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)
1.1 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]。
2.1 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。
3.1 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。
4.1 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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