4G 核心網(wǎng)融合組網(wǎng)的技術(shù)分析與研究

劉 洋

（中移鐵通吉林分公司，吉林 長春 130012）

1 4G 核心網(wǎng)含義

4G 核心網(wǎng)即Evolved Packet Core（EPC），可以大幅提高數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度，促進(jìn)數(shù)據(jù)之間的快速交換。此外，4G 核心網(wǎng)還能夠滿足扁平化網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)傳輸需求。4G 核心網(wǎng)是當(dāng)前在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最為普遍的網(wǎng)絡(luò)。4G 網(wǎng)絡(luò)除了具備傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換、用戶簽約數(shù)據(jù)儲(chǔ)備以及移動(dòng)性管理等傳輸能力外，還可以對2G、3G 網(wǎng)絡(luò)的一些功能進(jìn)行分離處理，使4G 網(wǎng)絡(luò)具有與傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不同的功能。4G 網(wǎng)絡(luò)可以將媒體的轉(zhuǎn)發(fā)與信令控制功能進(jìn)行分離，充分體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)中的分離理念。使用不同的網(wǎng)元可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。例如在S-GW 中主要功能是轉(zhuǎn)發(fā)以及流媒體處理；而MME 可以進(jìn)行信令處理以及移動(dòng)性管理功能；使用PCRE 可以完成QoS 以及計(jì)費(fèi)功能。而在4G 網(wǎng)絡(luò)的這一部分，可以直接從2G 與3G 網(wǎng)絡(luò)的接口協(xié)議進(jìn)行發(fā)展，同時(shí)利用IP 協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)對其他實(shí)體功能的實(shí)現(xiàn)。此外，要根據(jù)4G 網(wǎng)絡(luò)的具體情況采用一些新增協(xié)議[1]。

2 EPC 核心網(wǎng)的問題

完成LTE 全網(wǎng)部署后，能夠?yàn)橛脩籼峁└鼉?yōu)良的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，能夠完成2G、3G 以及4G 網(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋。隨著運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的不斷完善與發(fā)展，能夠?yàn)橛脩籼峁┑木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量也越來越高。但是相應(yīng)的EPC 核心網(wǎng)的問題也更加突出。目前，EPC 核心網(wǎng)絡(luò)的問題主要表現(xiàn)在如下方面。

2.1 無法接入網(wǎng)絡(luò)

獨(dú)立設(shè)置TD、GSM、HLR、HSS 及EPC，會(huì)導(dǎo)致無線網(wǎng)之間的漫游出現(xiàn)不能接入網(wǎng)絡(luò)的情況。例如，網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)失敗的情況下，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)接入失敗概率升高的情況。這是核心網(wǎng)建設(shè)過程中面對的重要問題之一。

2.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)突然中斷

獨(dú)立設(shè)置TD GGSN 與GSM、EPC SAE-GW 等網(wǎng)絡(luò)，不能確保物理節(jié)點(diǎn)以及錨點(diǎn)的統(tǒng)一性，可能會(huì)影響核心網(wǎng)的建設(shè)進(jìn)程。例如，對GSM、TD 以及LTE無線網(wǎng)進(jìn)行切換時(shí)，并不能充分保證前后的物理節(jié)點(diǎn)是同一個(gè)，同時(shí)也不能保證核心網(wǎng)與PDN 錨點(diǎn)的一致性。此外，SGSN 不能完成疏通任務(wù)，很可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)突然中斷的問題。

2.3 信令風(fēng)暴

信令風(fēng)暴的壓力問題是EPC 核心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中必須面對的問題?，F(xiàn)階段，人們使用LTE 的頻率越來越高，范圍也越來越大，尤其是智能移動(dòng)終端的普及在一定程度上促進(jìn)人們對LTE 的使用。在建設(shè)LTEEPC 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，一定要先解決好信令風(fēng)暴問題。

