移動(dòng)核心網(wǎng)發(fā)展淺析

胡建村　俞一帆

【摘要】移動(dòng)通信自從誕生以來已歷經(jīng)了三十多年的飛速發(fā)展。文章簡(jiǎn)要闡述了第一代到第三代及至目前正在研究中的新一代移動(dòng)核心網(wǎng)的特點(diǎn),在全面分析了移動(dòng)核心網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)后指出:移動(dòng)核心網(wǎng)在未來將具有全I(xiàn)P化、融合及智能化的主要特征,最終形成一個(gè)異構(gòu)的以用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為中心的融合網(wǎng)絡(luò)。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)核心網(wǎng) 3G LTE-SAE 全I(xiàn)P 融合 智能

1 前言

移動(dòng)通信是當(dāng)今通信領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一,它對(duì)人類生活及社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。自從美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室1978年開發(fā)出歷史上第一個(gè)真正商用意義上的具有隨時(shí)隨地通信能力的大容量的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)——先進(jìn)移動(dòng)電話業(yè)務(wù)(AMPS)系統(tǒng)以來,移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展已歷經(jīng)了三十多年。到目前為止,商用蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)已發(fā)展到了第三代,并且3G未來長(zhǎng)期演進(jìn)系統(tǒng)(LTE)也逐步進(jìn)入試商用階段。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(1G)于上世紀(jì)70年代末由美國(guó)首先進(jìn)行大規(guī)模商用部署,是模擬制式的頻分雙工(FDD,Frequency Division Duplex)系統(tǒng)。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)(2G)從20世紀(jì)90年代開始逐漸發(fā)展起來。其中,由歐洲開發(fā)的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM(Global System for Mobile communications)和美國(guó)推出的窄帶CDMA(IS-95)系統(tǒng)是這一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的典型代表。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)在21世紀(jì)初開始逐步進(jìn)入商用階段,其典型代表為由歐洲主導(dǎo)的WCDMA系統(tǒng)、美國(guó)主導(dǎo)的CDMA2000系統(tǒng)和中國(guó)推出的TD-SCDMA系統(tǒng),其中由中國(guó)提出的TD-SCDMA系統(tǒng)已于2008年實(shí)現(xiàn)商用。本文將針對(duì)移動(dòng)核心網(wǎng)的發(fā)展演進(jìn)進(jìn)行全面分析。

2移動(dòng)核心網(wǎng)的發(fā)展歷程

如圖1所示,移動(dòng)通信系統(tǒng)主要由核心網(wǎng)(CN)、無線接入網(wǎng)(RAN)及移動(dòng)臺(tái)(MS)三部分組成。無線接入網(wǎng)負(fù)責(zé)向用戶提供無線傳輸通道,使用戶能夠利用無線信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息傳輸,同時(shí)還負(fù)責(zé)信息在無線信號(hào)和有線信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。移動(dòng)臺(tái)是由用戶使用的用于移動(dòng)通信的終端,負(fù)責(zé)把用戶的語音等自然信息轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識(shí)別的電子信息,并利用無線接口與系統(tǒng)交互。核心網(wǎng)的功能是負(fù)責(zé)信息在系統(tǒng)內(nèi)部的交換、路由,用戶數(shù)據(jù)管理、安全等,以及與其它通信系統(tǒng)的信息交換傳輸。隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展,移動(dòng)核心網(wǎng)也一直處在演變之中。總體上來說,移動(dòng)核心網(wǎng)也經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段:

(1)在第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中,移動(dòng)核心網(wǎng)通過移動(dòng)交換中心(MSC)與公眾電話交換網(wǎng)(即PSTN)相連。此外,移動(dòng)交換中心還負(fù)責(zé)基站(BS)之間的通信。在通話過程中,移動(dòng)臺(tái)與所屬基站建立聯(lián)系,再通過基站連接至移動(dòng)交換中心,并最終接入到公共電話網(wǎng)。實(shí)際上,這一階段的移動(dòng)核心網(wǎng)同傳統(tǒng)的有線電話交換網(wǎng)相比,最主要的差別只是在于移動(dòng)核心網(wǎng)引入了對(duì)移動(dòng)臺(tái)的位置進(jìn)行記錄管理的功能實(shí)體,提供用戶在移動(dòng)狀態(tài)下的電話通信。因此,第一代移動(dòng)核心網(wǎng)可以看作傳統(tǒng)的有線電話交換網(wǎng)在移動(dòng)無線環(huán)境下的一種延伸。

