Evolved Packet Core

Evolved Packet Core (EPC, эволюционированное пакетное ядро) — это архитектура базовой сети (Core Network) для систем мобильной связи стандарта Long Term Evolution (LTE) и последующих поколений (4G, 5G Non-Standalone). EPC обеспечивает передачу всех видов трафика (голос, данные, мультимедиа) исключительно в виде IP-пакетов, заменяя собой коммутацию каналов, использовавшуюся в сетях 2G (GSM) и 3G (UMTS). Является ключевым элементом архитектуры System Architecture Evolution (SAE), разработанной консорциумом 3GPP.

История и предпосылки создания

Разработка EPC началась в середине 2000-х годов в рамках проекта 3GPP по эволюции системной архитектуры (SAE). Основной целью было создание полностью пакетной сети, способной обеспечить высокую пропускную способность, низкую задержку и поддержку множества одновременно подключённых устройств, что было необходимо для внедрения LTE.

До появления EPC сети мобильной связи имели раздельную архитектуру: для передачи голоса использовалась коммутация каналов (Circuit-Switched, CS), а для передачи данных — пакетная коммутация (Packet-Switched, PS). Это приводило к сложности управления, избыточности оборудования и ограниченной гибкости. EPC объединил обе функции в единой IP-среде, что позволило упростить сеть, снизить капитальные и эксплуатационные затраты, а также внедрить новые услуги, такие как Voice over LTE (VoLTE).

Первая версия спецификаций EPC (Rel-8) была опубликована 3GPP в декабре 2008 года. С тех пор архитектура неоднократно дорабатывалась (Rel-9, Rel-10, Rel-11 и далее), добавляя поддержку новых функций: улучшенная передача мультимедиа (eMBMS), межсетевое взаимодействие с Wi-Fi (S2a/S2b), поддержка машинного типа коммуникаций (MTC) и сетей 5G.

Архитектура и компоненты

Архитектура EPC построена по принципу «плоской» сети (flat architecture), где минимизировано количество промежуточных узлов, а управляющий и пользовательский трафик разделены. Основные функциональные элементы EPC:

1. Mobility Management Entity (MME)

MME является ключевым узлом управления в сети LTE. Он отвечает за:

Обработку сигнализации между пользовательским оборудованием (UE) и сетью.
Управление мобильностью: отслеживание местоположения UE, передача обслуживания (handover) между eNodeB, контроль состояния (Idle, Connected).
Аутентификацию и авторизацию абонентов (взаимодействие с HSS).
Выбор подходящего Serving Gateway (SGW) и Packet Data Network Gateway (PGW) для сессии.
Управление политиками качества обслуживания (QoS) и тарификации.

2. Serving Gateway (SGW)

SGW — это шлюз, который обрабатывает пользовательский трафик (плоскость данных). Он выполняет:

Маршрутизацию и пересылку IP-пакетов между eNodeB и PGW.
Буферизацию данных для UE, находящихся в режиме ожидания.
Сбор статистики для тарификации (charging) и взаимодействие с MME.
Поддержку мобильности: при перемещении UE между eNodeB SGW остаётся точкой привязки для пользовательской сессии.

3. Packet Data Network Gateway (PGW)

PGW — это внешний шлюз, соединяющий сеть LTE с внешними IP-сетями (Интернет, корпоративные сети, IMS). Он отвечает за:

Выделение IP-адреса UE.
Фильтрацию пакетов (брандмауэр).
Применение политик QoS (совместно с PCRF).
Тарификацию (по объёму, времени, типу услуги).
Поддержку туннелей (GTP, PMIPv6) для передачи данных между различными сетями доступа.

4. Home Subscriber Server (HSS)

HSS — это центральная база данных, содержащая информацию об абонентах: идентификаторы (IMSI, MSISDN), профили услуг, ключи аутентификации, данные о местоположении. HSS взаимодействует с MME для аутентификации и авторизации, а также с PGW для получения информации о подписке.

5. Policy and Charging Rules Function (PCRF)

PCRF — это функциональный элемент, отвечающий за управление политиками QoS и тарификацией в реальном времени. Он принимает решения на основе правил оператора, типа услуги, статуса абонента и передаёт их в PGW и MME. PCRF обеспечивает гибкость в настройке тарифных планов и приоритезации трафика (например, для VoLTE).

