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Marius Corici, Mihai Constatin, Dwianto Dana Satriya, Dragos Vingarzan, Valentin Vlad, Lukas Wöllner Fraunhofer Institute FOKUS, Germany
www.FOKUS.fraunhofer.de/go/ngni www.FUSECO-Playground.org
www.OpenEPC.net
Integrating Off-the-shelf 3GPP Access Networks in the OpenEPC Software Toolkit
- Realizing cost-efficient and complete small-scale-operator testbeds -
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Overview
The Problem – Providing research infrastructure for both the academia and the industry – Cost-effective solutions for NGN test-beds in the mobile domain – Realizing realistic testing environments
The OpenEPC Project
– Short overview
Integrating off-the-shelf 2G/GPRS femto-cells in OpenEPC – Interfaces and protocol stacks – Procedures and implemented functionalities – Lessons learned – Validation
Outlook
– 3G/UMTS progress status – 4G/LTE short overview
Q&A
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The Problem: Access to Mobile Technology
Wireless testbeds
– Most deal with WiFi (e.g. open source WiFi drivers like MADWIFI have spurred the creation of numerous test-beds and incredible innovation)
– Also numerous related to ZigBee or Bluetooth
– Yet for the most used today – GPRS, UMTS, LTE – very few
Blocking issues
– Very complex interfaces and protocol stacks
– Education: how many here have learned about the GPRS protocols during university courses?
– Equipment costs
– Proprietary/Specialized hardware
– Interoperability and vendor-locking
– “Secret” algorithms
– Spectrum license required
Today mobile drives innovation in the telecommunication domain
– Such test-beds are “must-have” for all universities and R&D organizations
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What is the 3GPP Evolved Packet Core
An overlay over the operator core network providing all-IP connectivity
– Over heterogeneous accesses (LTE, 3G, 2G, non-3GPP, femto, …)
– Using the operator transport network
– Towards all IP based applications
IP connectivity services include features for:
– Seamless mobility management
– Mobile device reachability
– QoS and charging control
– Secure access and authorization
– Based on the subscription profile
– Based on the application requirements
– With reduced OPEX for the operator
– Forwarding of IP data packets
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Background: The OpenEPC Project www.openepc.net
OpenEPC includes the main functions of 3GPP Evolved Packet Core (Rel. 8, 9, 10, 11, …)
The principles of standard alignment, configurability and extensibility have been respected in the overall architecture and in the specific components implemented
OpenEPC Rel. 4 enables the establishment of small operator network testbeds including:
Core network mobility support (GTP, PMIP)
Integration with real LTE, 3G, 2G and WiFi
AAA for 3GPP and non-3GPP accesses
Policy and Charging Control
Access network selection
Common mobile equipment support
PLEASE NOTE: OpenEPC does not claim 100%
standard compliance, but allows for early prototyping
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OpenEPC Rel. 4 – Functions and Interfaces
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Open Source IMS Core and OpenEPC test-beds around the world
Americas
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3GPP EPC – 2G/GPRS Architecture with EPC
GPRS/EDGE RAN (GERAN) is connected to the core network through two interfaces:
– A interface
for CS attachment, IDLE mode management, CS service establishment, …
– Gb interface
for PS attachment, IDLE mode management, PS bearer establishment, …
In 2G MSC attachment is mandatory for PS services!
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3GPP EPC – Gb – Signaling Plane
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3GPP EPC – Gb – User-data Plane
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3GPP EPC - Gb – BSS <-> SGSN Communication
Network Service (NS)
BSS GPRS Protocol (BSSGP)
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Network Service
NS provides the services:
– Service Data Unit (SDU) transfer – exchange of upper layer protocol data units
– Network congestion indication
– Status indication
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BSS GPRS Protocol (BSSGP)
Provisioning of parameters between: – BSS - derived from RLC/MAC – SGSN - received from higher layers
Provisioning of functionality to enable two physically distinct nodes to operate management control functions.