(2)第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)出現(xiàn)后,其核心網(wǎng)的主體結(jié)構(gòu)仍然延續(xù)了第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在第二代移動(dòng)核心網(wǎng)里,移動(dòng)交換中心仍然是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心組件,其工作原理和第一代移動(dòng)核心網(wǎng)的移動(dòng)交換中心十分相似。但是,與第一代移動(dòng)核心網(wǎng)不同的是,第二代移動(dòng)核心網(wǎng)引入了支持可開放點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短信息業(yè)務(wù)的短信息業(yè)務(wù)中心,這使得2G系統(tǒng)既可以提供類似數(shù)字尋呼的業(yè)務(wù),也可以提供廣播式公共信息業(yè)務(wù)。

20世紀(jì)后期隨著互聯(lián)網(wǎng)的興起,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持,第二代移動(dòng)核心網(wǎng)進(jìn)一步引入了通用分組無線服務(wù)技術(shù)(GPRS,General Packet Radio Service)。這種技術(shù)突破了早期的第二代移動(dòng)核心網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式,而只需要在原有的移動(dòng)核心網(wǎng)內(nèi)增加相應(yīng)的功能實(shí)體并對(duì)已有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造就能在核心網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)分組交換。具體來說,GPRS技術(shù)引入了兩種新的核心網(wǎng)功能實(shí)體,即網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(GGSN,Gateway GPRS Supporting Node)和服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(SGSN,Serving GPRS Supporting Node)。GGSN的主要功能是提供PS域與外部IP分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連接,承擔(dān)網(wǎng)關(guān)或路由器的功能,并能夠輸出與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)使用相關(guān)的計(jì)費(fèi)信息。SGSN主要實(shí)現(xiàn)分組數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、邏輯鏈路管理、鑒權(quán)和加密、話單產(chǎn)生和輸出等功能。SGSN和GGSN形成數(shù)據(jù)包交換網(wǎng)的核心部分,一般合稱為GSN(GPRS Support Node)。另一種第二代IS-95技術(shù)核心網(wǎng)基于TIA/EIA-41標(biāo)準(zhǔn),支持基礎(chǔ)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

(3)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的移動(dòng)核心網(wǎng)與之前的移動(dòng)核心網(wǎng)相比,發(fā)生了顯著的變化。從標(biāo)準(zhǔn)制定進(jìn)程來看,如表1所示,WCDMA、TD-SCDMA對(duì)應(yīng)的核心網(wǎng)的演進(jìn)共經(jīng)歷了五個(gè)階段,可以看出:早期的3G核心網(wǎng)包括電路交換域(CS域,Circuit Switched Domain)和分組交換域(PS域,Packet Switched Domain)。CS域?yàn)橛脩籼峁半娐沸蜆I(yè)務(wù)”或相關(guān)信令連接路由,其基本結(jié)構(gòu)及功能與2G核心網(wǎng)的電路交換部分類似;但是通過引入軟交換技術(shù),3G核心網(wǎng)的CS域?qū)崿F(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)承載IP化。PS域?yàn)橛脩籼峁胺纸M型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)”,它實(shí)際上是以GPRS技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而來的。但是隨著3G核心網(wǎng)的演進(jìn),CS域逐步停止發(fā)展,PS域轉(zhuǎn)變?yōu)橐訧P多媒體子系統(tǒng)(IMS,IP Multimedia Subsystem)為核心的交換域。PS域除了承擔(dān)原有的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以外,還需要為IMS提供承載,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體業(yè)務(wù)的支持。圖2給出了R7版本移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖:

