順を提供します。また、NAS プロトコルのセキュリティ制御も提供します。

EMM には、次のようなさまざまな種類の手順が含まれます。

• EMM 共通手順— NAS シグナリング接続が存在する間は常に開始できます。このタイプに属する手順は、ネットワークによって開始されます。これには、GUTI 再割り当て、認証、セキュリティ モード制御、識別、EMM 情報が含まれます。
• EMM 固有の手順— UE のみに固有です。UE が開始する EMM 固有の手順は、常に 1 つだけ実行できます。このタイプに属する手順は、アタッチと複合アタッチ、デタッチまたは複合デタッチ、通常のトラッキング エリア更新と複合トラッキング エリア更新 (S1 モードのみ)、および定期的なトラッキング エリア更新 (S1 モードのみ) です。
• EMM 接続管理手順- UE とネットワークの接続を管理します。
  • サービス要求: UE によって開始され、ネットワークへの安全な接続を確立するため、またはデータを送信するためのリソース予約を要求するため、あるいはその両方に使用されます。
  • ページング手順: ネットワークによって開始され、NAS シグナリング接続の確立を要求するため、またはネットワーク障害の結果として必要に応じて UE に再接続を促すために使用されます。
  • NAS メッセージの転送: UE またはネットワークによって開始され、SMS メッセージの転送に使用されます。
  • NAS メッセージの汎用トランスポート: UE またはネットワークによって開始され、他のアプリケーションからのプロトコル メッセージを転送するために使用されます。

UE とネットワークは、アタッチ手順と、デフォルトの EPS ベアラ コンテキスト アクティベーション手順を並行して実行します。EPS アタッチ手順中に、ネットワークはデフォルトの EPS ベアラ コンテキストをアクティベートします。デフォルトの EPS ベアラ コンテキスト アクティベーションの EPS セッション管理メッセージは、EPS モビリティ管理メッセージの情報要素で送信されます。UE とネットワークは、専用の EPS ベアラ コンテキスト アクティベーション手順が完了する前に、結合されたデフォルトの EPS ベアラ コンテキスト アクティベーション手順とアタッチ手順を完了します。アタッチ手順が成功するかどうかは、デフォルトの EPS ベアラ コンテキスト アクティベーション手順が成功するかどうかに依存します。アタッチ手順が失敗すると、ESM セッション管理手順も失敗します。

EPS セッション管理 (ESM) プロトコルは、EPS ベアラ コンテキストの処理手順を提供します。アクセス層によって提供されるベアラ制御とともに、ユーザー プレーン ベアラの制御を提供します。アタッチ手順を除き、EMM 手順中は ESM メッセージの送信は中断されます。

EPS ベアラー: 各 EPS ベアラー コンテキストは、UE と PDN 間の EPS ベアラーを表します。EPS ベアラー コンテキストは、UE と MME 間の対応する EPS ベアラーを構成する無線ベアラーと S1 ベアラーが一時的に解放された場合でも、アクティブのままにすることができます。EPS ベアラー コンテキストは、デフォルト ベアラー コンテキストまたは専用ベアラー コンテキストのいずれかになります。デフォルト EPS ベアラー コンテキストは、UE が PDN への接続を要求したときにアクティブになります。最初のデフォルト EPS ベアラー コンテキストは、EPS アタッチ手順中にアクティブになります。さらに、ネットワークは 1 つまたは複数の専用 EPS ベアラー コンテキストを並行してアクティブ化できます。

一般的に、ESM 手順は、UE と MME の間で EMM コンテキストが確立され、EMM 手順を使用して MME によって NAS メッセージの安全な交換が開始された場合にのみ実行できます。UE が正常に接続されると、UE は MME に追加の PDN への接続を設定するように要求できます。追加接続ごとに、MME は個別のデフォルト EPS ベアラ コンテキストをアクティブ化します。デフォルト EPS ベアラ コンテキストは、PDN への接続の存続期間中アクティブのままです。

ESM 手順の種類: ESM には、次のようなさまざまな種類の手順が含まれます。

• EPS ベアラー コンテキスト手順— ネットワークによって開始され、デフォルトの EPS ベアラー コンテキストのアクティブ化、専用 EPS ベアラー コンテキストのアクティブ化、EPS ベアラー コンテキストの変更、EPS ベアラー コンテキストの非アクティブ化を含む EPS ベアラー コンテキストの操作に使用されます。
• トランザクション関連の手順— UE によって開始され、リソース (新しい PDN 接続または専用ベアラ リソースなど) を要求したり、これらのリソースを解放したりします。これには、PDN 接続手順、PDN 切断手順、ベアラ リソース割り当て手順、ベアラ リソース変更手順が含まれます。