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Logical Link Control (LLC)
Provides a reliable link between the MS and SGSN
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Logical Link Control (LLC)
Provides a reliable link between MS and SGSN
Separate channels for GMM, SMS, IP, etc
LLC transmission modes:
– Unacknowledged mode
– Acknowledged mode
Modes of operations:
– Async. Disconnected Mode (ADM)
– Async. Balanced Mode (ABM)
Functions:
– Error detection, recovery, reorder
– Congestion control, window management
– XID negotiation – parameter exchange
– Data cyphering
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3GPP EPC – 2G Integration Signaling Plane – GSM Layer 3
GPRS Mobility Management (GMM)
Session Management (SM)
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GPRS Mobility Management and Session Management
GPRS Mobility Management
– Enables the service continuity while the MS is mobile
– Procedures: Attachment/Detachment
Authentication
Paging (PS and CS)
Location procedures – Routing area updates
Session Management
– Establishes PDP Contexts, which provide the IP data paths
– Management of QoS parameters
Short Message Service
– Delivery (SMS-MT) and reception (SMS-MO) of short messages to/from MS
For future development
– Call Control – enabling CS call management
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UE-SGSN Interface – User-Plane Data
Link Layer Connection (LLC) Protocol
Subnetwork Dependent Convergence Protocol (SNDCP)
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Packet Transmission Protocol Stack
The IP data packets are processed and encapsulated by the SNDCP and LLC
SNDCP:
– Maps IP packets to network characteristics
– Packets are conveyed to Network PDUs (N-PDUs)
– An SNDCP header is added
LLC:
– Provides a reliable MS-SGSN link
– Adds an LL header
RLC or BSSGP:
– Receive the LL PDUs
– Encapsulate them in RLC or BSSGP PDUs
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The ip.access nanoGSM/nanoBTS Picocell (model 165G)
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Working with Off-the-Shelf Devices
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Extensive OpenEPC Laboratory Test-bed
OpenEPC can be deployed on multiple machines realizing a comprehensive small mobile operator
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Personal OpenEPC Test-bed
OpenEPC can be completely virtualized in a single box
– External connections are used for connecting base stations, to the Internet or own components
– Some components can be disabled, if not required
Excellent for development
– Each developer can have his/her own EPC test-bed instance
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Single-box OpenEPC Connectivity Solution
OpenEPC can be minimized and run as separate functions in a single box
– Addressing micro-deployments which require complete or partial functionality
Optimizing data paths and control while maintaining standard alignment
– Can be integrated with radio-access and offering IP connectivity
For reduced areas - e.g. femto/nano-cell, “hotspots”, home
With one or multiple radio (or fixed technologies)
in an enterprise wireless environment
– Especially useful in Professional Mobile Radio application
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1. Demo Scenario CS Attachment
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2. Demo Scenario SMS
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3. Demo Scenario PS Attachment
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4. Demo Scenario Operator Indicated Access Network Selection
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5. Demo Scenario Seamless Handover
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Lessons Learned
2G/GPRS was/is hard to implement!
– Many and very complex protocols
– Lots of testing and learning needed to develop them
– Unfortunately has some “secret” parts
The A3/A8 GSM algorithms with the COMP128 authentication – secret but reverse engineered
Using instead the USIM fallback with public AKA/Milenage transformation
– Or “expensive”/impractical protocols
The A interface should use MTP to transport SCCP
Using vendor proprietary SIG-IP to transport SCCP as pure-IP solution (cell was probably developed before 3G/UMTS brought the M3UA over SCTP standard alternative)
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Lessons Learned
3G/UMTS seems simpler now
– Reusing protocols and interfaces towards the Core Network
– Reusing many state-machines in the SGSN and MSC components
– Fortunately over-IP from day 1
– CS parts mostly optional, but not entirely eliminated as initially scoped
4G/LTE even simpler
– More intelligence in eNodeB less components between the Access Point
and the Core Network
– Much simpler to integrate with a Core Network, yet a different type of complexity
– Finally no PS requires IMS for calls, but that exists already in test-beds
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The ip.access nano3G Picocell Access Points
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Cost-effective Mobile Network Testbeds
OpenEPC enables the establishment of small scale networks
– Reduced number of subscribers, reduced number of base stations
– Re-using standard 3GPP radio equipment designed for micro-deployments
– Including all security, efficiency, subscriber oriented characteristics
Deployment examples besides research test-beds:
– isolated regions, enterprise networks, specialized networks
– Professional Mobile Radio: security, M2M (energy, gas), trains, logistics, military