另一種3G系統(tǒng)CDMA2000的核心網(wǎng)演進(jìn)也引入了下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)的概念。如表2所示,3GPP2 CDMA2000核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)分四個(gè)階段演進(jìn),同樣可以看出其向全I(xiàn)P化演進(jìn)的趨勢(shì),并且同樣向IMS演進(jìn)。

繼第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)之后,目前針對(duì)新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究工作也已經(jīng)展開。3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)項(xiàng)目就是其中的一個(gè)重要分支,而與其相關(guān)的針對(duì)新一代移動(dòng)核心網(wǎng)的研究工作則被稱為系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)(LTE-SAE)。LTE-SAE采用全新的扁平式架構(gòu),移動(dòng)性管理實(shí)體(MME,Mobility Management Entity)與服務(wù)網(wǎng)關(guān)(SGW,Serving Gateway)是其核心組成部分,這兩個(gè)實(shí)體實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)控制同用戶數(shù)據(jù)控制的分離。此外,LTE-SAE還引入了多種被稱為錨點(diǎn)的功能實(shí)體,以實(shí)現(xiàn)自身網(wǎng)絡(luò)與包括3G及WLAN在內(nèi)的其他網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。LTE-SAE結(jié)構(gòu)內(nèi)的所有功能實(shí)體的接口均支持基于IP的協(xié)議。

3 移動(dòng)核心網(wǎng)演進(jìn)趨勢(shì)分析

從上述的移動(dòng)核心網(wǎng)發(fā)展情況可以看出,隨著移動(dòng)通信與互聯(lián)網(wǎng)的不斷融合,傳統(tǒng)的以電路交換為主的移動(dòng)核心網(wǎng)正加速向全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。這意味著移動(dòng)核心網(wǎng)的結(jié)構(gòu)將逐漸扁平化,從而顯著降低網(wǎng)絡(luò)成本,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)維護(hù),并促進(jìn)新業(yè)務(wù)的大量快速部署。因此,未來移動(dòng)核心網(wǎng)的主要特征可歸納為:全I(xiàn)P、融合及智能。

首先,移動(dòng)核心網(wǎng)的演進(jìn)體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)趨向全I(xiàn)P化的特征。從現(xiàn)有3G系統(tǒng)的電路域來看,移動(dòng)軟交換正逐步替代原有基于時(shí)分復(fù)用的電路交換方式,意即IP協(xié)議將在3G核心網(wǎng)的電路域得到更加廣泛的應(yīng)用;從2G及3G系統(tǒng)的分組域看,其支持的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)大部分基于IP協(xié)議,其中在2G系統(tǒng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)內(nèi),基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用(如WAP)正成為主流業(yè)務(wù),而3G的分組域則需要在完全基于IP協(xié)議的IMS平臺(tái)上提供大部分的業(yè)務(wù)。在新一代的LTE-SAE結(jié)構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有功能實(shí)體之間通信則已完全實(shí)現(xiàn)了IP化。因此,可以判斷,IP協(xié)議將逐漸取代基于時(shí)分復(fù)用的電路交換方式成為移動(dòng)核心網(wǎng)的主流交換協(xié)議。

其次,移動(dòng)核心網(wǎng)的發(fā)展不斷表現(xiàn)出融合的特點(diǎn),這種融合既包括網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的融合也包括不同網(wǎng)絡(luò)之間的融合。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的融合方面,2G系統(tǒng)的核心網(wǎng)首先出現(xiàn)了電路交換域同分組交換域的融合,這標(biāo)志著兩種采用了不同交換方式的系統(tǒng)開始出現(xiàn)在同一個(gè)核心網(wǎng)內(nèi)。隨后在3G系統(tǒng)中,基于軟交換方式的電路域也同基于IMS的分組域處于同一個(gè)核心網(wǎng)內(nèi)。但是需要指出的是,在2G及3G系統(tǒng)中,電路域和分組域是相互獨(dú)立運(yùn)行的,其各個(gè)功能實(shí)體之間沒有密切的聯(lián)系,因此這種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的融合是松散且相對(duì)獨(dú)立的。而LTE-SAE定義的核心網(wǎng)則不再對(duì)電路域和分組域進(jìn)行區(qū)分,2G及3G核心網(wǎng)內(nèi)原有的功能實(shí)體在LTE-SAE中得到了高度融合,所以LTE-SAE核心網(wǎng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)于原有的移動(dòng)核心網(wǎng)得到了相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各功能實(shí)體的融合帶來了用戶數(shù)據(jù)的高度融合,這就便于對(duì)用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)集中管理,完成以用戶為中心的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合,從而快速推出新的業(yè)務(wù)。

