移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)核心網(wǎng)的影響和應(yīng)對(duì)

中國(guó)電信股份有限公司常州分公司 陳劍兵

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)核心網(wǎng)的影響和應(yīng)對(duì)

中國(guó)電信股份有限公司常州分公司 陳劍兵

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展和普及必然對(duì)核心網(wǎng)的資源、架構(gòu)、承載能力等形成一定的影響。論述了移動(dòng)核心網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)各自的特征，分析了具體影響因素，并討論了應(yīng)對(duì)思路。

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)； 核心網(wǎng)； 業(yè)務(wù)

1 移動(dòng)核心網(wǎng)

1.1 3G核心網(wǎng)

3G（第三代移動(dòng)通信）核心網(wǎng)即現(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)于CDMA（碼分多址）制式，相當(dāng)于向全I(xiàn)P（網(wǎng)際協(xié)議）演進(jìn)過(guò)程中的Phase 2階段。在這一階段，核心網(wǎng)分為電路域和分組域，電路域?qū)崿F(xiàn)了控制和承載分離，從而實(shí)現(xiàn)了向全I(xiàn)P演進(jìn)的第一步，核心網(wǎng)和接入網(wǎng)將獨(dú)立演進(jìn)。

1.2 LTE核心網(wǎng)

LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）的目標(biāo)是具有更高的數(shù)據(jù)速率、更低的延時(shí)、較低的成本，改進(jìn)的系統(tǒng)容量和覆蓋范圍[1]?；谶@樣的目標(biāo)，LTE采用扁平化、IP化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，取消了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC），各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的接口采用IP傳輸，原電路域業(yè)務(wù)均可由分組域承載，通過(guò)IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）提供語(yǔ)音及多媒體業(yè)務(wù)。

LTE的核心網(wǎng)定義為EPC（演進(jìn)的分組核心網(wǎng)）。EPC架構(gòu)的特征包括：

1） 控制面與用戶面完全分離，網(wǎng)絡(luò)趨向于更加扁平化；

2） 支持3GPP（第3代伙伴計(jì)劃）與非3GPP多種接入方式及相互之間的漫游和切換，實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)的融合；

3） 核心網(wǎng)中不再有電路域，EPC成為移動(dòng)電信業(yè)務(wù)的基本承載網(wǎng)絡(luò)。

EPC網(wǎng)的網(wǎng)元主要包括MME（移動(dòng)性管理實(shí)體）、SGW（服務(wù)網(wǎng)關(guān)）、PGW（分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)）、HSS（歸屬用戶服務(wù)器）、PCRF（策略和計(jì)費(fèi)規(guī)則功能）等，如圖1所示，各網(wǎng)元的基本功能是：

MME主要負(fù)責(zé)用戶接入控制，業(yè)務(wù)承載控制，尋呼切換控制等控制信令的處理；

SGW負(fù)責(zé)用戶IP數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)用戶在eNode B之間移動(dòng)時(shí)，SGW作為數(shù)據(jù)承載的本地移動(dòng)性錨點(diǎn)；

PGW為PDN（分組數(shù)據(jù)網(wǎng)）網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)用戶IP地址分配和QoS（服務(wù)質(zhì)量）保證，并根據(jù)PCRF進(jìn)行基于流量的計(jì)費(fèi)[2]；

HSS是存儲(chǔ)用戶EPC簽約信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3 移動(dòng)核心網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)

總體而言，LTE是一個(gè)基于全I(xiàn)P承載的以流量匯聚和集中管理為目標(biāo)的移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)核心網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)為：電路域向著軟交換的架構(gòu)演進(jìn)，分組域向著統(tǒng)一的EPC融合架構(gòu)演進(jìn)，IMS成為固定、移動(dòng)融合的控制網(wǎng)絡(luò)，IMS加EPC將成為未來(lái)移動(dòng)核心網(wǎng)的核心架構(gòu)[1]。

2 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)

2.1 概念和特征

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)是以移動(dòng)通信網(wǎng)作為接入網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)[3]。它是一個(gè)全國(guó)性的、以移動(dòng)為技術(shù)核心的，可同時(shí)提供話音、數(shù)據(jù)、圖像、多媒體等服務(wù)的新一代開放的電信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)?？梢詭椭脩衾靡苿?dòng)終端通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)、獲取信息內(nèi)容、進(jìn)行商務(wù)娛樂、使用互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等。