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2G/GPRS References
3GPP TS 23.060 - General Packet Radio Service (GPRS); Service description; Stage 2
3GPP TS 48.016 - General Packet Radio Service (GPRS); Base Station System (BSS) - Serving GPRS Support Node (SGSN) interface; Network service
3GPP TS 48.018 - General Packet Radio Service (GPRS); Base Station System (BSS) - Serving GPRS Support Node (SGSN); BSS GPRS protocol (BSSGP)
3GPP TS 44.064 - Mobile Station - Serving GPRS Support Node (MS-SGSN); Logical Link Control (LLC) Layer Specification
3GPP TS 44.065 - Mobile Station (MS) - Serving GPRS Support Node (SGSN); Subnetwork Dependent Convergence Protocol (SNDCP)
3GPP TS 24.008 - Mobile radio interface Layer 3 specification; Core network protocols; Stage 3
ITU-T Q.711 - Functional description of the signalling connection control part
ITU-T Q.712 - Definition and function of Signalling connection control part messages
ITU-T Q.714 - Signalling connection control part procedures
ITU-T Q.715 - Signalling connection control part user guide
ITU-T Q.716 - Signalling System No. 7 - Signalling connection control part (SCCP) performance
3GPP TS 48.006 Signalling Transport Mechanism Specification for the Base Station System - Mobile Services Switching Centre (BSS-MSC) Interface
3GPP TS 48.008 - Mobile Switching Centre - Base Station system (MSC-BSS) interface; Layer 3 specification
3GPP TS 29.272 - Evolved Packet System (EPS); Mobility Management Entity (MME) and Serving GPRS Support Node (SGSN) related interfaces based on Diameter protocol
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Acronyms
BSS – Base Station Subsystem
BSSGP – BSS GPRS Protocol
BTS – Base Transceiver Station
CC – Call Control
CS – Circuit Switched
EPC – Evolved Packet Core
GERAN – GSM EDGE RAN
GGSN – Gateway GPRS Support Node
GMM – GPRS Mobility Management
GPRS – General Packet Radio Service
GTP – GPRS Tunneling Protocol
HLR – Home Location Register
HSS – Home Subscriber Server
LLC – Logical Link Control
ME(or MS) – Mobile Equipment (Station)
MSC – Mobile Switching Centre
NS – Network Service
PDP – Packet Data Protocol
PGW – Packet Data Network Gateway
PS – Packet Switched
RAN – Radio Access Network
SGSN – Serving GPRS Support Node
SGW – Serving Gateway
SIM – Subscriber Identity Module
SM – Session Managements
SMS – Short Messaging System
SNDCP – Sub-network Dependent Convergent Protocol
USIM – UMTS SIM
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Backup Slides
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OpenEPC is not a product!
Or at least not yet ;-)
Targeted at test-beds and technology trials Driven by your demand
Implementing 90% of the standards with 10% efforts
– All the required security mechanisms, but unsecure for the real-life deployments – Functionality wins over stability – No high-availability – Basic provisioning but not proper management – Decent performance, without deep acceleration
No 100% compliance
– Yet doing very well on interoperability – Always going for the latest concepts (think 3GPP Rel.10-11, IETF drafts, crazy new ideas
to make-it-work)
But nothing wrong with not-a-product – It takes just days to get a new concept working – Sometimes it’s actually faster and better
This is not a “proper” car either, but it beats the Ferrari
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OpenEPC in Quick Numbers
7700 revisions
– And this is just the internal development tree
– 20+ external/project-specific development trees
8.5 commits / week-day (again just internal tree)
Wharf source code statistics (our platform)
– 120 Mbytes
– 4000 files
– 450K lines of C code
– 64K lines of comments
– 75K lines of PHP (GUI and provisioning)
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Integration of Access Networks
OpenEPC integrates with all 3GPP and non-3GPP access networks:
– LTE – interfaces towards third party eNodeB, common UE (S1-U, S1-MME)
– HSPA/UMTS – interfaces towards third party NodeB/RNC, common UE (Iu-PS)
– EDGE/GPRS – interfaces towards third party BTS/BSC, common UE (A, Gb)
– Trusted non-3GPP – AAA and IP connectivity interface
– Untrusted non-3GPP – AAA, IPsec, and IP overlay connectivity interface
Access Network Integration Use Cases:
– Deployment of realistic testbeds
– Perceiving the effect of the radio communication on applications
– Trustfully evaluations of new features
As backup solution, OpenEPC includes its own emulation of the 3GPP accesses
– Using public spectrum (WiFi)
– Enables replication without RAN equipment
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OpenEPC as an EPC functional reference
OpenEPC enables functional testing
– End-to-end scenarios
Most standard functions implemented
Most reference points exported
Completing the testbed ecosystem by integrating with other technologies:
– RAN, transport, IP, applications, etc.
(From 3GPP TS 23.401)
SGi
S12
S3
S1-MME
PCRF
Gx
S6a
HSS
Operator's IP Services
(e.g. IMS, PSS etc.)
Rx
S10
UE
SGSN
LTE-Uu
E-UTRAN
MME
S11
S5 Serving Gateway
PDN Gateway
S1-U
S4
UTRAN
GERAN
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OpenEPC as an EPC functional reference (cont.)
Validation of standards
– Vendor independent implementation
– All features have been demanded and used
– If it’s not there, chances are that you don’t need it
Identification of weak spots
– E.g. PDN GW handovers not so seamless
– E.g. AAA Server S6b functionality not usable in the current state (TS 29.273)
3GPP TS 23.401 OpenEPC Realization
SGi
S12
S3
S1-MME
PCRF
Gx
S6a
HSS
Operator's IP Services
(e.g. IMS, PSS etc.)