MME は、ECM-IDLE、ECM CONNECTED、および EMM-DEREGISTERED 状態の UE の EMM コンテキストおよび EPS ベアラ コンテキスト情報を維持します。

MME プロトコル スタックは次の要素で構成されます。

1. eNodeBとのS1-MMEインターフェースをサポートするS1-MMEスタック
2. Serving GatewayとのS11インターフェースをサポートするS11スタック

MME は、eNodeB との S1 インターフェイスをサポートします。統合された S1 MME インターフェイス スタックは、IP、SCTP、S1AP で構成されます。

• SCTP (Stream Control Transmission Protocol) は、インターネット プロトコル (IP) のサービスを使用して、S1AP などのアダプテーション モジュールに信頼性の高いデータグラム配信サービスを提供する一般的なトランスポート プロトコルです。SCTP は、既存の IP フレームワーク上で、信頼性が高く順序付けられた配信を提供します。SCTP が提供する主な機能は次のとおりです。
  • アソシエーションのセットアップ: アソシエーションは、TCP 接続と同様に、データ転送のために 2 つのエンドポイント間でセットアップされる接続です。SCTP アソシエーションは、各エンドに複数のアドレスを持つことができます。
  • 信頼性の高いデータ配信: ストリームで順序付けられたデータを配信します (ヘッドオブライン ブロッキングの排除): SCTP は、他の方向のデータ チャンクをブロックすることなく、複数の一方向ストリームで順序付けられたデータ配信を保証します。
• S1AP (S1 アプリケーション パート)は、SAE ベアラ管理機能、初期コンテキスト転送機能、UE のモビリティ機能、ページング、リセット機能、NAS シグナリング トランスポート機能、エラー報告、UE コンテキスト解放機能、ステータス転送などの S1 インターフェイス機能を実現する、E-UTRAN と Evolved Packet Core (EPC) 間のシグナリング サービスです。

MME は、サービング ゲートウェイとの S11 インターフェイスをサポートします。統合された S11 インターフェイス スタックは、IP、UDP、eGTP-Cで構成されます。

SGWは

1. MMEとのS11インターフェースをサポートするS11コントロールプレーンスタック
2. PGWとのS5/S8インターフェースをサポートするS5/S8制御およびデータプレーンスタック
3. eNodeB との S1 ユーザー プレーン インターフェイスをサポートする S1 データ プレーン スタック
4. UMTS の RNC と eNodeB の SGW 間の S4 ユーザー プレーン インターフェイスをサポートする S4 データ プレーン スタック
5. Sxa: 3GPP Rel.14 以降、Sx インターフェイスと関連するPFCPプロトコルが SGW に追加され、SGW-C と SGW-U 間の制御ユーザー プレーンの分離が可能になりました。

SGW は、MME との S11 インターフェイスと PGW との S5/S8 インターフェイスをサポートします。これらのインターフェイスの統合コントロール プレーン スタックは、IP、UDP、eGTP-Cで構成されます。

SGW は、eNodeB との S1-U インターフェイスと、PGW との S5/S8 データ プレーン インターフェイスをサポートします。これらのインターフェイスの統合データ プレーン スタックは、IP、UDP、eGTP-Uで構成されます。

P-GW でサポートされる主なインターフェースは次のとおりです。

1. S5/S8: このインターフェイスは、S-GW と P-GW の間で定義されます。S-GW と P-GW が同じネットワーク内にある場合 (非ローミング シナリオ) は S5 と名付けられ、S-GW が訪問先ネットワークにあり、P-GW がホーム ネットワーク内にある場合 (ローミング シナリオ) は S8 と名付けられます。S5 /S8 インターフェイスでは、eGTP-CおよびGTP-Uプロトコルが使用されます。
2. Gz: このインターフェイスは、P-GW がオフライン課金システム (OFCS) と通信するために使用され、主にポストペイド ユーザーの課金データ レコード(CDR) をFTP経由で送信します。
3. Gy: このインターフェイスは、P-GW がオンライン課金システム(OCS) と通信するために使用されます。P-GW は、プリペイド ユーザーのペイロードを課金システムにリアルタイムで通知します。Gyインターフェイスでは、 Diameterプロトコルが使用されます。
4. Gx: このインターフェイスは、P-GW がポリシーおよび課金ルール機能(PCRF) と通信してポリシーおよび課金ルール (PCC) ルールを処理するために使用されます。これらのルールには、課金関連情報と、ベアラ確立で使用されるサービス品質(QoS) パラメータが含まれます。Gx インターフェイスではDiameterプロトコルが使用されます。
5. SGi: このインターフェースは、P-GW と外部ネットワーク (インターネット アクセス、企業アクセスなど) の間で定義されます。
6. Sxb: 3GPP Rel.14 以降、Sx インターフェイスと関連するPFCPプロトコルが PGW に追加され、PGW-C と PGW-U 間の制御ユーザー プレーンの分離が可能になりました。