6. Serving GPRS Support Node (SGSN) — для 2G/3G

В сетях 2G/3G функцию, аналогичную MME и SGW, выполняет SGSN. В архитектуре EPC он используется для взаимодействия с унаследованными сетями при передаче обслуживания между 2G/3G и LTE.

Принципы работы

Установление сессии (Attach)

Когда пользовательское устройство (UE) включается и входит в зону действия сети LTE, происходит следующий процесс:

Поиск сети и синхронизация: UE находит eNodeB, синхронизируется с ним и передаёт запрос на подключение (Attach Request).
Аутентификация: MME получает запрос, извлекает IMSI из сообщения, отправляет запрос в HSS для аутентификации. HSS генерирует векторы аутентификации, и MME проверяет подлинность UE.
Установление контекста: MME выбирает SGW и PGW, создаёт контекст для UE (включая QoS-параметры) и передаёт команды на установление туннелей между eNodeB, SGW и PGW.
Выделение IP-адреса: PGW выделяет IP-адрес для UE (обычно из пула оператора) и передаёт его обратно через MME и eNodeB.
Завершение: UE получает подтверждение (Attach Accept) и начинает передачу данных.

Передача обслуживания (Handover)

При перемещении UE между разными eNodeB (или между LTE и 2G/3G) MME управляет процессом передачи обслуживания:

Внутри LTE (X2-handover): eNodeB-источник и eNodeB-цель обмениваются данными напрямую, MME лишь подтверждает смену.
Между LTE и 2G/3G (S1-handover): MME взаимодействует с SGSN (для 2G/3G) или с другим MME (для LTE), чтобы перенаправить туннели данных и обновить информацию о местоположении.

Управление качеством обслуживания (QoS)

EPC поддерживает дифференцированное качество обслуживания (QoS) на основе классов трафика (QCI — QoS Class Identifier). Каждому QCI соответствует определённый набор параметров: приоритет, задержка, допустимые потери пакетов. Например:

QCI 1 — для голосового вызова VoLTE (высокий приоритет, низкая задержка).
QCI 5 — для сигнализации IMS.
QCI 9 — для обычного интернет-трафика (низкий приоритет).

Эволюция и связь с 5G

Архитектура EPC стала основой для сетей 4G, но с появлением 5G (3GPP Rel-15 и далее) она была заменена на более гибкую архитектуру на основе сервис-ориентированной архитектуры (Service-Based Architecture, SBA). В сетях 5G Non-Standalone (NSA) EPC по-прежнему используется в качестве ядра для управления трафиком LTE, а для 5G применяется новое ядро — 5G Core (5GC). Однако EPC продолжает играть важную роль в переходный период, обеспечивая совместимость и плавную миграцию.

Применение

EPC используется в сетях мобильной связи всех крупных операторов мира, включая российских (например, «МТС», «МегаФон», «Билайн», «Tele2»). Оно обеспечивает:

Высокоскоростной доступ в Интернет (до 1 Гбит/с в LTE-Advanced).
Услуги VoLTE (голосовые вызовы в LTE).
Поддержку Интернета вещей (IoT) — технологии NB-IoT и LTE-M.
Услуги мультимедийного вещания (eMBMS).
Корпоративные решения (VPN, MPLS-соединения).

Интересные факты

EPC — одна из первых полностью IP-ориентированных архитектур в мобильной связи, отказавшаяся от традиционной коммутации каналов.
Протоколы, используемые в EPC (GTP, Diameter, S1AP), являются объектом постоянных исследований в области кибербезопасности, так как уязвимости в них могут привести к перехвату данных или атакам на сеть.
В 2023 году ряд российских операторов начал тестирование отечественных решений для EPC в рамках импортозамещения телекоммуникационного оборудования.

Источники

3GPP TS 23.401: «General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access».
3GPP TS 23.002: «Network architecture».
3GPP TS 36.300: «Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description».
«LTE — The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice» — Stefania Sesia, Issam Toufik, Matthew Baker (Wiley, 2011).
«Evolved Packet Core (EPC) in LTE» — технические обзоры компании Qualcomm (2015).
Материалы конференций «Сети и системы связи» (Россия, 2020–2023).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →