中國電信股份有限公司常州分公司 陳劍兵

移動互聯(lián)網(wǎng)對核心網(wǎng)的影響和應(yīng)對

中國電信股份有限公司常州分公司 陳劍兵

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

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

1 移動核心網(wǎng)

1.1 3G核心網(wǎng)

3G（第三代移動通信）核心網(wǎng)即現(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對于CDMA（碼分多址）制式，相當(dāng)于向全I(xiàn)P（網(wǎng)際協(xié)議）演進過程中的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，從而實現(xiàn)了向全I(xiàn)P演進的第一步，核心網(wǎng)和接入網(wǎng)將獨立演進。

1.2 LTE核心網(wǎng)

LTE（長期演進）的目標(biāo)是具有更高的數(shù)據(jù)速率、更低的延時、較低的成本，改進的系統(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，取消了無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC），各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的接口采用IP傳輸，原電路域業(yè)務(wù)均可由分組域承載，通過IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）提供語音及多媒體業(yè)務(wù)。

LTE的核心網(wǎng)定義為EPC（演進的分組核心網(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代伙伴計劃）與非3GPP多種接入方式及相互之間的漫游和切換，實現(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（移動性管理實體）、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（策略和計費規(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之間移動時，SGW作為數(shù)據(jù)承載的本地移動性錨點；

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進行基于流量的計費[2]；

HSS是存儲用戶EPC簽約信息的數(shù)據(jù)庫。

1.3 移動核心網(wǎng)的發(fā)展趨勢

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

2 移動互聯(lián)網(wǎng)

2.1 概念和特征

移動互聯(lián)網(wǎng)是以移動通信網(wǎng)作為接入網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)[3]。它是一個全國性的、以移動為技術(shù)核心的，可同時提供話音、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靡苿咏K端通過移動網(wǎng)絡(luò)隨時隨地訪問互聯(lián)網(wǎng)、獲取信息內(nèi)容、進行商務(wù)娛樂、使用互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等。

相對傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，移動互聯(lián)網(wǎng)更強調(diào)移動性，它特指以2G、3G、LTE等無線接入方式使用蜂窩移動通信網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)，不包含IEEE 802.11〔WI-FI（無線保真）〕技術(shù)。

移動互聯(lián)網(wǎng)是移動通信網(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)多樣性和移動通信的便捷性，也衍生出自己的一些特性。移動互聯(lián)網(wǎng)最突出的優(yōu)勢就是便捷的移動性、個性化，并且具有明顯的用戶規(guī)模優(yōu)勢。它具備用戶可識別、終端可移動、受終端和網(wǎng)絡(luò)的局限、業(yè)務(wù)差異性等特點。

2.2 移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)

2.2.1 主流移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)

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

1） 即時通信。移動QQ、微信等成為移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展最快的業(yè)務(wù)，主要特點是小流量、用戶多、連接型、會話長。

2） 移動社交。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，同樣對帶寬提出了更高的要求。

3） 手機游戲。包括單機游戲和手機網(wǎng)游，一般對帶寬要求不高，但對時延有一定要求。

4） 移動視頻。包括直播和點播業(yè)務(wù)，隨著分辨率的大幅提升，對帶寬要求越來越高。

5） 移動瀏覽。包括瀏覽門戶網(wǎng)站和在線閱讀等。

6） 移動位置等業(yè)務(wù)。

2.2.2 M2M業(yè)務(wù)

M2M（機器對機器）即機器之間的通信，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（機器類型通信）。根據(jù)終端的傳輸數(shù)據(jù)量、頻度、移動性要求、時間窗要求和QoS需求等可把這類應(yīng)用分為：

1） 監(jiān)控報警類。傳感器監(jiān)控本地數(shù)據(jù)，產(chǎn)生非預(yù)期狀態(tài)時，通過網(wǎng)絡(luò)通知應(yīng)用層進行報警。典型應(yīng)用特征是低數(shù)據(jù)利用率，一般無移動性需求，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)用場景有天氣預(yù)報、交通狀態(tài)發(fā)布等，一般在指定時間窗內(nèi)發(fā)送。

3） 視頻監(jiān)控類。本地實時采集視頻數(shù)據(jù)并上傳到服務(wù)器，實現(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 移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對核心網(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，移動網(wǎng)的流量和信令會快速增長，網(wǎng)絡(luò)面臨的最大壓力是信令風(fēng)暴，它對移動核心網(wǎng)的影響主要有以下幾個方面：

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

2） PDSN（分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)節(jié)點）能力不足。微信、微博等業(yè)務(wù)帶來大量的小流量包，降低了PDSN的轉(zhuǎn)發(fā)能力；云存儲、網(wǎng)絡(luò)視頻等大流量業(yè)務(wù)使得PDSN吞吐量增長，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)和計費）-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)證計費性能要求和信令處理能力，造成設(shè)備超負(fù)荷運行[1]。

此外，從業(yè)務(wù)上看，OTT（over the top）業(yè)務(wù)的普及對傳統(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)載不均衡等運營問題。

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。大量機器型業(yè)務(wù)在應(yīng)用時也會對移動核心網(wǎng)帶來很大的負(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)對核心網(wǎng)的影響主要有：

1） 信令擁塞和過載。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)點和鏈路面臨沉重負(fù)荷。

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

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

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，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)的低移動性特征、通信時間特征、群組屬性特征、終端異常事件等進行優(yōu)化，從而減少資源消耗、降低系統(tǒng)控制復(fù)雜程度。

4 移動核心網(wǎng)對移動互聯(lián)網(wǎng)的支持

4.1 對主流移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的支持

4.1.1 運用智能管道技術(shù)

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

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

2） 移動網(wǎng)策略控制技術(shù)。3GPP提出了PCC（策略控制和計費）架構(gòu)，用于實現(xiàn)無線分組網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸QoS等策略和計費控制。基于該架構(gòu)，可以實現(xiàn)基于用戶等級、時間、區(qū)域、流量、使用時長、業(yè)務(wù)類型、帶寬等各個維度的策略控制。

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)用戶請求，避免節(jié)點過載，提升用戶體驗。

4.1.2 實現(xiàn)多網(wǎng)協(xié)同

很多地區(qū)同時具有固定接入、2G、3G、LTE接入，要實現(xiàn)多網(wǎng)協(xié)同，就必須由統(tǒng)一的移動核心網(wǎng)實現(xiàn)用戶在多網(wǎng)之間的移動性管理和會話管理。EPC網(wǎng)絡(luò)是未來移動核心網(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)演進方向。

1） 配置ANDSF（接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和選擇功能）。運營商通過配置ANDSF網(wǎng)元，響應(yīng)終端的接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)請求或基于網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)主動傳輸初始化數(shù)據(jù)到終端。

2） 通過WLAN（無線局域網(wǎng)）實現(xiàn)流量分流。WLAN公共熱點的建設(shè)，使WLAN加移動接入成為當(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

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

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

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，針對不同的風(fēng)險級別對移動互聯(lián)網(wǎng)劃分不同的安全域，部署相應(yīng)的安全策略進行安全加固。

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

4.2 對M2M業(yè)務(wù)的支持

3GPP/3GPP2基本確定了支持M2M業(yè)務(wù)的移動架構(gòu)，引入MTC-IWF（互通功能）（MTC網(wǎng)關(guān)）并定義了幾個新的接口，對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)已部署一段時間，短期內(nèi)M2M應(yīng)用規(guī)模也較小，一般考慮對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行改進而非結(jié)構(gòu)改造。

1） 獨立號段組網(wǎng)。統(tǒng)一號段可在計費、市場、統(tǒng)計等方面提供方便，并有利于網(wǎng)絡(luò)對終端和業(yè)務(wù)的識別。

2） 用戶等級控制?？赏ㄟ^DPI檢測應(yīng)用，通過PCC進行控制，提升或降低M2M終端服務(wù)等級，保障網(wǎng)絡(luò)正常運行。

3） 通信時間控制。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)備接入時間，包括發(fā)送時間、發(fā)送間隔、在線時間等。

4） 分組域?qū)ず魞?yōu)化。終端主動進入空閑狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)采集數(shù)據(jù)時可通過多種方式發(fā)起觸發(fā)，通知終端發(fā)起請求，建立數(shù)據(jù)鏈路。

對于即將部署的LTE網(wǎng)絡(luò)，在EPC架構(gòu)下，較實用的支持未來大量M2M業(yè)務(wù)的方案仍是對相關(guān)網(wǎng)元進行增強改造，這些方案包括：擁塞/過負(fù)荷控制、移動性管理功能增強、終端標(biāo)識管理增強、小數(shù)據(jù)傳輸效率增強、終端通信時間控制優(yōu)化等。

[1]張園, 陳運清, 毛聰杰, 等. 移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的核心網(wǎng)剖析及演進[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2013: 21,26-28,47,63.

[2]施唯佳, 呂冠中. 4G網(wǎng)絡(luò)上提供直播和點播業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)探討[J].電信科學(xué), 2015(4): 28-32.

[3]鄭鳳, 楊旭, 胡一聞, 等. 移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)及其發(fā)展[M]. 北京: 人民郵電出版社,2013.