S 3G sítěmi vznikl nepříjemný problém. Kvůli kompatibilitě se systémy GSM zde byla “zavlečena” okruhově spínaná technologie, která dříve dobře sloužila pro telefonování. Jak by ne, packetový přenos hlasu přes IP byl v době vzniku GSM v plenkách a ani s technologií GPRS to s ním nebylo nijak jednoduché. Jenže rychlosti a kvalita datového spojení se v mobilních sítích zvyšovala a bylo možné se na starou okruhově spínanou technologii vykašlat. To by mělo zásadní přínos v efektivnějším využití přenosového pásma. Jenže 3G k tomu prostě neměla dost odvahy, doba nenazrála. Ale v prvním desetiletí nového tisíciletí už bylo možné k něčemu takovému sáhnout. A tak vznikla definice jádra sítě v podobě Evolved Packet Core (EPC).
EPC je zásadní komponentou LTE ekosystému a představuje revoluční architektonický skok oproti starším generacím sítí. Proč k tomu došlo, co konkrétně EPC nahradilo a jaké změny s sebou přineslo? Pojďme se na to podívat podrobně.
Historický kontext a motivace k přechodu
V předchozích generacích mobilních sítí (2G, 3G) sloužil k přenosu dat a k obsluze datových služeb tzv. GPRS Core Network (GPRS CN), případně později UMTS Packet Core (v rámci 3G sítí). Tyto architektury byly navrženy v době, kdy ještě dominovala především hlasová komunikace a datové přenosy byly brány spíše jako doplněk. Struktura jádra proto kombinovala přepojování okruhů (CS – Circuit Switched) pro hlas a přepojování paketů (PS – Packet Switched) pro data, přičemž logika přenosu hlasu a dat byla oddělena.
Nástup LTE byl ovšem spojen s prudce rostoucími nároky na datovou kapacitu, rychlost a nízkou latenci. LTE síť je proto koncipována jako čistě paketová IP síť – veškerá komunikace (včetně tradičního hlasu, který se nyní realizuje technologiemi VoLTE) probíhá přes IP datové toky. Tato revoluční změna proto vyžadovala i zásadní přestavbu na úrovni jádrové sítě. A právě zde vstupuje do hry Evolved Packet Core.
Co EPC nahradilo a proč?
EPC nahradilo starší GPRS Core, respektive UMTS Packet Core, které bylo navrženo pro kombinovaný provoz sítě. Důvodem pro nahrazení byla zejména: \
- All-IP Architektura: EPC je navrženo jako plně IP-orientované řešení. Zatímco starší generace se musely vypořádat s oddělenou částí pro hlas (CS doména) a data (PS doména), EPC integruje veškerou komunikaci do paketové domény založené čistě na IP. To přináší zjednodušení, snížení nákladů a vyšší flexibilitu.
- Vyšší kapacita a výkon: Díky jednodušší a efektivnější architektuře dokáže EPC lépe pracovat s rostoucím objemem dat, které dnešní uživatelé běžně generují (streamování videa ve vysokém rozlišení, online hraní s nízkou latencí, náročné cloudové služby).
- Nižší latence: LTE a EPC byly navrženy s cílem minimalizovat doby odezvy. U starších technologií mohla být latence řádově vyšší. EPC je zkonstruováno tak, aby data a řídicí signály měly co nejkratší cestu sítí, což koncovému uživateli přináší rychlejší odezvu aplikací i služeb.
Architektonické změny a nové funkční prvky v EPC
Zatímco starší architektura pracovala s uzly jako SGSN (Serving GPRS Support Node) a GGSN (Gateway GPRS Support Node), v EPC došlo k jejich nahrazení a zároveň k výraznému přepracování celkové topologie. EPC se skládá z několika klíčových komponent:
- MME (Mobility Management Entity):
- Čistě řídicí prvek EPC, starající se o signalizaci, registraci uživatelů v síti, přidělování dočasných identit a řízení mobilnosti (handovery mezi eNodeB).
- MME neřeší přímo uživatelská data, pouze řídí spojení a autentizaci uživatelů.
- Nahradil funkcionality SGSN v kontrolní rovině a výrazně je zjednodušil.
- S-GW (Serving Gateway):
- Prvek zajišťující přepojování uživatelských datových paketů mezi rádiovou přístupovou sítí (eNodeB) a páteřní (IP) sítí.
- S-GW funguje jako kotva pro mobilitu v rámci LTE sítě. Pokud se uživatel pohybuje mezi různými eNodeB, S-GW udržuje datovou cestu, aniž by bylo nutné měnit koncové adresování.
