LTE

      Az LTE (Long Time Evolution - Hosszú távú fejlődés) és az EPC (Evolved Packet Core network) a legújabb mobilkommunikációs technológia (negyedik generációs szabvány), ami jelenleg is folyamatosan terjeszkedik.

Tulajdonképpen a GSM (Global System for Mobile Communications) és az UMTS (Universal Mobile Telecommunication Systems) technológiák továbbfejlesztett szabványa. A 3GPP (3rd Generation Partnership Project) keretében az LTE jelenti a hangszolgáltatás véglegesítését, a több szolgáltatást nyújtó (multi-service) felület részeként. Az UMTS-nek vagy a GPRS-EDGE-nek (General Packet Radio Service - Enanched Data rate for Global Evolution) is ugyanez volt a fő célkitűzése, ám az LTE ezt úgy ért el, hogy a csomagkapcsolású szolgáltatásokra alapozta rádiós technológiáját és nem áramkörkapcsolásra, mint a többi technológia. Az LTE mint rádiós technológia, azaz fizikai réteg és a SAE (System Architecture Evolution) mint maghálózat, együtt alkotja az EPC-t, (Evolved Packet Core) úgy a maghálózatban, mint a rádiós hálózatban.


A SAE rendszer a 3GPP szabványból

      A rádiós interfészek fejlesztésével lépést kellett tartsanak a rendszerek architektúrái is, ezért előbb a szolgáltatásokat kell optimizálni és csak ezután a rádiós interfészeket.
      A HSPA technológiában (High Speed Packet Access) már bebizonyosodott, hogy minden rádiós funkció egyetlen helyre csoportosítható, a "node B"-be. Innentől kezdve az egész mobilhálózat architektúrája "laposabb", azaz a telefonhívás útvonala sokkal kevesebb csomópontot érint és sokkal kevesebb adatfeldolgozással jár.
      A SAE a következő kirtériumokat teljesítette:

• a csomagkapcsolású szolgáltatások optimizálása: nincs többé szükség az áramkörkapcsolásra
• nagyobb teljesítményre való optimizálás: a végső felhasználók nagyobb adatsebességget kaphatnak
• A hordozó (bearer) telepítésére és aktiválására szánt válaszidő javítása
• kisebb csomagkésés
• a rendszer egészében egyszerűbb legyen, mint a 3GPP, vagy egyéb jelenlegi celluláris rendszer
• az együttműködés optimizálása a többi 3GPP típusú hálózattal
• az együttműködés optimizálása a többi vezeték-nélküli hálózattal

Ezek kritériumok szükségessé teszik a lapos architektúrát. Minél kevesebb a hívásban résztvevő csomópont, annál kisebb a késés és annál jobb teljesítmény érhető el. A fejlődés ebbe az irányba már a 3GPP szabvány 7. kiadásában elkezdődött (jelenleg a 14-nél tartunk). A "Direct Tunneling" optimizációs módszer lehetővé tette, hogy a "User Plane" szintje az architektúrának kihagyja az SGSN (Serving GPRS Support Node) csomópontot, valamint hogy az RNC (Radio Network Controller) funkciókat a Node B-be pakolja. A következő ábra az evolúció lépéseit mutatja, amiből kiderül, hogyan értünk el a SAE architektúráig:

Néhány fejlesztési ötlet teljesen más irányba viszi az architektúra fejlődését. Például a különféle rádiós csomópontok együttműködésének optimizálása újabb funkciók beiktatását követeli, sőt, egyes protokollok új interfészeket is igényelnek. Habár ez megcáfolja az architektúra egyszerűségét, bizonyos esetekben mégis szükségszerű. Emiatt a 3GPP architekturális specifikációi két részre szakadnak:

1. Fejlesztett GPRS az E-UTRAN (Evolved - Universal Terrestrial Radio Access Network) típusú hozzáféréshez: a 3GPP architektúráját és funkcióit írja le az E-UTRAN-al és minden egyéb 3GPP hozzáférési ponttal együtt, valamint a köztük használt együttműködési eljárásokat. Ezen csomópontok közös nevezője a GTP (GPRS Tunneling Protocol), mint mobilitási protokoll egy hálózaton belül.
2. Fejlesztett architektúra a nem 3GPP alapú hozzáféréshez: a nem 3GPP csomópontok közti együttműködéshez szükséges architektúrát és funkciókat írja le, például a CDMA2000 HRPD (High Packet Rate Data) csomópontoknak. A mobilitási lehetőséget az IETF típusú protokollok biztosítják, mint például a MIP (Mobile Internet Protocol) és a PMIP (Proxy MIP). Ugyanezek a specifikációk jellemzik az E-UTRAN hálózatot is, amennyiben ehhez a protokollkörnyezethez van alkalmaztatva.

Az E-UTRAN architektúrájának konfigurációja

A fenti ábra egy olyan architektúra beállítást mutat, amelyben szerepel az E-UTRAN hozzáférési hálózat. A logikai csomópontok a köztük lévő kapcsolatokkal képviselik az alapbeállítást. Ezek minden esetben szükségesek mikor az E-UTRAN is jelen van. A mobil-eszközök tartománya, az E-UTRAN és az EPC együtt alkotják IP-kapcsolati szintet, melyet EPS-nek is neveznek (Evolved Packet System). Ennek fő feladata, hogy IP alapú kapcsolatot teremtsen és tulajdonképpen csak erre van optimizálva. A szolgáltatások az IP szint fölött vannak. Az áramkör-kapcsolású csomópontok és a még létező 3GPP interfészek nincsenek jelen az E-UTRAN-ban, sem az EPC-ben. Az IP technológia az átviteli hálózatokban is dominál, amely kifejezetten IP átvitelen alapszik. Az IMS rendszer (IP Multimedia Sub-System) jó példa a szolgáltatási infrastruktúrára, mert a szolgáltatás-kapcsolati szinten alkalmazható, az IP szint fölötti szolgáltatások biztosítására. Például a hangszolgáltatáshoz az IMS kézbesítheti a VoIP szolgáltatást az ISDN és PSTN áramkörkapcsolású hálózatoknak a Media Gateway típusú csomópontokon keresztül, melyeket irányít.
      Az E-UTRAN fejlesztése egy csomópont köré koncentrálódik, mit eNodeB-nek hívnak (envolved NodeB). Minden rádiós funkció ebben a csomópontban valósul meg. Az eNodeB végpontot jelent minden rádiós protokollnak. Az E-UTRAN, mint hálózat, egy egyszerű szövevényes hálózat (mesh) eNodeB csomópontokkal melyek az X2 interfészen csatlakoznak. Az egyik legnagyobb architekturális változás a maghálózatban az, hogy az EPC nem tartalmazza többé az áramkör-kapcsolású részt, mert nincs szüksége a hagyományos ISDN és PSTN áramkör-kapcsolású hálózatokhoz való kapcsolatra. Működésileg az EPC hasonló a már létező 3GPP csomag-kapcsolású tartományával, viszont jelentős változások vannak a funkciók elrendezését illetően, ezért a csomópontok és a teljes architektúra újnak tekinthető.
      A SAE-GW (System Architecture Evolution-GateWay) két Gateway (átjáró) kombinációját jelenti: az S-GW (Serving) és a P-GW (PDN - Packet Data Network), melyek az EPC hálózat felhasználói szintjét kezelik (UP - User Plane). Ezek együttese egyetlen SAE GW csomópontban azt jelenti, hogy csak egyetlen elrendezés létezhet, habár a szabványok mégis meghatároznak egy interfészt közöttük, valamint minden műveletet arra az esetre vonatkoztatnak, mikor a kettő külön létezik.
     Az alaprendszer és annak funkcióinak beállítása dokumentálva van a 3GPP TS 23.401-es leírásban. Ebben az az eset szerepel, mikor az S5/S8 interfész a GTP protokollt használja. Hogyha a PMIP protokollt használná, az interfészek működése kissé más lenne, mert szükség lenne a Gxc interfészre is, ami a PCRF (Policy and Charging Rules Function) és az S-GW között van. Az architekturális különbségek a TS 23.401-ben és a kiegészítő funkciók pedig a TS 23.402-es specifikációban vannak részletezve.


Logikai elemek

Felhasználói eszközök (UE - User Equipment)

      Az UE a mobilkészülékeket képviseli, ami lehet okos-telefon, adat-kártya (melyeket a 2G vagy 3G hálózatokban használnak), vagy lehet akár egy laptopba épített mobileszköz is. Az UE tartalmaz külön egy USIM modult (Universal Subscriber Identity Module), amit gyakran TE-nek is neveznek (Terminal Equipment). Az USIM tulajdonképpen egy alkalmazás, melyet az UICC okos-kártya tartalmaz (Universal Integrated Circuit Card). Az USIM feladata, hogy azonosítsa és hitelesítse a felhasználót és hogy létrehozza a titkosításra használt kulcsokat.

      Működésileg, az UE nem más mint egy platform a kommunikációs alkalmazások számára, ami jelzéseket küld az LTE/EPC hálózatnak a kommunikációs kapcsolatok létrehozására, fenntartására és felszabadítására. Ide tartoznak "Mobility Management" funkciók (például a handover) vagy azok, melyek jelentést adnak, hogy éppen hol található a mobileszköz. Az UE felhasználói felületet biztosíthat például a VoIP alkalmazásoknak.

Fejlett NodeB (eNodeB)

      Az E-UTRAN hálózatban az egyetlen csomópont létezik, az eNodeB. Ez egy rádióállomás amely minden olyan funkciót irányít ami a hálózat nem-mozgó részére vonatkozik. Ezek az állomások szétszórtan megtalálhatók a lefedettség területén. Működésileg az eNodeB hídként működik az OSI modell második szintjén (adatkapcsolati réteg - LLC és MAC), az UE és az EPC hálózat között. Feladata: a felhasználói szint (UP) adatainak titkosítása/megfejtése valamint az IP fejléc tömörítése/kicsomagolása (azzal az előnnyel, hogy nem kell a fejléc ugyanazt az adatot vagy adatszekvenciát tartalmazza).
      Az eNodeB a vezérlési szintért is felelős (CP - Control Plane), mert ő menedzseli a rádiós erőforrásokat, ami a következőket foglalja magába:

• a rádiós interfészek használatának ellenőrzése, ami magába foglalja például az erőforrások kérés alapú lefoglalását
• az adatforgalom ütemezése és prioritások felállítása a kért QoS alapján
• az erőforrások kihasználási mértékének folyamatos felügyelete

Az eNodeB felügyeli és elemzi az UE által mért jelerősséget, hasonló méréseket végez majd handover-döntéseket hoz, hogy átvigye a készülékeket egyik cellából a másikba. Ez a művelet a handover-jelzések átvitelét (cseréjét) is tartalmazza a többi eNodeB és MME (Mobility Management Entity) között .