相對(duì)傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)更強(qiáng)調(diào)移動(dòng)性，它特指以2G、3G、LTE等無(wú)線接入方式使用蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)，不包含IEEE 802.11〔WI-FI（無(wú)線保真）〕技術(shù)。

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)是移動(dòng)通信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的結(jié)果，它既具備了互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)多樣性和移動(dòng)通信的便捷性，也衍生出自己的一些特性。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)最突出的優(yōu)勢(shì)就是便捷的移動(dòng)性、個(gè)性化，并且具有明顯的用戶規(guī)模優(yōu)勢(shì)。它具備用戶可識(shí)別、終端可移動(dòng)、受終端和網(wǎng)絡(luò)的局限、業(yè)務(wù)差異性等特點(diǎn)。

2.2 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)

2.2.1 主流移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)

主流移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)指的是滿足移動(dòng)用戶通信、社交、娛樂等方面的業(yè)務(wù)，包括：

1） 即時(shí)通信。移動(dòng)QQ、微信等成為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展最快的業(yè)務(wù)，主要特點(diǎn)是小流量、用戶多、連接型、會(huì)話長(zhǎng)。

2） 移動(dòng)社交。最普及的應(yīng)用包括微博、朋友圈等。由于圖片視頻等多媒體文件的引入，同樣對(duì)帶寬提出了更高的要求。

3） 手機(jī)游戲。包括單機(jī)游戲和手機(jī)網(wǎng)游，一般對(duì)帶寬要求不高，但對(duì)時(shí)延有一定要求。

4） 移動(dòng)視頻。包括直播和點(diǎn)播業(yè)務(wù)，隨著分辨率的大幅提升，對(duì)帶寬要求越來(lái)越高。

5） 移動(dòng)瀏覽。包括瀏覽門戶網(wǎng)站和在線閱讀等。

6） 移動(dòng)位置等業(yè)務(wù)。

2.2.2 M2M業(yè)務(wù)

M2M（機(jī)器對(duì)機(jī)器）即機(jī)器之間的通信，以區(qū)別于人與人之間的通信，也就是物聯(lián)網(wǎng)，3GPP標(biāo)準(zhǔn)中也叫MTC（機(jī)器類型通信）。根據(jù)終端的傳輸數(shù)據(jù)量、頻度、移動(dòng)性要求、時(shí)間窗要求和QoS需求等可把這類應(yīng)用分為：

1） 監(jiān)控報(bào)警類。傳感器監(jiān)控本地?cái)?shù)據(jù)，產(chǎn)生非預(yù)期狀態(tài)時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通知應(yīng)用層進(jìn)行報(bào)警。典型應(yīng)用特征是低數(shù)據(jù)利用率，一般無(wú)移動(dòng)性需求，QoS需求極高，連接性要求高。

2） 信息推送類。網(wǎng)絡(luò)層向用戶層發(fā)送訂閱信息，應(yīng)用場(chǎng)景有天氣預(yù)報(bào)、交通狀態(tài)發(fā)布等，一般在指定時(shí)間窗內(nèi)發(fā)送。

3） 視頻監(jiān)控類。本地實(shí)時(shí)采集視頻數(shù)據(jù)并上傳到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。其特征為：上行流量大，下行流量較?。煌ǔＰ?4小時(shí)在線；QoS需求高；連接性要求高。

4） 遠(yuǎn)程控制類。指智能家居等方面的應(yīng)用。

3 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)核心網(wǎng)的影響

3.1 主流業(yè)務(wù)的影響

隨著用戶規(guī)模增加、使用率提升、常在線應(yīng)用等因素的影響，移動(dòng)網(wǎng)的流量和信令會(huì)快速增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)面臨的最大壓力是信令風(fēng)暴，它對(duì)移動(dòng)核心網(wǎng)的影響主要有以下幾個(gè)方面：

1） 加速IP地址短缺。用戶使用永久在線模式（always online），導(dǎo)致忙時(shí)在線用戶數(shù)激增。

2） PDSN（分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)）能力不足。微信、微博等業(yè)務(wù)帶來(lái)大量的小流量包，降低了PDSN的轉(zhuǎn)發(fā)能力；云存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)視頻等大流量業(yè)務(wù)使得PDSN吞吐量增長(zhǎng)，使得在線用戶數(shù)普遍超標(biāo)，限制了業(yè)務(wù)發(fā)展。

3） AAA/AN（接入網(wǎng)認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)）-AAA壓力增加。大量的休眠、激活狀態(tài)轉(zhuǎn)換、業(yè)務(wù)頻繁上線、下線增加了認(rèn)證計(jì)費(fèi)性能要求和信令處理能力，造成設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行[1]。