- Nahradil uživatelskou rovinu SGSN.
- P-GW (Packet Data Network Gateway):
- Brána k vnějším paketovým sítím (např. internet, operátorské služby, IMS platforma).
- P-GW provádí úkoly jako přidělování IP adres uživatelům a zajišťuje QoS (Quality of Service) pravidla, firewalling, směrování a IP politiku.
- Svým způsobem odpovídá dřívějšímu GGSN, avšak s mnohem pokročilejší logikou a IP funkcionalitami.
- PCRF (Policy and Charging Rules Function) a PCEF (Policy and Charging Enforcement Function):
- Tyto prvky dávají operátorům granulární kontrolu nad kvalitou služeb, řízením kapacit, účtováním (billing) a dalšími pokročilými funkcemi.
- PCRF definuje pravidla pro konkrétní služby, zatímco P-GW s PCEF je aplikuje na data, která proudí přes EPC.
- HSS (Home Subscriber Server):
- Centralizovaná databáze obsahující informace o uživatelích, jejich autentizaci a oprávnění k přístupu k síti.
- Odpovídá dřívější kombinaci HLR (Home Location Register) a AUC (Authentication Center), avšak s rozšířenými schopnostmi.
Výsledkem je čistá, jednoduchá a efektivní architektura
%%{init: {'theme': 'base', 'themeVariables': { 'background': '#ffffff', 'primaryColor': '#fff', 'textAlignment': 'center' }}}%%
graph TB
subgraph EPC[Evolved Packet Core]
style EPC fill:#f5f5f5,stroke:#333,stroke-width:2px
MME[MME<br>Mobility Management Entity]
HSS[HSS/AuC<br>Home Subscriber Server]
SGW[S-GW<br>Serving Gateway]
PGW[P-GW<br>PDN Gateway]
PCRF[PCRF<br>Policy & Charging Rules]
%% Control Plane
MME -- Authentication --> HSS
MME -- Session Control --> SGW
MME -- Bearer Setup --> PGW
%% User Plane
SGW -- User Data --> PGW
%% Policy and Charging
PCRF --> PGW
PCRF --> SGW
end
%% External connections
UE[User Equipment] --> eNB[eNodeB]
eNB --> MME
eNB --> SGW
PGW --> Internet[Internet/IMS]
%% Interfaces
eNB -. S1-MME .-> MME
eNB -. S1-U .-> SGW
MME -. S11 .-> SGW
SGW -. S5/S8 .-> PGW
%% Styling
classDef controlPlane fill:#ffb6c1,stroke:#333,stroke-width:2px
classDef userPlane fill:#90ee90,stroke:#333,stroke-width:2px
classDef policy fill:#ffd700,stroke:#333,stroke-width:2px
classDef access fill:#add8e6,stroke:#333,stroke-width:2px
class MME,HSS controlPlane
class SGW,PGW userPlane
class PCRF policy
class UE,eNB access
V čem EPC skutečně vyniká? Především v tom, že sjednocuje komunikaci v jeden datový tok a minimalizuje počet mezilehlých uzlů v řídicí i uživatelské rovině. To vede k:
- Zvýšení propustnosti sítě a zkrácení latence: Pro uživatele to znamená plynulejší videostreaming, rychlejší webové prohlížení a obecně lepší uživatelský dojem.
- Lepší integraci s dalšími technologiemi: Například VoLTE (Voice over LTE) je postavena na čistě IP bázi a EPC jí umožňuje hladkou integraci. Stejně tak M2M/IoT komunikace těží z jednoduchosti a škálovatelnosti EPC.
- Možnost flexibilních přístupů k řízení kvality a účtování služeb: Díky PCRF a pokročilým funkcím P-GW mají operátoři nástroje ke spravedlivějšímu a flexibilnějšímu nastavení priorit a účtování datových služeb.
Závěr
Evolved Packet Core představuje fundamentální změnu v přístupu k návrhu jádrové sítě mobilního operátora. Není to jen nahrazení staršího GPRS Core Networku modernějším řešením, je to celkový posun směrem k plně IP-orientované architektuře, která lépe odpovídá současným trendům a nárokům. EPC nejenže poskytuje vyšší rychlosti a nižší latenci, ale také připravuje síť pro budoucí technologie, jako je 5G a masivní IoT. Pokud vás mobilní technologie fascinují, pak EPC je jedním z klíčových stavebních kamenů, který stojí za vaši pozornost.