      Mikor egy új UE mobilkészülék aktiválódik az eNodeB lefedettségi területén és hozzáférést kér az EPC (LTE) hálózathoz, az eNodeB lesz az akinek továbbítania kell ezt a kérést annak MME-nek, aki előzőleg szolgálta ezt az UE-t. Továbbá új MME választódik ki, amennyiben nincs az előző MME-hez vezető út vagy hiányzik az útválasztó információ. A következő ábra minden olyan kapcsolatot ábrázol ami létre jöhet az eNodeB és a körülötte lévő logikai csomópontok között. Összegzően fel vannak sorolva a használt interfészek főbb funkciói is:

Mobilitási Menedzsment (MME)

      Az MME csomópont a fő vezérlőelem az EPC hálózatban. A hálózat üzemeltetője szempontjából az MME egy szerver és csakis a vezérlési síkon (CP) működik és nem szerepel a felhasználói sík (UP) adatainak útvonalában. Ezen kívül a MME rendelkezik egy közvetlen, CP típusú logikai kapcsolattal is az UE mobilkészülékkel, melyet fő vezérlőcsatornaként üzemeltet a mobilkészülék és az EPC hálózat között. 

Az MME fő funkciói és beállításai a következők:

- Hitelesítés és biztonság: mikor egy UE először regisztrálja magát a hálózatban, az MME a következőképp hitelesíti:

1. Lekérdi az UE állandó identitását: vagy az előzőleg látogatott hálózattól vagy közvetlen az UE-től, majd összehasonlítja az UE-től kapott választ a származási hálózatéval (home network). Ez bizonyosságul szolgál a hálózatnak, hogy az UE valóban az akinek tartja magát. Az EPS-AKA hitelesítési részletek megtalálhatók a 3GPP TS 33.401 szabványban. Az MME akár többször is megismételheti a hitelesítési folyamatot.
2. Ezután kiszámítja a titkosító és az integritást védő kulcsokat a származási hálózattól kapott hitelesítési adatvektorban szereplő fő kulcsból (master key). Így külön leellenőrizhetőek az UP és CP mezők E-UTRAN bellításai. Ezek a funkciók megvédik a kommunikációt a törvénytelen lehallgatásoktól és zavaroktól.
3. Hogy az UE mobilkészülék titoktartását megőrizze, az MME minden UE-hez hozzárendel egy ideiglenes azonosítót (GUTI - Globally Unique Temporary Identity), már csak azért is, hogy ne kelljen az UE folyamatosan a saját azonosítóját (IMSI - International Mobile Subscriber Identity) küldözgesse. Más-más GUTI rendelhető hozzá folyamatosan, ami megakadályozza a törvénytelen követést.

- Mobilitási menedzsment:
Az MME folyamatosan regisztrálja és követi azokat az UE mobileszközöket, melyek az ő tartományában vannak. Az UE első belépésekor a hálózatba, az MME egy bejegyzést (nyilvántartást) készít és jelzi az UE korábbi hálózatában lévő HSS-nek (Home Subscriber Server) az aktuális pozíciót. Ezután telepíti a szükséges erőforrásokat az eNodeB és az S-GW számára, melyet az UE-nek fog kijelölni.
Az MME mindig tudja hol van az UE mobilkészülék, akár eNodeB szinten (amennyiben az UE aktív marad - részt vesz a kommunikációban), akár pedig TA (Tracking Area) szinten - mely tulajdonképpen egy eNodeB csoport (amennyiben az UE passzívvá válik - nincs szüksége aktív kapcsolatra).
Az MME irányítja az erőforrások lefoglalását és felszabadítását, az UE változó tevékenysége alapján.
Az MME a vezérlőjelzésekkel kiveszi a részét akkor is, mikor az aktív UE és az eNodeB-k, S-GW-k vagy MME-k között éppen handover zajlik.
Az MME részt kell vegyen minden eNodeB változásban, mivel már nincs RNC ami elvégezné ezeket helyette. A passzív UE periodikusan, vagy más Tracking Area-ba való behatolása során jelzi a saját helyzetét. Ha egy passzív UE-nek címzett adatot érkeznek egy külső hálózatból, erről az MME is értesülni fog és megkéri az UE közelében lévő eNodeB-t, hogy értesítse az UE-t (paging).

- A profilnyilvántartás és a szolgáltatáshoz való kapcsolódás kezelése:
 Mikor az UE regisztrálódik a hálózatban, az MME lesz a felelős, hogy beszerezze a származási hálózattól az UE profilját. Ezt mindaddig számon tartja, míg az UE-vel foglalkozik. A profil tartalmazza a PDN csatlakozások típusait (Packet Data Network), melyek alkalmazhatóak a hálózathoz való csatolásnál. Az MME automatikusan telepíti az előző hordozót (deafult bearer), mely biztosítani fogja az IP alapkapcsolatot. Ez a kapcsolat támogatja a CP - eNodeB és a CP - S-GW jelzéseket is. Később szükségessé válhat, hogy az MME foglalja le az elsőbbséget élvező szolgáltatások hordozóit (vivőit) is. Megtörténhet, hogy az MME kap kérést, hogy foglaljon le egy hordozót, ami jöhet az S-GW-től (mikor a szolgáltatás-kezelő kér), de jöhet az UE-től is (mikor olyan szolgáltatásra van szükség amit a szolgáltatás-kezelő nem ismer). A következő ábra az MME kapcsolatait mutatja az őt körülvevő logikai csomópontokkal, összegezvén azok funkcióit:

