Evolución de la Arquitectura del Sistema - Enciclopedia

Arquitectura de Evolución del Sistema (SAE) es la arquitectura de red céntrica del estándar de comunicación inalámbrica LTE del grupo de protocolos de comunicaciones móviles 3GPP.

SAE es la evolución de la Red Céntrica GPRS, pero con una arquitectura simplificada; una Red de todo IP (AIPN); soporte para redes de acceso radio de mayor ancho de banda y menor latencia (RANs); y soporte para, y movilidad entre, múltiples redes de acceso heterogéneas, incluyendo E-UTRA (interfaz de aire LTE y LTE Advanced), y sistemas heredados de 3GPP (por ejemplo GERAN o UTRAN, interfaces de aire de GPRS y UMTS respectivamente), pero también sistemas no 3GPP (por ejemplo Wi-Fi, WiMAX o CDMA2000).

Arquitectura de SAE
El SAE tiene una arquitectura plana, de todo IP, con separación de plano de control y tráfico de plano de usuario.
El componente principal de la arquitectura de SAE es el Núcleo de Paquetes Evolucionado (EPC), también conocido como Núcleo SAE. El EPC servirá como equivalente de redes GPRS (a través de los subcomponentes Mobility Management Entity, Serving Gateway y PDN Gateway).

= Núcleo de Paquetes Evolucionado (EPC) =

Los subcomponentes del EPC son:

MME (Entidad de Gestión de Movilidad)
El MME es el nodo de control clave para la red de acceso LTE. Es responsable de la paginación y etiquetado del procedimiento del estado inactivo del Equipo de Usuario (UE), incluyendo retransmisiones. Participa en el proceso de activación/desactivación del portador y también es responsable de elegir el Serving Gateway para un UE en el encadenamiento inicial y en el momento del encadenamiento intra-LTE que implica reubicación del nodo de red céntrica (CN). Es responsable de autenticar al usuario (interactuando con el Home Subscriber Server). La señalización NAS del No Access Stratum (NAS) termina en el MME y también es responsable de la generación y asignación de identidades temporales a los UE. Verifica la autorización del UE para establecerse en la red de PLMN del proveedor de servicios y aplica restricciones de itinerancia del UE. El MME es el punto de terminación en la red para el cifrado/protección de integridad de la señalización NAS y maneja la gestión de claves de seguridad. La interceptación legal de señalización también es soportada por el MME. El MME también proporciona la función de plano de control para la movilidad entre redes de acceso LTE y 2G/3G con la interfaz S3 que termina en el MME desde el SGSN. El MME también termina la interfaz S6a hacia el HSS para los UE en itinerancia.

SGW (Gateway de Servicio)
El Serving Gateway enruta y envía paquetes de datos de usuario, actuando también como ancla de movilidad para el plano de usuario durante los encadenamientos inter-eNodeB y como ancla para la movilidad entre LTE y otras tecnologías 3GPP (terminando la interfaz S4 y reenviando el tráfico entre sistemas 2G/3G y Gateway de Red de Datos de Paquetes). Para el Equipo de Usuario en estado inactivo, el Serving Gateway termina la ruta de datos descendente y desencadena la paginación cuando llega datos descendente para el Equipo de Usuario. Gestiona y almacena contextos de UE, por ejemplo, parámetros del servicio de portador IP, información de enrutamiento interno de red. También realiza la replicación del tráfico de usuario en caso de interceptación legal.

PGW (Gateway de Red de Datos de Paquetes)
El Gateway de Red de Datos de Paquetes (PDN Gateway, también PGW) proporciona conectividad desde el Equipo de Usuario (UE) a redes de datos de paquete externas (PDNs) siendo su punto de salida y entrada de tráfico. Un Equipo de Usuario puede tener conectividad simultánea con más de un Gateway de Red de Datos de Paquetes para acceder a múltiples redes de datos de paquete. El Gateway de Red de Datos de Paquetes realiza la aplicación de políticas, filtrado de paquetes para cada usuario, soporte de facturación, interceptación legal y filtrado de paquetes. Otra función clave del Gateway de Red de Datos de Paquetes es actuar como ancla para la movilidad entre tecnologías 3GPP y no 3GPP como WiMAX y 3GPP2 (CDMA 1X y EvDO).

