Funkcje i współdziałanie SGW oraz PGW w architekturze LTE

Funkcje i współdziałanie SGW oraz PGW w architekturze LTE

Dziś przyjrzymy się szczegółowo funkcjom oraz mechanizmom działania dwóch kluczowych elementów rdzenia sieci LTE: Serving Gateway (SGW) oraz Packet Data Network Gateway (PGW). Oba komponenty odgrywają centralną rolę w przetwarzaniu i przekazywaniu danych użytkownika w systemie 4G LTE, zapewniając zarówno efektywność transmisji, jak i integrację z sieciami zewnętrznymi.

SGW – Serving Gateway

SGW (Serving Gateway) pełni funkcję bramy pośredniczącej w transmisji danych pakietowych między stacją bazową (eNodeB) a rdzeniem sieci. Działa jako punkt przekaźnikowy w płaszczyźnie użytkownika, odpowiadając za przekazywanie danych oraz zarządzanie sesjami transmisyjnymi. Jego rola jest silnie związana z mobilnością użytkownika w obrębie sieci LTE oraz podczas przejść między różnymi typami dostępu (np. LTE → 3G).

Główne funkcje SGW:

• Transmisja danych między eNodeB a PGW.
• Buforowanie danych podczas procedur handover między eNodeB.
• Przekazywanie danych do innych SGW podczas międzyregionalnego handover.
• Utrzymywanie kontekstu użytkownika (m.in. identyfikatorów tuneli GTP-U).
• Współpraca z MME w procesach zarządzania mobilnością.

SGW nie wykonuje funkcji związanych z bezpieczeństwem, translacją adresów IP czy zarządzaniem dostępem do usług – za te procesy odpowiada PGW.

PGW – Packet Data Network Gateway

PGW (Packet Data Network Gateway), zwany również PDN-GW, stanowi wyjście użytkownika z sieci operatora LTE do zewnętrznych sieci pakietowych, takich jak Internet, prywatne sieci firmowe lub IMS. To na poziomie PGW realizowane są mechanizmy zarządzania QoS, przydziału adresów IP oraz kontroli polityki dostępu do usług.

Główne funkcje PGW:

• Przydzielanie adresów IP dla interfejsów UE (User Equipment).
• Realizacja polityk QoS i PCC (Policy and Charging Control).
• Translacja adresów (NAT) w kierunku sieci zewnętrznych.
• Filtrowanie ruchu oraz nadzór bezpieczeństwa danych.
• Realizacja funkcji billingowych (raportowanie objętości transmisji).

PGW pełni również funkcję zakończenia sesji użytkownika – zarówno w sensie logicznym, jak i transportowym. W niektórych wdrożeniach może integrować się z funkcjami IMS, VoLTE oraz aplikacjami klasy operatora.

Struktura współpracy między SGW i PGW

SGW i PGW są połączone za pomocą interfejsu S5/S8. Interfejs S5 jest używany, gdy oba komponenty znajdują się w tej samej sieci operatora. Interfejs S8 wykorzystywany jest, gdy SGW i PGW należą do różnych operatorów – np. w roamingu.

SGW odbiera pakiety z eNodeB i przesyła je dalej do PGW, który kieruje je do Internetu lub odpowiedniej sieci PDN. W kierunku odwrotnym PGW przyjmuje pakiety i kieruje je do SGW, a następnie do odpowiedniego eNodeB obsługującego danego użytkownika.

Mobilność i przekazywanie połączeń

SGW odgrywa istotną rolę w obsłudze mobilności użytkownika – zarówno wewnątrz tej samej sieci (intra-LTE), jak i między różnymi technologiami (np. LTE → 3G). Dzięki mechanizmom buforowania i rekonfiguracji tuneli GTP-U, możliwe jest płynne przekazanie połączenia bez utraty pakietów. W przypadku międzyregionalnego handover, może dojść do zmiany SGW – wówczas konieczne jest przeniesienie stanu sesji do nowego węzła.

PGW pozostaje zwykle niezmienny w czasie trwania sesji użytkownika, nawet w przypadku roamingu krajowego lub międzynarodowego. Jego stabilność jest kluczowa dla utrzymania adresu IP oraz ciągłości usług wymagających sesji, takich jak VoIP czy streaming wideo.

Zarządzanie jakością usług i polityką

PGW, we współpracy z PCRF (Policy and Charging Rules Function), steruje parametrami QoS i dostępem użytkownika do określonych usług. W zależności od rodzaju aplikacji, możliwe jest przypisanie różnych priorytetów i limitów przepustowości. Funkcje te są implementowane przez reguły PCC i umożliwiają dynamiczne dopasowanie zasobów sieciowych.

Bezpieczeństwo i translacja adresów

PGW może realizować translację adresów (NAT) dla ruchu wychodzącego do Internetu. Umożliwia to ukrycie wewnętrznych adresów IP użytkowników oraz kontrolę nad dostępem do zasobów publicznych. Wdrożenie funkcji firewall i DPI (Deep Packet Inspection) pozwala także na zabezpieczenie sieci operatora przed zagrożeniami zewnętrznymi.

Przykład działania SGW i PGW w sesji transmisji danych

Gdy użytkownik rozpoczyna transmisję danych (np. otwarcie strony WWW), eNodeB przesyła pakiety do SGW, który kieruje je do odpowiedniego PGW. PGW sprawdza polityki dostępu, przypisuje odpowiednie parametry QoS i kieruje dane do sieci zewnętrznej (np. Internetu). Pakiety powrotne trafiają najpierw do PGW, a potem przez SGW wracają do użytkownika. Wszystko to dzieje się z minimalnymi opóźnieniami i przy pełnej kontroli sesji.

Różnice funkcjonalne między SGW i PGW

Oba komponenty – SGW i PGW – są ściśle powiązane funkcjonalnie, jednak pełnią odmienne role. SGW koncentruje się na przekazywaniu i mobilności, PGW na zarządzaniu sesjami, dostępem i integracją z Internetem.

Warto także zapoznać się z tematem EPC (Evolved Packet Core), by lepiej zrozumieć, jak SGW i PGW wpisują się w całą architekturę sieci LTE.