2.4 數(shù)據(jù)切換問題

在建設(shè)EPC 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，主要使用的是TD 以及2G網(wǎng)絡(luò)不同的DNS 查詢方式，在查詢過程中需要確保DNS 數(shù)據(jù)的同步性，這樣就不能有效開展數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)與管理工作。此外，在建設(shè)核心網(wǎng)絡(luò)時(shí)，SGSN 也支持多DNS 的查詢功能，這就會(huì)在一定程度上影響數(shù)據(jù)切換效果，導(dǎo)致數(shù)據(jù)切換失敗。但是在當(dāng)前核心網(wǎng)用戶使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)，必須將LTE 與2G、TD 進(jìn)行有效切換。在切換過程中，為了能夠獲取SAE-GW 地址，需要在EPCDNS 發(fā)起查詢功能。

2.5 資源浪費(fèi)問題

這是EPC 核心網(wǎng)建設(shè)過程中的重要問題之一。特別是隨著LTE 用戶數(shù)量在不斷增加，傳統(tǒng)的TD 用戶與2G 網(wǎng)絡(luò)用戶一定會(huì)朝著LTE 用戶進(jìn)行轉(zhuǎn)變與過渡。在過渡過程中，很可能會(huì)出現(xiàn)一定的資源浪費(fèi)情況，資源利用率也會(huì)降低[2]。

為了防止在EPC 核心網(wǎng)發(fā)展過程中出現(xiàn)這個(gè)問題，必須對EPC 核心網(wǎng)進(jìn)行融合，以促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與升級，從而促進(jìn)全網(wǎng)統(tǒng)一控制。

3 4G 核心網(wǎng)融合組網(wǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢

在融合組網(wǎng)過程中，MME、HLR、SGSN、GGSN、 SAE-GW 以及HSS 的位置以及功能都是相類似的，各個(gè)廠家所生產(chǎn)使用的硬件平臺(tái)也基本上是一致的，主要包括現(xiàn)有的設(shè)備以及新型設(shè)備。在當(dāng)前的融合組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展過程中，有突出的應(yīng)用優(yōu)勢可以促進(jìn)融合組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用以及推廣。

融合組網(wǎng)的主要優(yōu)勢表現(xiàn)在如下3 個(gè)方面。第一，管理與維護(hù)工作更加方便快捷。融合組網(wǎng)可以有效減少網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中的節(jié)點(diǎn)，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精簡，方便后期對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)能夠降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的成本。第二，能夠促進(jìn)資源的共享。在融合組網(wǎng)發(fā)展過程中，可以保證資源共享的有效性，充分利用資源，能夠提高實(shí)際投資的經(jīng)濟(jì)效益。因?yàn)槿诤辖M網(wǎng)是集內(nèi)存、信令面以及數(shù)據(jù)面等資源為一體的資源共享平臺(tái)，并且可以延長加長板卡的使用周期，所以能防止在2G、3G 網(wǎng)絡(luò)用戶向LTE 轉(zhuǎn)化過程中出現(xiàn)資源浪費(fèi)的情況。第三，能夠提高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的質(zhì)量。促進(jìn)MME以及SGSN 網(wǎng)絡(luò)融合后，網(wǎng)絡(luò)之間的切換操作，可以使信令從網(wǎng)元變成設(shè)備內(nèi)部處理過程，可以減少信令負(fù)荷，防止出現(xiàn)信令風(fēng)暴問題，同時(shí)能夠降低LTE 操作時(shí)延。促進(jìn)SAE-GW 以及GGSM 網(wǎng)絡(luò)的融合，可以保證在實(shí)際操作中LTE 用戶的業(yè)務(wù)連續(xù)性[3]。

4 融合組網(wǎng)的技術(shù)研究

4.1 SGSN pool 關(guān)鍵技術(shù)

在3GPP TS23.236 技術(shù)規(guī)范中對池化概念有明確的規(guī)定，池化指的是一個(gè)池區(qū)主要是由多個(gè)核心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成。而在SGSN pool 中的每個(gè)BSC 以及RNC 與池組內(nèi)的所有SGSN 節(jié)點(diǎn)都有邏輯連接或者物理連接關(guān)系，并且每個(gè)SGSN 設(shè)備都可以對池組內(nèi)的所有BSC 以及KNC 提供有效服務(wù)。在實(shí)現(xiàn)SGSN pool 技術(shù)的過程中，存在重要參數(shù)，即網(wǎng)絡(luò)資源標(biāo)識(shí)（Network Resource Identifier，NRI），并存在關(guān)鍵功能，即非接入層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的選擇功能（NAS Node Selection Function，NNSF）。

將NSF 算法在無線側(cè)控制網(wǎng)元BSC 以及RNS 上進(jìn)行部署，以保證BSC 以及RNC 設(shè)備可以借助預(yù)設(shè)的負(fù)荷容量因子，對池組內(nèi)的每個(gè)SGSN 設(shè)備的負(fù)載進(jìn)行均衡化處理。

4.2 MME pool 關(guān)鍵技術(shù)

MME 池組指的是每個(gè)eNodeB 和池組內(nèi)的MME節(jié)點(diǎn)都有物理連接或者邏輯連接關(guān)系，并且每個(gè)MME設(shè)備都能夠?qū)Τ亟M內(nèi)的eNodeB 提供服務(wù)。在對EPC核心網(wǎng)進(jìn)行控制與承載分離的過程中，為了確保用戶接入網(wǎng)絡(luò)的安全性及私密性，需要使用多套MME 網(wǎng)元組成池組，借助與SGSN pool 相類似的工作流程，對用戶控制面的負(fù)荷進(jìn)行分擔(dān)以及容災(zāi)。這樣能夠利用預(yù)設(shè)在池內(nèi)的每個(gè)MME 網(wǎng)元中的S、P-GW 網(wǎng)元列表進(jìn)行優(yōu)先級處理，從而對全網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行有效的疏導(dǎo)以及負(fù)荷均衡處理。MME pool 池組中存在的重要參數(shù)，即全球唯一移動(dòng)性管理實(shí)體身份（Globally Unique Mobility Managemententity，GUMMEI），也存在關(guān)鍵功能，即非接入層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇功能（NAS Node Selection Function，NNSF）。在對MME Pool 技術(shù)進(jìn)行部署時(shí)，GUMMEI 的參數(shù)一般被設(shè)置在MME 設(shè)備中，可以分配給UE 全球唯一臨時(shí)身份（Globally Unique Temporary Identity，GUTI）。GUTI 主要特點(diǎn)是全球唯一性。在無線側(cè)網(wǎng)絡(luò)的唯一網(wǎng)元eNodeB 上部署NNSF 算法，可以使eNodeB 充分利用動(dòng)態(tài)負(fù)荷容量因子，借此對池組內(nèi)的MME 設(shè)備進(jìn)行均衡負(fù)載處理[4]。

4.3 GSN 以及MME pool 關(guān)鍵技術(shù)

對GUTI 以及P-TMSI 參數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，EPC 融合網(wǎng)絡(luò)在制定規(guī)范的過程中，就已經(jīng)對MME 網(wǎng)元進(jìn)行池化組網(wǎng)的必須性進(jìn)行了明確與標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并在一定程度上優(yōu)化了SGSN 組pool 中存在的NRI 復(fù)用問題，有效減少了池組規(guī)劃過程中的難度，取消了用戶容量以及網(wǎng)元標(biāo)識(shí)長度之間的制約關(guān)系。此外，在對NNSF 算法進(jìn)行功能部署的過程中，部署實(shí)體會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化的影響，也出現(xiàn)一定程度的變化，并且負(fù)荷均衡算法也從預(yù)設(shè)靜態(tài)方式變成了動(dòng)態(tài)的負(fù)荷容量因子分發(fā)方式。這能夠大大提高池化組網(wǎng)的優(yōu)勢以及組網(wǎng)的安全性，保證組網(wǎng)過程中的資源利用情況，防止出現(xiàn)資源浪費(fèi)以及組網(wǎng)不穩(wěn)定 的問題[5]。

5 結(jié) 論

本文介紹了4G 核心網(wǎng)的含義，明確了EPC 核心網(wǎng)的問題，說明了4G 核心網(wǎng)融合組網(wǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢，并對融合組網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)行了研究，以供參考。