Kiszolgáló-átjáró (S-GW)

      Az alaprendszer konfigurációjában, az S-GW  feladata a kapcsolgatás és az UP átjárók (vagy tunel-ek) irányítása. Az SGW a hálózat infrastruktúrájának része, melyet a hálózat szolgáltatás-kezelő irányít. Ha az S5/S8 interfész a GTP protokollt használja, akkor az SGW-nek az UP minden interfészén lesz átjárója. A GTP átjárók és az IP fluxusok (adatfolyamok) közötti leképzés (mapping) a P-GW-ben történik, az S-GW nem kell a PCRF-hez csatlakozzon. A teljes vezérlés a GTP átjárókkal történik, de a vezérlést végezheti az MME vagy a P-GW. Hogyha az S5/S8 interfész a PMIP protokollt használja, akkor az S-GW-ben történik a leképzés az IP fluxusok (az S5/S8 interfészből) és aGTP átjárók (az S1-U interfészből) között, rácsatlakozván az PCRF-hez is a leképzési információk miatt.
      Az S-GW-nek csekély szerepe van a vezérlést illetően, csakis a saját erőforrásaiért felelős, amiket az MME-től, a P-GW-től vagy a PCRF-től érkező kérések alapján foglal le. Ellenben fontos szerepe van az UE hordozójának lefoglalási, változtatási és törlési folyamataiban. Ha az S5/S8 interfész PMIP-et használ, akkor az adatok ebben az interfészen IP fluxusok lesznek a GRE átjárót nézve, minden egyes UE számára, de ha GTP protokoll fut rajta, akkor minden hordozónak meglesz a maga GTP átjárója. Tehát a PMIP-es S-GW a hordozó csatolását jelenti, például az IP fluxusok leképzése az S5/S8 interfészről az S1 interfész hordozóira. Ezt a funkciót BBERF-nek nevezik (Bearer Binding and Event Reporting Function), azaz hordozócsatoló és eseményjelentő funkció.
      Függetlenül attól, hogy honnan jött a hordozó jelzése, a BBERF mindig megkapja a hordozócsatoló információt a PCRF-től. Az eNodeB csomópontok közötti mozgás alatt az S-GW horgonyként (mobilitási végződésként) működik: az MME-től kapott parancs alapján átkapcsolja az átjárót egyik eNodeB-től a másikhoz. Az MME azt is kérheti, hogy az S-GW foglaljon le némi erőforrást az átjáróban küldendő adatok számára, ami abban az esetben történik ha az UE épp handoverben van és át kell küldeni az adatokat egyik eNodeB-ből a másikba. A mobilitási esetek közé tartozik az is, mikor az S-GW csomópontot is le kell váltani. Ezt az MME irányítja, kitörölvén az átjárót a régi S-GW-ből és létrehozván egy újat az új S-GW-ben.
      Az aktív UE minden adatfolyama esetén az S-GW az adatokat egy eNodeB és egy P-GW között közvetíti. Ha az UE inaktív, az eNodeB erőforrásai felszabadulnak és az adatok útvonala az S-GW-ben ér véget. Ha az S-GW a P-GW-től kap adatokat, akkor ezeket egy bufferbe gyűjti és megkéri az MME-t, hogy kezdje erről értesíteni (paging) az UE mobilkészüléket. Az értesítés hatására az UE újracsatlakozik a hálózatra, és amint az átjárók is újra kialakulnak, a bufferben tárolt értékek az UE-hez jutnak. Az S-GW figyeli az átjáróban közlekedő adatokat és akár be is gyűjtheti őket és elszámolhatja a felhasználó adóztatására. Az S-GW-nek tehát van egy törvényes lehallgatási funkciója, amit akár nyomozásra is fel lehet használni. Az lenti ábra az S-GW kapcsolatait mutatja a többi logikai csomóponttal, azok funkcióinak rövid leírásával együtt:

Mindenik interfészen az "egy a többhöz" beállítást kell alkalmazni az S-GW szemszögéből nézve. Egy S-GW egy földrajzi területet szolgálhat egy bizonyos számú eNodeB-vel és valamennyi MME-vel, melyek a területet felügyelik. Az S-GW rácsatlakozhat bármilyen P-GW-re a teljes hálózatból, mert az úgysem változik meg a mozgás során, holott az S-GW újra és újra lefoglalható miközben az UE mozog. Ha csak az egyetlen UE-hez tartozó kapcsolatokat nézzük, az S-GW egyetlen MME-vel van jelzési viszonyban. Ha egy UE több PDN hálózathoz is csatlakozik (Packet Data Network) különböző P-GW-ken keresztül, akkor az S-GW mindenik ilyen P-GW-hez külön kell kapcsolódjon. Ha az S5/S8 PMIP alapú, akkor az S-GW-nek egy PCRF-hez is kapcsolódnia kell minden P-GW esetén (amelyet az UE éppen használ). Az ábra a közvetett adatküldés esetét is mutatja, mikor az UP adatok S-GW-ken keresztül közlekednek az eNodeB csomópontok között. Az S-GW logikai csomópontok közötti interfésznek nem igazán van neve, mivel a formátum ugyanaz, mint az S1-U interfész esetén, viszont a kommunikációba bevont S-GW-k úgy is értelmezhetik a kommunikációt, mintha közvetlen egy eNodeB-vel kommunikálnának. Ez lenne tehát az az eset, mikor az átvitel egyetlen S-GW-n keresztül közvetett. Például mind a két eNodeB csatlakozhat ugyanahhoz az S-GW-hez.