此外，從業(yè)務(wù)上看，OTT（over the top）業(yè)務(wù)的普及對(duì)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)形成了沖擊，電信網(wǎng)絡(luò)日益管道化，造成增量不增收、負(fù)載不均衡等運(yùn)營(yíng)問(wèn)題。

3.2 M2M業(yè)務(wù)的影響

3GPP分析了M2M業(yè)務(wù)的行業(yè)應(yīng)用需求并提取了多種業(yè)務(wù)特征，包括通用業(yè)務(wù)特征和特定業(yè)務(wù)特征。大量機(jī)器型業(yè)務(wù)在應(yīng)用時(shí)也會(huì)對(duì)移動(dòng)核心網(wǎng)帶來(lái)很大的負(fù)荷，某些業(yè)務(wù)需核心網(wǎng)開發(fā)新功能才能支持。M2M業(yè)務(wù)對(duì)核心網(wǎng)的影響主要有：

1） 信令擁塞和過(guò)載。海量終端的引入、周期性發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、斷電重啟等會(huì)造成設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的大量信令交互，核心網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)和鏈路面臨沉重負(fù)荷。

2） 私網(wǎng)公網(wǎng)通信機(jī)制。核心網(wǎng)資源有限，因而需要建立一種機(jī)制支持并滿足服務(wù)器與海量M2M終端間的通信。

3） 終端標(biāo)識(shí)管理。目前業(yè)界意見是仍采用IMSI（國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼）等傳統(tǒng)終端的通信內(nèi)部標(biāo)識(shí)，這樣就不需要在通信網(wǎng)絡(luò)中增加新的標(biāo)識(shí)，但核心網(wǎng)需要有某種機(jī)制來(lái)映射IMSI內(nèi)部標(biāo)識(shí)與M2M終端的外部標(biāo)識(shí)。

4） 業(yè)務(wù)簽約控制。當(dāng)M2M業(yè)務(wù)特征與網(wǎng)絡(luò)自身能力不匹配時(shí)，核心網(wǎng)要能夠接收或拒絕這些業(yè)務(wù)特征的簽約。

5） 根據(jù)業(yè)務(wù)特征優(yōu)化。核心網(wǎng)應(yīng)能根據(jù)一些M2M業(yè)務(wù)的低移動(dòng)性特征、通信時(shí)間特征、群組屬性特征、終端異常事件等進(jìn)行優(yōu)化，從而減少資源消耗、降低系統(tǒng)控制復(fù)雜程度。

4 移動(dòng)核心網(wǎng)對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的支持

4.1 對(duì)主流移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的支持

4.1.1 運(yùn)用智能管道技術(shù)

智能管道指運(yùn)營(yíng)商充分利用自身業(yè)務(wù)能力及客戶關(guān)系，提供單純數(shù)據(jù)連接之上的附加價(jià)值，實(shí)現(xiàn)用戶可識(shí)別、業(yè)務(wù)可區(qū)分、流量可調(diào)控、網(wǎng)絡(luò)可管理，從而將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)利潤(rùn)在運(yùn)營(yíng)商和業(yè)務(wù)提供商之間合理分配。其應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)為：

1） 業(yè)務(wù)感知技術(shù)。采用DPI（深度包檢測(cè)）技術(shù)針對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行流量檢測(cè)和控制，分析IP報(bào)文中4～7層數(shù)據(jù)，采用特征字識(shí)別、應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)識(shí)別、行為模式識(shí)別等技術(shù)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)加以管理，這是實(shí)現(xiàn)智能管道的前提。

2） 移動(dòng)網(wǎng)策略控制技術(shù)。3GPP提出了PCC（策略控制和計(jì)費(fèi)）架構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線分組網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸QoS等策略和計(jì)費(fèi)控制?；谠摷軜?gòu)，可以實(shí)現(xiàn)基于用戶等級(jí)、時(shí)間、區(qū)域、流量、使用時(shí)長(zhǎng)、業(yè)務(wù)類型、帶寬等各個(gè)維度的策略控制。

3） 智能CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)）技術(shù)。CDN是分布式的，利用全局負(fù)載均衡技術(shù)將用戶的訪問(wèn)指向離用戶最近的流媒體服務(wù)器上，由流媒體服務(wù)器直接響應(yīng)用戶請(qǐng)求，避免節(jié)點(diǎn)過(guò)載，提升用戶體驗(yàn)。