HSS (Servidor de Suscriptor de Casa)
El Servidor de Suscriptor de Casa es una base de datos central que contiene información relacionada con el usuario y la suscripción. Las funciones del HSS incluyen gestión de movilidad, soporte para establecimiento de llamadas y sesiones, autenticación de usuario y autorización de acceso. El HSS se basa en el Registro de Localización de Casa (HLR) y Centro de Autenticación (AuC) pre-Rel-4.

ANDSF (Función de Descubrimiento y Selección de Red de Acceso)
El ANDSF proporciona información al UE sobre conectividad a redes de acceso 3GPP y no 3GPP (como Wi-Fi). El propósito del ANDSF es ayudar al UE a descubrir las redes de acceso en su entorno y proporcionar reglas (políticas) para priorizar y gestionar conexiones a estas redes.

ePDG (Gateway de Datos de Paquete Evolucionado)
La función principal del ePDG es asegurar la transmisión de datos con un UE conectado al EPC sobre acceso no confiable no 3GPP, por ejemplo, llamadas de Wi-Fi (VoWiFi). Para este propósito, el ePDG actúa como nodo de terminación de túneles IPsec establecidos con el UE.

Protocolos de No Access Stratum (NAS)
Los protocolos de No Access Stratum (NAS) forman el estrato más alto del plano de control entre el equipo de usuario (UE) y el MME. Los protocolos NAS soportan la movilidad del UE y los procedimientos de gestión de sesión para establecer y mantener conectividad IP entre el UE y un PGW. Definen las reglas para el mapeo entre parámetros durante la movilidad inter-sistema con redes 3G o redes de acceso no 3GPP. También proporcionan seguridad NAS mediante la protección de integridad y cifrado de mensajes de señalización NAS. El EPS (Sistema de Paquetes Evolucionado) proporciona al suscriptor una conectividad IP "listo para usar" y una experiencia "siempre conectada" mediante la conexión entre procedimientos de gestión de movilidad y gestión de sesión durante el procedimiento de encadenamiento del UE.

= EMM (Gestión de Movilidad EPS) =
El protocolo de Gestión de Movilidad EPS (EMM) proporciona procedimientos para el control de movilidad cuando el Equipo de Usuario (UE) utiliza la Red de Acceso Terrestre Radio Evolucionada (E-UTRAN) UMTS. También proporciona el control de seguridad para los protocolos NAS.
EMM implica diferentes tipos de procedimientos, como:

Procedimientos comunes de EMM — se pueden iniciar siempre que exista una conexión de señalización NAS. Los procedimientos que pertenecen a este tipo son iniciados por la red. Incluyen reasignación de GUTI, autenticación, control de modo de seguridad, identificación e información de EMM.
Procedimientos específicos de EMM — específicos solo para el UE. En cualquier momento solo puede ejecutarse un procedimiento específico de EMM iniciado por el UE. Los procedimientos que pertenecen a este tipo son encadenamiento y encadenamiento combinado, desencadenamiento o desencadenamiento combinado, actualización de área de seguimiento normal y actualización de área de seguimiento combinada (solo modo S1) y actualización periódica de área de seguimiento (solo modo S1).
Procedimientos de gestión de conexión de EMM — gestionan la conexión del UE con la red:
Solicitud de servicio: Iniciada por el UE y utilizada para establecer una conexión segura con la red o para solicitar la reserva de recursos para enviar datos, o ambos.
Procedimiento de paginación: Iniciado por la red y utilizado para solicitar la establishment de una conexión de señalización NAS o para prompt al UE para reencadenarse si es necesario como resultado de una falla de red.
Transporte de mensajes NAS: Iniciado por el UE o la red y utilizado para transportar mensajes SMS.
Transporte genérico de mensajes NAS: Iniciado por el UE o la red y utilizado para transportar mensajes de protocolo de otras aplicaciones.
El UE y la red ejecutan el procedimiento de encadenamiento y el procedimiento de activación de contexto de portador EPS predeterminado en paralelo. Durante el procedimiento de encadenamiento EPS, la red activa un contexto de portador EPS predeterminado. Los mensajes de gestión de sesión EPS para la activación del contexto de portador EPS predeterminado se transmiten en un elemento de información en los mensajes de gestión de movilidad EPS. El UE y la red completan el procedimiento de activación de contexto de portador EPS predeterminado combinado y el procedimiento de encadenamiento antes de que se complete el procedimiento de activación de contexto de portador EPS dedicado. El éxito del procedimiento de encadenamiento depende del éxito del procedimiento de activación del contexto de portador EPS predeterminado. Si el procedimiento de encadenamiento falla, también fallan los procedimientos de gestión de sesión ESM.

= ESM (Gestión de Sesión EPS) =
El protocolo de Gestión de Sesión EPS (ESM) proporciona procedimientos para el manejo de contextos de portador EPS. Junto con el control de portador proporcionado por el Strato de Acceso, proporciona el control de portadores de plano de usuario. La transmisión de mensajes ESM se suspende durante los procedimientos de EMM, excepto durante el procedimiento de encadenamiento.
Portador EPS:
Cada contexto de portador EPS representa un portador EPS entre el UE y un PDN. Los contextos de portador EPS pueden permanecer activados incluso si los portadores radio y S1 que constituyen los correspondientes portadores EPS entre UE y MME se liberan temporalmente. Un contexto de portador EPS puede ser o bien un contexto de portador EPS predeterminado o un contexto de portador EPS dedicado. Un contexto de portador EPS predeterminado se activa cuando el UE solicita una conexión a un PDN. El primer contexto de portador EPS predeterminado se activa durante el procedimiento de encadenamiento EPS. Además, la red puede activar uno o varios contextos de portador EPS dedicados en paralelo.
Generalmente, los procedimientos de ESM solo se pueden realizar si se ha establecido un contexto de EMM entre el UE y el MME, y el intercambio seguro de mensajes NAS se ha iniciado por el MME mediante los procedimientos de EMM. Una vez que el UE se ha encadenado con éxito, el UE puede solicitar al MME que establezca conexiones a PDNs adicionales. Para cada conexión adicional, el MME activa un contexto de portador EPS predeterminado separado. Un contexto de portador EPS predeterminado permanece activado durante toda la vida de la conexión al PDN.
Tipos de procedimientos de ESM:
El ESM implica diferentes tipos de procedimientos, como:

Procedimientos de contexto de portador EPS — iniciados por la red y utilizados para la manipulación de contextos de portador EPS, incluyendo activación de contexto de portador EPS predeterminado, activación de contexto de portador EPS dedicado, modificación de contexto de portador EPS, desactivación de contexto de portador EPS.
Procedimientos relacionados con transacciones — iniciados por el UE para solicitar recursos, es decir, una nueva conexión de PDN o recursos de portador dedicados, o para liberar estos recursos. Incluyen procedimiento de conectividad de PDN, procedimiento de desconexión de PDN, procedimiento de asignación de recursos de portador, procedimiento de modificación de recursos de portador.
El MME mantiene información de contexto de EMM y contexto de portador EPS para los UE en los estados ECM-IDLE, ECM CONNECTED y EMM-DEREGISTERED.

Piloto de EPC
El piloto de EPC consta de:

Protección de datos y servicios de voz en el EPC
El EPC es una red céntrica de paquete. No tiene un dominio de conmutación de circuito, que se utiliza tradicionalmente para llamadas telefónicas y SMS.

