胡建村　俞一帆

【摘要】移動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核心網(wǎng)的特點,在全面分析了移動核心網(wǎng)的發(fā)展趨勢后指出:移動核心網(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】移動核心網(wǎng) 3G LTE-SAE 全I(xiàn)P 融合 智能

1 前言

移動通信是當(dāng)今通信領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一,它對人類生活及社會發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。自從美國貝爾實驗室1978年開發(fā)出歷史上第一個真正商用意義上的具有隨時隨地通信能力的大容量的蜂窩移動通信系統(tǒng)——先進移動電話業(yè)務(wù)(AMPS)系統(tǒng)以來,移動通信系統(tǒng)的發(fā)展已歷經(jīng)了三十多年。到目前為止,商用蜂窩移動通信系統(tǒng)已發(fā)展到了第三代,并且3G未來長期演進系統(tǒng)(LTE)也逐步進入試商用階段。第一代移動通信系統(tǒng)(1G)于上世紀(jì)70年代末由美國首先進行大規(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)的全球移動通信系統(tǒng)GSM(Global System for Mobile communications)和美國推出的窄帶CDMA(IS-95)系統(tǒng)是這一代移動通信系統(tǒng)的典型代表。第三代移動通信系統(tǒng)(3G)在21世紀(jì)初開始逐步進入商用階段,其典型代表為由歐洲主導(dǎo)的WCDMA系統(tǒng)、美國主導(dǎo)的CDMA2000系統(tǒng)和中國推出的TD-SCDMA系統(tǒng),其中由中國提出的TD-SCDMA系統(tǒng)已于2008年實現(xiàn)商用。本文將針對移動核心網(wǎng)的發(fā)展演進進行全面分析。

2移動核心網(wǎng)的發(fā)展歷程

如圖1所示,移動通信系統(tǒng)主要由核心網(wǎng)(CN)、無線接入網(wǎng)(RAN)及移動臺(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實現(xiàn)信息傳輸,同時還負(fù)責(zé)信息在無線信號和有線信號之間的轉(zhuǎn)換。移動臺是由用戶使用的用于移動通信的終端,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。隨著移動通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展,移動核心網(wǎng)也一直處在演變之中。總體上來說,移動核心網(wǎng)也經(jīng)歷了三個發(fā)展階段:

(1)在第一代移動通信系統(tǒng)中,移動核心網(wǎng)通過移動交換中心(MSC)與公眾電話交換網(wǎng)(即PSTN)相連。此外,移動交換中心還負(fù)責(zé)基站(BS)之間的通信。在通話過程中,移動臺與所屬基站建立聯(lián)系,再通過基站連接至移動交換中心,并最終接入到公共電話網(wǎng)。實際上,這一階段的移動核心網(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核心網(wǎng)引入了對移動臺的位置進行記錄管理的功能實體,提供用戶在移動狀態(tài)下的電話通信。因此,第一代移動核心網(wǎng)可以看作傳統(tǒng)的有線電話交換網(wǎng)在移動無線環(huán)境下的一種延伸。

(2)第二代移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)后,其核心網(wǎng)的主體結(jié)構(gòu)仍然延續(xù)了第一代移動通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在第二代移動核心網(wǎng)里,移動交換中心仍然是整個網(wǎng)絡(luò)的核心組件,其工作原理和第一代移動核心網(wǎng)的移動交換中心十分相似。但是,與第一代移動核心網(wǎng)不同的是,第二代移動核心網(wǎng)引入了支持可開放點對點的短信息業(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。為了實現(xiàn)對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持,第二代移動核心網(wǎng)進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核心網(wǎng)內(nèi)增加相應(yīng)的功能實體并對已有的基站系統(tǒng)進行部分改造就能在核心網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)分組交換。具體來說,GPRS技術(shù)引入了兩種新的核心網(wǎng)功能實體,即網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(GGSN,Gateway GPRS Supporting Node)和服務(wù)GPRS支持節(jié)點(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)的計費信息。SGSN主要實現(xiàn)分組數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)、移動性管理、會話管理、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)第三代移動通信系統(tǒng)的移動核心網(wǎng)與之前的移動核心網(wǎng)相比,發(fā)生了顯著的變化。從標(biāo)準(zhǔn)制定進程來看,如表1所示,WCDMA、TD-SCDMA對應(yīng)的核心網(wǎng)的演進共經(jīng)歷了五個階段,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域為用戶提供“電路型業(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域為用戶提供“分組型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)”,它實際上是以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,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,從而實現(xiàn)對多媒體業(yè)務(wù)的支持。圖2給出了R7版本移動通信網(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)分四個階段演進,同樣可以看出其向全I(xiàn)P化演進的趨勢,并且同樣向IMS演進。

繼第三代移動通信系統(tǒng)之后,目前針對新一代移動通信系統(tǒng)的研究工作也已經(jīng)展開。3GPP長期演進(LTE)項目就是其中的一個重要分支,而與其相關(guān)的針對新一代移動核心網(wǎng)的研究工作則被稱為系統(tǒng)架構(gòu)演進(LTE-SAE)。LTE-SAE采用全新的扁平式架構(gòu),移動性管理實體(MME,Mobility Management Entity)與服務(wù)網(wǎng)關(guān)(SGW,Serving Gateway)是其核心組成部分,這兩個實體實現(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的功能實體,以實現(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)的所有功能實體的接口均支持基于IP的協(xié)議。

3 移動核心網(wǎng)演進趨勢分析

從上述的移動核心網(wǎng)發(fā)展情況可以看出,隨著移動通信與互聯(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,實現(xiàn)簡單高效的網(wǎng)絡(luò)運營維護,并促進新業(yè)務(wù)的大量快速部署。因此,未來移動核心網(wǎng)的主要特征可歸納為:全I(xiàn)P、融合及智能。

首先,移動核心網(wǎng)的演進體現(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,移動軟交換正逐步替代原有基于時分復(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)的所有功能實體之間通信則已完全實現(xiàn)了IP化。因此,可以判斷,IP協(xié)議將逐漸取代基于時分復(fù)用的電路交換方式成為移動核心網(wǎng)的主流交換協(xié)議。

其次,移動核心網(wǎng)的發(fā)展不斷表現(xiàn)出融合的特點,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立運行的,其各個功能實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獨立的。而LTE-SAE定義的核心網(wǎng)則不再對電路域和分組域進行區(qū)分,2G及3G核心網(wǎng)內(nèi)原有的功能實體在LTE-SAE中得到了高度融合,所以LTE-SAE核心網(wǎng)的結(jié)構(gòu)相對于原有的移動核心網(wǎng)得到了相當(dāng)?shù)暮喕?。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各功能實體的融合帶來了用戶數(shù)據(jù)的高度融合,這就便于對用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實現(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)首先實現(xiàn)了對采用不同接入技術(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)實際上已變成了整個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)間的融合得到了進一步強化。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)一地看做了整個系統(tǒng)的無線接入網(wǎng)絡(luò),從而實現(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、LTE手機或者WLAN設(shè)備)通過LTE-SAE核心網(wǎng)接收業(yè)務(wù)。因此,可以看到,未來的移動核心網(wǎng)的結(jié)構(gòu)將更為簡單扁平,它能夠為用戶提供多種多樣的通信方式、接入手段和無處不在的接入服務(wù),整個移動網(wǎng)絡(luò)將成為一個異構(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,移動核心網(wǎng)開始呈現(xiàn)出智能化的特征。一方面,移動核心網(wǎng)的全I(xiàn)P化要求核心網(wǎng)必需具備電信級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)到電信級要求。另一方面,移動核心網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)融合方面的發(fā)展使得其必需面對網(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)對這兩方面帶來的問題,移動核心網(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,移動核心網(wǎng)需要對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)產(chǎn)生的故障進行快速檢測及修復(fù);能夠根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)需求對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的資源進行靈活共享,并實現(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,移動核心網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)進入新的階段,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)功能實體以及新的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)將會逐漸出現(xiàn)以滿足新的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求,目前的移動核心網(wǎng)絡(luò)在未來將最終形成一個異構(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,研究方向為移動通信?，F(xiàn)就職于思科系統(tǒng)(中國)信息技術(shù)服務(wù)有限公司,在國內(nèi)外期刊會議上發(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)就職于法國電信研發(fā)中心無線通信與網(wǎng)絡(luò)實驗室,從事B3G標(biāo)準(zhǔn)研究,在國內(nèi)外期刊會議上發(fā)表數(shù)十篇論文。