EPC はパケットのみのコア ネットワークです。従来、電話やSMSに使用されていた回線交換ドメインはありません。

3GPP は音声に関して 2 つのソリューションを指定しました。

• IMS : IMS Voice over IPのソリューションはRel-7 で指定されました。
• 回線交換フォールバック (CSFB) : 通話を発信または受信するために、UE は無線アクセス技術をLTEから回線交換サービスをサポートする 2G/3G 技術に変更します。この機能には 2G/3G カバレッジが必要です。MME とMSCの間に新しいインターフェイス (SG と呼ばれる)が必要です。この機能は、Rel-8 で開発されました。

3GPP は SMS に対して 3 つのソリューションを指定しました。

• IMS : IP 経由の SMS のソリューションは Rel-7 で指定されました。
• SG 経由の SMS : このソリューションには、CSFB の作業中に導入された SG インターフェイスが必要です。SMS は、 LTE 経由の非アクセス層で配信されます。SMS の送受信にシステム間の変更はありません。この機能は、Rel-8 で指定されました。
• SGd 経由の SMS : このソリューションは、MME で SGd Diameter インターフェイスを必要とし、CSFB を実行する従来の MSC の完全なシグナリングや、IMS シグナリングおよび関連する EPC ベアラ管理に関連するオーバーヘッドを必要とせずに、LTE 経由の非アクセス層で SMS を配信します。

CSFBとSG経由のSMSは暫定的な解決策と考えられており、長期的にはIMSが採用される。^[4]

UE は、いくつかのアクセス テクノロジを使用して EPC に接続できます。これらのアクセス テクノロジは次のもので構成されています。

• 3GPP アクセス: これらのアクセス テクノロジーは3GPPによって規定されており、GPRS、UMTS、EDGE、HSPA、LTE、LTE Advancedが含まれます。
• 非 3GPP アクセス: これらのアクセス テクノロジは3GPPで指定されていません。これには、 cdma2000、WiFi 、固定ネットワークなどのテクノロジが含まれます。3GPP は、異なるセキュリティ メカニズムを備えた 2 つのクラスの非 3GPP アクセス テクノロジを指定します。
  • 信頼できるアクセス。ネットワーク オペレータがセキュリティの観点から信頼できると見なすアクセスです (例: cdma2000ネットワーク)。信頼できる非 3GPP アクセスは、ネットワークと直接インターフェイスします。
  • 信頼できないアクセス。ネットワーク オペレータがセキュリティの観点から信頼できないと判断したアクセスです (たとえば、パブリック WiFi ホットスポット経由の接続)。信頼できない非 3GPP アクセスは、追加のセキュリティ メカニズム ( IPsecトンネリング) を提供する ePDG を介してネットワークに接続されます。

3GPP 以外のアクセス テクノロジが信頼できるか信頼できないかを決定するのは、ネットワーク オペレータの責任です。

これらの信頼できる/信頼できないカテゴリは 3GPP アクセスには適用されないことに注意してください。

3GPP は、一貫した仕様と機能のセットを構成する標準を並行してリリースします。

• SAE に関する 3GPP ページ
• 3GPP TS 23.401: 進化型ユニバーサル地上無線アクセスネットワーク (E-UTRAN) アクセスのための汎用パケット無線サービス (GPRS) の拡張
• 3GPP TS 23.402: 非3GPPアクセスのアーキテクチャ拡張

• LTE
• IP マルチメディア サブシステム

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• LTE ホワイト ペーパー: 「Long Term Evolution (LTE): 技術概要」(PDF)。Motorola。
• 戦略ホワイト ペーパー: 「Evolved Packet Core の概要」(PDF) 。Alcatel-Lucent。2012年 2 月 24 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
• 技術ホワイト ペーパー: 「進化したパケット コア ソリューション: LTE コアのイノベーション」(PDF) 。Alcatel-Lucent。2012年 2 月 24 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
• 3GPP TS 32.240: 通信管理、課金管理、課金アーキテクチャと原則。portal.3gpp.org。