= Soporte para servicios de voz en el EPC =
3GPP especificó dos soluciones para la voz:

IMS: Una solución para la Voz sobre IP de IMS se especificó en Rel-7.
Fallback de conmutación de circuito (CSFB): para hacer o recibir llamadas, el UE cambia su tecnología de acceso radio de LTE a una tecnología 2G/3G que admite servicios de conmutación de circuito. Esta función requiere cobertura 2G/3G. Se requiere una nueva interfaz (denominada SGs) entre el MME y el MSC. Esta función se desarrolló en Rel-8.

= Soporte para servicios de SMS en el EPC =
3GPP especificó tres soluciones para SMS:

IMS: Una solución para SMS sobre IP se especificó en Rel-7.
SMS sobre SGs: esta solución requiere la interfaz SGs introducida durante el trabajo en CSFB. Los SMS se entregan en el No Access Stratum sobre LTE. No hay cambio de sistema inter-sistema para enviar o recibir SMS. Esta función se especificó en Rel-8.
SMS sobre SGd: esta solución requiere la interfaz Diameter SGd en el MME y entrega SMS en el No Access Stratum sobre LTE, sin requerir señalización completa ni el MSC heredado que realiza CSFB, ni la sobrecarga asociada con la señalización IMS y la gestión de portador EPS asociada.
CSFB y SMS sobre SGs se consideran soluciones interinas, la solución a largo plazo siendo IMS.

Redes de acceso múltiples
El UE puede conectarse al EPC utilizando varias tecnologías de acceso. Estas tecnologías de acceso están compuestas por:

Accesos 3GPP: estas tecnologías de acceso son especificadas por el 3GPP. Incluyen GPRS, UMTS, EDGE, HSPA, LTE y LTE Advanced.
Accesos no 3GPP: estas tecnologías de acceso no son especificadas por el 3GPP. Incluyen tecnologías como cdma2000, Wi-Fi o redes fijas. El 3GPP especifica dos clases de tecnologías de acceso no 3GPP con diferentes mecanismos de seguridad:
Accesos confiables, que el operador de red considera confiables desde un punto de vista de seguridad (por ejemplo: una red cdma2000). Los accesos no 3GPP confiables se interfazan directamente con la red.
Accesos no confiables, que el operador de red no considera confiables desde un punto de vista de seguridad (por ejemplo, una conexión a través de un hotspot Wi-Fi público). Los accesos no 3GPP no confiables se conectan a la red a través de un ePDG, que proporciona mecanismos de seguridad adicionales (túneling IPsec).
Es responsabilidad del operador de red decidir si una tecnología de acceso no 3GPP es confiable o no confiable.
Es importante destacar que estas categorías de confiable/no confiable no se aplican a los accesos 3GPP.

Versiones del 3GPP
El 3GPP entrega estándares en versiones paralelas, que componen conjuntos consistentes de especificaciones y características.

Más información
Página del 3GPP sobre SAE
3GPP TS 23.401: Servicios de Radio de Paquete General (GPRS) mejorados para acceso a la Red Terrestre Radio Universal Evolucionada (E-UTRAN)
3GPP TS 23.402: Mejoras en la arquitectura para accesos no 3GPP

Ver también
LTE
Sistema de Multimedia IP
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Referencias
Informe blanco LTE: "Long Term Evolution (LTE): Una Visión Técnica" (PDF). Motorola.
Informe blanco estratégico: "Introducción al Núcleo de Paquetes Evolucionado" (PDF). Alcatel-Lucent. Archivado desde el original (PDF) el 24 de febrero de 2012.
Informe blanco técnico: "Solución de Núcleo de Paquetes Evolucionado: Innovación en el núcleo de LTE" (PDF). Alcatel-Lucent. Archivado desde el original (PDF) el 24 de febrero de 2012.
3GPP TS 32.240: Gestión de telecomunicaciones; Gestión de facturación; Arquitectura y principios de facturación. portal.3gpp.org.