PDN átjáró (P-GW - PDN GateWay)

      A P-GW nem más mint a hálózat szélén lévő útválasztó (edge router), azaz az EPS rendszer és a külső csomagkapcsolású hálózatok között található. Ő a rendszer legmagasabb szintű mobilitási "horgonya", úgy viselkedik, mint a mobilkészülék IP csatolópontja, szelekciós és szűrő feladatokat végezve az adatfolyamon. Az S-GW-hez hasonlóan, a P-GW is a központi hálózatkezelő egységben található.
A P-GW egy IP címet foglal le az UE mobilnak, amit az EU arra használ, hogy más IP hosztokkal kommunikáljon a külső hálózatból. Előfordulhat, hogy a kulső PDN foglalja le ezt az IP címet és ekkor a P-GW feladata lesz az átjáró létesítése az adott hálózathoz.
      Az IP cím csak addig lesz lefoglalva, míg az UE kapcsolatot kér a PDN-re. A P-GW a DHCP funkcióját is betöltheti (Dynamic Host Configuration Protocol), de megkérhet egy külső DHCP szervert is, hogy adjon egy IP címet az UE-nek. Mindezek mellett, a szabvány a dinamikus automatikus konfigurációról is ír. Csakis IPv4 vagy IPv6 vagy mindkét típusú cím foglalható le, szükség szerint. Az UE jelezheti, hogy ezeket a címeket a csatlakozási jelzésekben szeretné-e kapni, vagy pedig elér a csatlakozás befejeztével is.
      A P-GW tartalmazza a PCRF-et, azaz képes szűrési és szelektív funkciókra is, ahogyan azt az UE és a kért szolgáltatás szabályzata megköveteli, így begyűjtheti és jelentheti az adózási információkat. 
      A külső hálózatok és a P-GW közti UP szintű adatforgalom IP csomagokban közlekedik (mint az IP szolgáltatások része). Ha az S5/S8 GTP alapú, akkor a P-GW az IP fluxusok és a GTP átjárók (amik tulajdonképpen a hordozók) között hajtja végre a leképzési folyamatot (a mapping-et).
      A P-GW a hordozókat a PCRF vagy P-GW-től jött kérések alapján hozza létre. Ezek küldik az információkat az MME-nek. Előfordulhat, hogy a P-GW a PCRF-el kell közreműködjön, abban az esetben, ha szüksége van az ellenőrzési politikákkal kapcsolatos információkra merthogy azok nincsenek beállítva a P-GW-ben. Ha az S5/S8 interfész PMIP alapú, akkor a P-GW minden kívülről érkező IP fluxust leképez, melyek ha egyetlen UE-hez tartoznak, akkor egy GRE átjáróra képzi, a többi, vezérlési információcsere csak a PCRF-el zajlik. A P-GW figyel minden adatforgalmat és elkönyvel, amihez csakis a legális felhatalmazottak juthatnak hozzá.
      A P-GW a legmagasabb szintű mobilitási "horgony". Mikor az UE egyik S-GW-ből a másikba megy, a hordozókat a P-GW kapcsolja át. A P-GW kap egy jelzést, hogy az adatforgalmat pakolja át az új S-GW-be. A következő rajz az S-GW csomóponti kapcsolatokat mutatja, az interfészek funkcióinak rövid leírásával:

Mindenik P-GW csatlakozhat egy vagy több PCRF-hez, S-GW-hez vagy külső hálózathoz. Egy adott UE-nek, mely a P-GW-hez van csatlakozva, egyetlen S-GW áll rendelkezésére.


Engedélyezési és számlázási szabályok funkciója (PCRF - Policy and Charging Rules Function)

      A neve összefoglalja, hogy mire is jó. Ő dönti el, hogyan kezelje a szolgáltatásokat QoS szempontból és a döntését elküldi a P-GW-ben található PCEF-nek is. Ha szükség, elküldi az S-GW-ben lévő BBERF-nek is, hogy be lehessen állítani a vivőt is és a hozzá tartozó politikát.
      A PCRF a PCC keret része (Policy and Charging Control), mely a 3GPP TS 23.203 szabványosított. Ez egy szerver, ami általában a maghálózat üzemeltetőjének kommutációs központjában található.

     Az információt amit a PCRF a PCEF-nek küld, PCC szabályzatnak nevezik. Ez mindig megtörténik valahányszor új hordozó épül. Például, mikor egy UE a hálózatra csatlakozik, vagy mikor szolgáltatásnak dedikált hordozóra van szükség. A PCRF mindig kész rá hogy PCC szabályokat küldjön, a P- és S-GW-től érkező kérések alapján (PMIP esetén), vagy akkor is, ha a csatlakozás során kérést kap erre az AF-től (Application Function - a szolgáltatási tartományban található). Az utóbbi esetben az UE közvetlenül a szolgáltatási tartománnyal cserél jelzéseket, például az IMS-el (IP Multimedia Subsystem), amikor is az AF küldi a QoS információt a PCRF-nek. Mindennek az eredménye egy PCC döntés (vagy szabály) lesz amit a P-GW kap meg. Az S-GW az átjáró leképzési információját fogja megkapni (ha PMIP fut az S5/S8-on). Az EPC hordozók ezen információk alapján épülnek fel. A PCRF összeköttetéseit más csomópontokkal a következő ábra szemlélteti. Mindenik PCRF kapcsolódhat egy vagy több AF-hez, P-GW-hez és S-GW-hez, de csak egy PCRF lehet hozzárendelve egy PDN kapcsolathoz:

Előfizetői szerver (HSS - Home Subscription Server)

      A HLR-hez hasonló, az előfizetők állandó adatait tároló szerver, mely adatbázisa szintén a szolgáltató központi épületében található. Arra is jó, hogy  regisztrálja a felhasználó pozícióját csomóponti (pl. MME) szinten. A HSS tárolja az előfizetők profiljának másolatát, melyben az engedélyezett szolgáltatások és kapcsolatok szerepelnek, valamint az, hogy roaming-olhat-e  egy idegen hálózattal. Hogy a nem-3GPP csomópontok között is lehessen mozogni, a HSS tárolja azon P-GW csomópontok azonosságát is melyek éppen használatban vannak. Az állandó kulcs, melyet a hitelesítési vektorok számolgatására használnak az AuC-ben található (Authentication Center), mely tipikusan a HSS része. A HSS közreműködik az MME-vel minden ezzel kapcsolatos jelzés során.

      A HSS-nek a hálózat minden MME csomópontjával tudnia kell csatlakozni, legalább is ahol az UE mozoghat. Mindenik UE-nek a HSS bejegyzés csak egyetlen MME-t fog megmutatni (amelyik éppen szolgálja), de mikor egy új MME jelzi, hogy átvette a régi helyét, a HSS törli azt az adatbázisból és berakja az újat.


A szolgáltatások tartománya

      Ez több alrendszert is magába foglalhat, tehát több logikai csomópontot is. Íme néhány szolgáltatástípus:

• IMS alapú szolgáltatáskezelő: egy olyan mechanizmus, melyet a rendszer operátora (kezelője) használhat különféle szolgáltatások közvetítésére, a SIP protokollt használva (Session Initiation Protocol). Az IMS architektúráját a 3GPP határozza meg.
• Nem IMS alapú szolgáltatáskezelő: ez nincs benne a szabványokban. Az operátor egyszerűen berakhat egy szervert a hálózatába, melyre az UE mobileszközök rácsatlakozhatnak egy alkalmazással, ami ismeri a szükséges protokollt. Például egy videóstreaming szolgáltatás, melyet egy streaming szerver üzemeltet.
• Egyéb szolgáltatások, melyeket nem a rendszer operátora közvetít: például az internet alapú szolgáltatások. Az internet architektúrája nyilván nincs szabványosítva a 3GPP-ben, ez csak az alkalmazástól függ. Például egy UE rácsatlakozik egy szerverre az interneten keresztül, ami lehet webszerver de lehet SIP alapú szerver is a VoIP szolgáltatásnak.

Az S1-MME és az X2 interfészek automatikus beállítása

      A 3-GPP 8-as kiadványának fejlesztése során arra a megállapodásra jutottak, hogy jó lenne szabványosítani az S1-MME és az X2 interfészek automata beállítását.

      Az eNodeB indulása pillanatában (amennyiben megvan a szükséges IP kapcsolata) rácsatlakozik a szolgáltatói és karbantartási központra (O&M - Operation & Maintenance) az IP cím alapján a szükséges paraméterek érdekében: például hogy megtudja, mely hálózati elemekre kell még rácsatlakozzon (ide tartozik az eNodeB szoftverének letöltése is), vagy hogy megtudjon bizonyos működési paramétereket (pl. frekvenciasáv) vagy paramétertípusokat, melyek a sugárzáshoz szükségesek. 
      Az S1-MME kapcsolatok felépítése az SCTP, legalább egy MME-hez való hozzárendelésével kezdődik. Amikor ez megtörtént, folyamatos információcsere kell történjen alkalmazási szinten, hogy az S1-MME működésbe lépjen. Mikor már megvan a kapcsolat az MME-vel, hozzá kell azt rendelni egy S-GW-hez is, hogy UP adatokat lehessen küldeni.
      Hogy a mobilitási vagy a cellaközi interferenciát felügyelő funkciók is működjenek, az X2 interfész beállítása ugyanazokon az elveken kell alapuljon, mint az S1-MME önbeállítása. A különbség onnan ered, hogy az eNodeB kezdetben az X2 kapcsolatot csak azokkal az eNodeB csomópontokkal létesít, melyeket az O&M kijelölt és lehetséges, hogy ez alkalmaztatva volt a környezeti szempontokhoz az ANR funkció révén (Automatic Neighbour Relationship), hogy továbbra is optimális X2 kapcsolat maradjon, a handover kéréseire alapozva. A paraméterek, melyek az X2 interfészen cserélnek gazdát a következőket tartalmazzák:

• globális eNodeB azonosító
• A cella specifikus paraméterei, mint a cella azonosítója (PCI - Physical Cell ID), a használt uplink/downlink frekvencia, frekvenciasáv, stb.
• melyik MME-re van csatlakozva (ami lehet MME együttes is - MME Pool)

A PCI-nél is lehetséges az automatikus beállítás, a 3GPP szabvány szerint. Ezért az O&M-ből egyéb paraméterek is érkezhetnek a többi mellett, melyek révén az adminisztrációs tevékenységek csökkennek.


Az alaprendszer architektúra-beállításában résztvevő interfészek és protokollok

      A következő ábra a CP típusú protokollokat mutatja, melyek egy UE - PDN kapcsolathoz kötődnek:

Egy MME interfészei két részben láthatók: az egyik az E-UTRAN és UE által használt protokollokra vonatkozik, a másik pedig az átjárók által használt protokollokat összesíti. A fehér hátterű négyzetekben 3GPP fejlesztésű protokollok vannak, míg a szürke hátterű négyzetekben lévőket az IETF fejlesztette és azokat a standard internetes technológiákat képviselik, melyeket az EPS átvitelnél használunk. A 3GPP ezeknek csak a felhasználási módjukat határozta meg. A legfelsőbb szint a CP-ben a NAS nevet kapta (Non Access Stratum), melyet két külön protokoll alkot, amiket az UE és MME közötti jelzés hordoz. A NAS szinten lévő protokollok láthatatlanok az eNodeB csomópontok számára, bár ezek is részt vennek a tranzakciókban, kivéve mikor üzeneteket vagy szállítási szintű jelzéseket kell továbbítani. A NAS szintű protokollok a következők:

• EMM - EPS Mobility Management protokoll: Az UE mobilitásának vezérléséért felelős. Csatolási, leválasztási, helyzetfrissítési funkciókkal bír. Ez utóbbit TAU-nak (Tracking Area Updating) nevezik, és akkor lép működésbe, ha az UE inaktív állapotban van. A csatlakozott állapotú adásokat (handover) alsóbb szintű protokollok irányítják, míg az EMM szintű funkciók újraaktiválhatják az UE-t az inaktív állapotból. Az UE csatlakozásának kezdeményezését a hálózatra szolgáltatáskérésnek hívjuk (Service Request), de híváskor (paging) a hálózat kezdeményez csatlakozást az UE-re. az UE hitelesítése és identitásának megörzése is az EMM szintjén zajlik, ahogyan a NAS szintű bitronsági funkciók irányítása is: a titkosítás és az integritás (az adatok teljességének mgőrzése).
• ESM - EPS Session Management protokoll: használható az UE és MME közti menedzsment kezelésére, továbbá az E-UTRAN hordozóinak menedzselési eljárásainál is hasznos.

A rádió interfész protokolljai a következők:

• RRC - Radio Resource Control: ez irányítja a rádiós erőforrások felhasználásának menetét. Az UE adat és a jelzési kapcsolatait kezeli, valamint adási funkciókkal is rendelkezik (handover).
• PDCP - Pachet Data Convergence Protocol: az IP fejlécek tömörítéséért felelős az UP-ben és az integritás megörzésében a CP-ben.
• RLC - Radio Link Control: a PDU adategységek feldarabolásáért (szegmentálás) és összefűzéséért felelős (amit a PDCP szállít), hogy el lehessen azokat küldeni a rádiós interfészen. Ezen kívül hibajavítást is végez az ARQ módszerrel (Automatic Repeat Request).
• MAC - Medium Access Control: az előkészített adatok kiküldésének módjáért felelős, figyelembe véve a prioritásokat, és multiplexeli az adatokat az egyes szintű szállítóblokkok számára. A MAC szintén végez hibajavítást a hibrid ARQ módszerrel.
• PHY - Physical Layer: ez az egyes szintje a rádiós interfésznek, mely a DS-CDMA funkciókat kezeli.

Az S1 interfész összeköti az E-UTRAN hálózatot az EPC hálózattal a következő protokollokat használva:

• S1AP - S1 Application Protocol: az UE CP-jét és az E-UTRAN-EPC kapcsolatok CP-jét is kezeli miközben részt vesz az adásban (amennyiben az EPC is részt vesz).
• SCTP/IP - Stream Control Transmission Protocol / Internet Protocol: standard IP átvitel, mely a jelzési üzeneteknek volt szánva. Az SCTP protokoll megbízhatóságot, egymást követő átviteli függvényeket biztosít (pl szekvencialitás, sorrend). Az IP protokoll önmagában többféle L2 (adatkapcsolati) szintű és L1 (fizikai) szintű technológián futhat, az elérhetőség függvényében.

Az EPC-ben két váltakozó protokoll van az S5/S8 interfész számára.  A következő protokollok akkor használatosak, mikor az S5/S8 interfészen a GTP protokoll fut:

• GTP-C - GPRS Tunneling Protocol - Control: Az UP (User Plane) kapcsolatokat kezeli az EPC hálózatban. Ide tartoznak a QoS jelzések és egyéb paraméterek is. A GTP-U átjárók kezelését is ez végzi, valamint mobilitási menedzsment funkciókat is ellát az EPC hálózaton belül. Például, mikor az UE GTP-U átjáróit egyik csomópontból a másikba kell kapcsolni.
• UDP/IP átviteli protokoll: az UDP protokollt a TCP helyett használják, mivel a magasabb szintek már garantálták a megbízhatóságot a pótolási és újraküldési módszereikkel. Az EPC hálózat IP csomagjai többféle L1 és L2 szintű technológián közlekedhetnek, mint például az Ethernet vagy az ATM.

A következő protokollok akkor használatosak, mikor az S5/S8 interfészen PMIP protokoll fut:

• PMIP - Proxy Mobile IP: ügyeli a mobilitási menedzsmentet, de nem rendelkezik semmiféle hordozó-menedzselési funkcióval.
• IP: A PMIP közvetlenül az IP protokollon működik, a standard IP átvitelnél használják.

A következő rajz egy P-GW-hez csatlakozó UE mobilkészülék UP (User Plane) protokolljának struktúráját mutatja:

Az UP olyan alszinteket tartalmaz, melyek az IP szinttel vannak összehasonlítva. A protokoll struktúrája nagyon hasonlít a CP struktúrájához. Ez azért van, mert a teljes rendszer általános csomagok szállítására volt tervezve, és az CP jelzései, akár az UP adatai is mind csomagok, melyek csak nagyságukban különböznek.  Az ide tartozó protokollok nagy része már említésre került, kivéve a következő kettőt:

• GTP-U - GPRS Tunneling Protocol - User: akkor használatos, mikor az S5/S8 interfész GTP protokollt futtat. A GTP-U alakítja ki a GTP-U átjárót, amit a felhasználók IP csomagjainak küldésére használnak, amennyiben ezek egyazon EPS hordozó részesei. A GTP-U protokollt az S1-U interfészen használják, valamint az S5/S8 interfészen, amennyiben a PC a GTP-C protokollt használja.
• GRE - Generic Routing Encapsulation: az S5/S8 interfészen a PMIP protokollal használandó együtt. A GRE egy IP-t alkot az átjárón melyet egy UE használ, hogy átküldje az adatait egy PDN hálózatba. A GRE közvetlenül az IP szintjén található, ahol az UDP protokollt nem használjuk.

A lenti ábra az X2 interfész protokollstruktúráját mutatja, mely hasonló az S1 interfészével:

Tulajdonképpen csak CP alkalmazási protokollja különbözik. Az X2 interfész az eNodeB csomópontok közti mobilitásban játszik fontos szerepet, ahol az X2AP ezen reláció általános kezelésére és adás-előkészítésére kínál funkciókat. Az X2 UP-je az adatokat az UE átmeneti állapotába továbbítja az adás során, vagy mikor a rádiós interfész már levált az adóról, de a vevő oldalon ez még nem történt meg. Az adattovábbítás a Downlink adatokra vonatkozik, mert az Uplink adatokat az UE hatékonyabban tudja kezelni.


Roaming (átlépés) az alaprendszer architektúrájának beállításában

      A roaming egy fontos képesség, mely segítségével a rendszeroperátorok felkínálhatják hálozatukat más hálózatoknak. A "származási" és "látogatott" kifejezések gyakran előtagjaik azon architekturális szavaknak, melyek leírják, hogy honnan jön az előfizető és hová lép tovább.
      A 3GPP SAE specifikációi meghatározzák azokat az interfészeket, melyeket az operátorok egymás között használhatnak, valamint olyan szempontokat, melyek hasznosak az operátorok hálózatai közti határ átlépésekor. A hálózatok kapcsolatai mellett, a roamingnak szükséges az is, hogy az operátorok közös megegyezésre jussanak a szolgáltatás-szintű dolgokban, például, hogy mely szolgáltatások lesznek elérhetőek a roamingoló felhasználónak, ezeket hogyan lehet fenntartani úgy, hogy annak nyilvántartása és adóztatása is megmaradjon.
      A megállapodást Roaming Agreement-nek nevezik. Mivel a 3GPP szabványa nem vonatkozik erre a területre, a 3GPP technológiát használó operátorok maguk beszélik meg a fontosabb szempontokat egy privát fórumon, melyet GSM Association-nak hívnak. Itt már sok ajánlat született a követelményeknek való megfelelésről.

      A SAE-nek meghatározott roaming az előzőkben említett 3GPP architektúrákhoz hasonló elveken alapszik. Az E-UTRAN hozzáférési hálózat mindig a látogatott hálózatban van, de az adatok vagy átirányíthatók más származási hálózatokhoz vagy pedig kitörhetnek külső hálózatokhoz, közvetlen a látogatott hálózatból. Ez az aspektus két roamingolási módszert különböztet meg, melyet a SAE is támogat:

1. A származási hálózatból való irányítás modellje (útválasztás, melyet a származási hálózat végez): A P-GW, HSS és a PCRF a származási hálózatban van, míg az S-GW, MME és a rádiós hálózat a látogatott hálózatban. Ebben a roaming-beállításban a P-GW és S-GW közti interfészt S8-nak hívják. Az interfész neve akkor S5, ha a P-GW és S-GW egyazon hálózat része. Az S5 és S8 interfész teljesen egyforma technikai szemszögből. Amikor az S8 a GTP protokollt használja, akkor a roaming architektúrája a fenti ábrának jobb oldalával talál (a Gxa interfész nem alkalmazható GTP-vel). Ha viszont PMIP protokollt használ, akkor a PCRF látogatott és származási csomóponttá válik szét, köztük az S9 interfésszel. Ebben az esetben a roaming architektúrája a fenti ábra bal oldalán látható. A származási hálózatból való irányítás modelljét ugyanígy alkalmazzák az örökölt (korábbi architektúrából származó) 3GPP rádiós csomópontokon is, azzal a különbséggel, hogy az SGSN a látogatott hálózathoz tartozik.
2. A helyi kitörés modellje: Ez a modell a fenti ábra jobb oldalán látható, aho  a P-GW a látogatott hálózatban, a HSS pedig a származási hálózatban található. Ha dinamikus vezérlési politikát használunk, akkor még két PCRF jön képbe: egyik a származási, másik a látogatott hálózatba. Annak függvényében, hogy melyik operátor szolgáltatása van használatban, annak a hálózatához tartozó PCRF fog az AF-hez csatlakozni. Ezekkel a korlátokkal, a helyi kitörés modellje működni fog az örökölt 3GPP rádiós csomópontokkal is.