在不同網(wǎng)絡(luò)的融合方面,3G系統(tǒng)的核心網(wǎng)首先實(shí)現(xiàn)了對(duì)采用不同接入技術(shù)(如WLAN、xDSL)的網(wǎng)絡(luò)的融合,在3G系統(tǒng)的后期核心網(wǎng)中,這些采用了不同接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上已變成了整個(gè)3G系統(tǒng)的無線接入子系統(tǒng)。在LTE-SAE核心網(wǎng)中,不同網(wǎng)絡(luò)間的融合得到了進(jìn)一步強(qiáng)化。與3G系統(tǒng)不同的是,LTE、SAE核心網(wǎng)已經(jīng)把采用了不同接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一地看做了整個(gè)系統(tǒng)的無線接入網(wǎng)絡(luò),從而實(shí)現(xiàn)了接入方式的高度融合,這就使得用戶可以利用不同的終端(如3G手機(jī)、LTE手機(jī)或者WLAN設(shè)備)通過LTE-SAE核心網(wǎng)接收業(yè)務(wù)。因此,可以看到,未來的移動(dòng)核心網(wǎng)的結(jié)構(gòu)將更為簡(jiǎn)單扁平,它能夠?yàn)橛脩籼峁┒喾N多樣的通信方式、接入手段和無處不在的接入服務(wù),整個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將成為一個(gè)異構(gòu)泛在的通信系統(tǒng)。

再則,隨著向全I(xiàn)P化融合網(wǎng)絡(luò)的不斷演變,移動(dòng)核心網(wǎng)開始呈現(xiàn)出智能化的特征。一方面,移動(dòng)核心網(wǎng)的全I(xiàn)P化要求核心網(wǎng)必需具備電信級(jí)IP能力,這意味著網(wǎng)絡(luò)在IP QoS保障、可靠性及組網(wǎng)靈活性方面需要達(dá)到電信級(jí)要求。另一方面,移動(dòng)核心網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)融合方面的發(fā)展使得其必需面對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源和用戶需求的多樣性及不確定性。因此,為了應(yīng)對(duì)這兩方面帶來的問題,移動(dòng)核心網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)管理及控制方面就必需引入更多的智能化功能。比如,移動(dòng)核心網(wǎng)需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)產(chǎn)生的故障進(jìn)行快速檢測(cè)及修復(fù);能夠根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的資源進(jìn)行靈活共享,并實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡;能夠自適應(yīng)地控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗等等。

綜上所述,移動(dòng)核心網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入新的階段,全I(xiàn)P、融合及智能正逐步成為其主要特征。新的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體以及新的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)將會(huì)逐漸出現(xiàn)以滿足新的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求,目前的移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)在未來將最終形成一個(gè)異構(gòu)的以用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為中心的融合網(wǎng)絡(luò)。 ★

【作者簡(jiǎn)介】

胡建村:北京郵電大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士,研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信。現(xiàn)就職于思科系統(tǒng)(中國(guó))信息技術(shù)服務(wù)有限公司,在國(guó)內(nèi)外期刊會(huì)議上發(fā)表數(shù)十篇論文,出版專著一部。

俞一帆:北京郵電大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士,現(xiàn)就職于法國(guó)電信研發(fā)中心無線通信與網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室,從事B3G標(biāo)準(zhǔn)研究,在國(guó)內(nèi)外期刊會(huì)議上發(fā)表數(shù)十篇論文。