4.1.2 實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)協(xié)同

很多地區(qū)同時(shí)具有固定接入、2G、3G、LTE接入，要實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)協(xié)同，就必須由統(tǒng)一的移動(dòng)核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)用戶在多網(wǎng)之間的移動(dòng)性管理和會(huì)話管理。EPC網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)移動(dòng)核心網(wǎng)的新架構(gòu)，它使網(wǎng)絡(luò)更加扁平高效，向上支持IMS網(wǎng)絡(luò)，向下支持多種接入，并提供不同接入技術(shù)的切換和互通，是核心網(wǎng)演進(jìn)方向。

1） 配置ANDSF（接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和選擇功能）。運(yùn)營(yíng)商通過(guò)配置ANDSF網(wǎng)元，響應(yīng)終端的接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求或基于網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)主動(dòng)傳輸初始化數(shù)據(jù)到終端。

2） 通過(guò)WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)流量分流。WLAN公共熱點(diǎn)的建設(shè)，使WLAN加移動(dòng)接入成為當(dāng)前較低成本的流量解決方案。

4.1.3 提高網(wǎng)絡(luò)安全性

移動(dòng)核心網(wǎng)正向全I(xiàn)P方向發(fā)展，將在LTE階段實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P化?；贗P的互聯(lián)網(wǎng)安全問(wèn)題同樣也會(huì)出現(xiàn)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，這將是此時(shí)面臨的主要安全威脅，這些威脅和應(yīng)對(duì)措施有：

1） 設(shè)備層面的安全，要對(duì)承載業(yè)務(wù)的設(shè)備，包括網(wǎng)元、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行安全加固。

2） 網(wǎng)絡(luò)層面的安全，可以根據(jù)不同接口和業(yè)務(wù)差異，針對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)劃分不同的安全域，部署相應(yīng)的安全策略進(jìn)行安全加固。

3） 業(yè)務(wù)層面的安全，通過(guò)引進(jìn)DPI系統(tǒng)屏蔽非法業(yè)務(wù)流量，管控異常流量。

4.2 對(duì)M2M業(yè)務(wù)的支持

3GPP/3GPP2基本確定了支持M2M業(yè)務(wù)的移動(dòng)架構(gòu)，引入MTC-IWF（互通功能）（MTC網(wǎng)關(guān)）并定義了幾個(gè)新的接口，對(duì)MTC服務(wù)器屏蔽核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)、執(zhí)行認(rèn)證、統(tǒng)一路由出口以支持MTC應(yīng)用。但由于3G核心網(wǎng)已部署一段時(shí)間，短期內(nèi)M2M應(yīng)用規(guī)模也較小，一般考慮對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)而非結(jié)構(gòu)改造。

1） 獨(dú)立號(hào)段組網(wǎng)。統(tǒng)一號(hào)段可在計(jì)費(fèi)、市場(chǎng)、統(tǒng)計(jì)等方面提供方便，并有利于網(wǎng)絡(luò)對(duì)終端和業(yè)務(wù)的識(shí)別。

2） 用戶等級(jí)控制?？赏ㄟ^(guò)DPI檢測(cè)應(yīng)用，通過(guò)PCC進(jìn)行控制，提升或降低M2M終端服務(wù)等級(jí)，保障網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。

3） 通信時(shí)間控制。為了避免大量設(shè)備集中接入導(dǎo)致核心網(wǎng)和空口資源擁塞，可控制設(shè)備接入時(shí)間，包括發(fā)送時(shí)間、發(fā)送間隔、在線時(shí)間等。

4） 分組域?qū)ず魞?yōu)化。終端主動(dòng)進(jìn)入空閑狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)采集數(shù)據(jù)時(shí)可通過(guò)多種方式發(fā)起觸發(fā)，通知終端發(fā)起請(qǐng)求，建立數(shù)據(jù)鏈路。

對(duì)于即將部署的LTE網(wǎng)絡(luò)，在EPC架構(gòu)下，較實(shí)用的支持未來(lái)大量M2M業(yè)務(wù)的方案仍是對(duì)相關(guān)網(wǎng)元進(jìn)行增強(qiáng)改造，這些方案包括：擁塞/過(guò)負(fù)荷控制、移動(dòng)性管理功能增強(qiáng)、終端標(biāo)識(shí)管理增強(qiáng)、小數(shù)據(jù)傳輸效率增強(qiáng)、終端通信時(shí)間控制優(yōu)化等。

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