Rx
S10
UE
SGSN
LTE-Uu
E-UTRAN
MME
S11
S5 Serving Gateway
PDN Gateway
S1-U
S4
UTRAN
GERAN
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Education
Today students still do not have enough access to Telco technologies – Never heard of SS7 in school – IMS is slowly making its way in the curriculum – The average Telecommunication graduate might know how to design an antenna, but
rarely how IP routing works – Computer Science/Engineering degrees give you a lot of insight into TCP/IP though
This hurts also the industry NG(M)Ns should be built now for the NGStudents
OpenEPC offers and independent and extensive implementation of a mobile network Empowering students to try their ideas Affordable, comprehensive, trouble-free start-up test-bed EPC-in-a-bottle + University-wide licensing = low cost/student
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Operators and Service Providers
Technology field-trials
Understand & evaluate the new architectures
Early estimations
Fast functionality gap-filling
Trial new service concepts without major investments
– Invest <1% in an independent test-bed
– Major vendors give bigger trials for free, but: There are ulterior motives
You don’t get the sources
Ensure correctness, feasibility and “charging” method
– E.g. can IPv6 be deployed now?
– E.g. can charging support fair split of costs between subscribers, content/service providers, advertisers, etc
Prevent vendor-locking by challenging vendors to export and integrate on standard reference points
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Openness
Open = Source code and full control
– For trying new concepts and ideas
– For implementing missing functionality
Independent, Comprehensive, Flexible
ideas
research
patents
standards
pre-products/prototypes
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Hardware and Software Requirements
OpenEPC is designed to work on COTS hardware – Standard x86 would do, other platforms also feasible – Could be optimized for a specific platform
Running on standard Linux
– Reference setup realized on the most used and most user-friendly distribution today, Ubuntu Linux
– Other Debian-based distros should be usable out of the box – With Rel.4 we are adding Fedora Core and other RedHat-based distros – For the rest, it’s just a matter of extending some installation scripts
Low memory foot-print, easy on CPU usage
– Typically using Intel® Atom™ small-form-factor, inexpensive systems
Scalable multi-process architecture – C-based platform, optional C++ modules
Using standard libraries, tools and enablers
– MySQL, Apache, PHP, BIND9, …
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Just add Radio, Devices and Applications
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Small-to-Medium Size Operator Network Testbeds
OpenEPC enables the establishment of small scale networks
– Reduced number of subscribers, reduced number of base stations
– Re-using standard 3GPP radio equipment designed for micro-deployments
– Including all security, efficiency, subscriber oriented characteristics
Deployment examples:
– Small countries, isolated regions, enterprise networks, specialized networks
– Professional Mobile Radio: security, M2M (energy, gas), trains, logistics, military
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Trialing Radio Technologies
OpenEPC provides the network functionality for various radio technologies
– No need for emulations of core network
– Radio technology developers can concentrate on radio technology
Developing new LTE-A, 3G, and 2G equipment
Carrier Aggregation
Separation of Base Band Units from Radio Heads
…
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Trialing Applications
Realizing real network conditions in which applications can be tested
– Mirroring the look-and-feel of network operator environment
– Reproducible network conditions
– Using multiple access networks
– Can be developed and evaluated over multiple mobile devices
– Effects of wireless communication can be determined
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Telekom Innovation Laboratories established an OpenEPC testbed at their premises for enabling the further research in the area of various access technologies, access and core network energy efficiency, as well as in other innovation areas related to the Operator Infrastructures for the Future Internet.
OpenEPC at Deutsche Telekom
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VoLTE
A cost and effort efficient VoLTE testbed presumes putting together the following functionality:
– A VoLTE mobile device application – e.g. FOKUS RCS Client for Android
– An LTE capable smartphone
– An LTE Radio Access Network
– OpenEPC core network providing default and dedicated bearers
– Open IMS Core
– (Optional) IMS Application Servers, Session Border Nodes, Media Servers, …
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60
SRVCC
A typical OpenEPC testbed setup including VoLTE features
Integration of CS voice
A new CS-PS handover module for mobile devices
CS-PS voice translation
SRVCC AS + specific interfaces
CS Voice
LTE
UMTS
GPRS
S1-U
S1-MME
S5/S8 SGi
S11
S6a
S6d
Gxx Gx Gy/Gz
Rx Sp
S-GW PDN GW
MME
SGSN
PCRF Charging System
OpenIMSCore
HSS/SPR
eNodeB
RNC NodeB
BSC BTS
MSC Sp A
Gb
Iu-PS
S12
S4
Mobile Phone
CS-PS Control
Mobility Manager
CS Voice Stack
CS-PS Translation
SRVCC AS
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Emulating LTE over Public Spectrum
Emulating LTE-Uu – eNodeB simulation with WiFi
– Spectrum-license free
– Full protocols, but no real radio
– Emulating RRC, PDCP, RLC and MAC
– Mobile Station and eNodeB prototypes
LTE-Uu Emulation
WiFi 802.11