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)務的迅猛發(fā)展和普及必然對核心網(wǎng)的資源、架構、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，并討論了應對思路。

移動互聯(lián)網(wǎng)； 核心網(wǎng)； 業(yè)務

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)絡結構，對于CDMA（碼分多址）制式，相當于向全IP（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，電路域實現(xiàn)了控制和承載分離，從而實現(xiàn)了向全IP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，LTE采用扁平化、IP化的網(wǎng)絡架構，在LTE網(wǎng)絡技術中，取消了無線網(wǎng)絡控制器（RNC），各網(wǎng)絡節(jié)點間的接口采用IP傳輸，原電路域業(yè)務均可由分組域承載，通過IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）提供語音及多媒體業(yè)務。

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

1） 控制面與用戶面完全分離，網(wǎng)絡趨向于更加扁平化；

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)務的基本承載網(wǎng)絡。

EPC網(wǎng)的網(wǎng)元主要包括MME（移動性管理實體）、SGW（服務網(wǎng)關）、PGW（分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關）、HSS（歸屬用戶服務器）、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主要負責用戶接入控制，業(yè)務承載控制，尋呼切換控制等控制信令的處理；

SGW負責用戶IP數(shù)據(jù)分組的轉發(fā)，當用戶在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，負責用戶IP地址分配和QoS（服務質(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IP承載的以流量匯聚和集中管理為目標的移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，移動核心網(wǎng)的發(fā)展趨勢為：電路域向著軟交換的架構演進，分組域向著統(tǒng)一的EPC融合架構演進，IMS成為固定、移動融合的控制網(wǎng)絡，IMS加EPC將成為未來移動核心網(wǎng)的核心架構[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、以移動為技術核心的，可同時提供話音、數(shù)據(jù)、圖像、多媒體等服務的新一代開放的電信基礎網(wǎng)絡。可以幫助用戶利用移動終端通過移動網(wǎng)絡隨時隨地訪問互聯(lián)網(wǎng)、獲取信息內(nèi)容、進行商務娛樂、使用互聯(lián)網(wǎng)應用等。

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。

移動互聯(lián)網(wǎng)是移動通信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的結果，它既具備了互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務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)絡的局限、業(yè)務差異性等特點。

2.2 移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務

2.2.1 主流移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務

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

2.2.2 M2M業(yè)務

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標準中也叫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)生非預期狀態(tài)時，通過網(wǎng)絡通知應用層進行報警。典型應用特征是低數(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)絡層向用戶層發(fā)送訂閱信息，應用場景有天氣預報、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)并上傳到服務器，實現(xiàn)在線監(jiān)控。其特征為：上行流量大，下行流量較??；通常需24小時在線；QoS需求高；連接性要求高。

4） 遠程控制類。指智能家居等方面的應用。

3 移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務對核心網(wǎng)的影響

3.1 主流業(yè)務的影響

隨著用戶規(guī)模增加、使用率提升、常在線應用等因素的影響，移動網(wǎng)的流量和信令會快速增長，網(wǎng)絡面臨的最大壓力是信令風暴，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），導致忙時在線用戶數(shù)激增。

2） PDSN（分組數(shù)據(jù)業(yè)務節(jié)點）能力不足。微信、微博等業(yè)務帶來大量的小流量包，降低了PDSN的轉發(fā)能力；云存儲、網(wǎng)絡視頻等大流量業(yè)務使得PDSN吞吐量增長，使得在線用戶數(shù)普遍超標，限制了業(yè)務發(fā)展。

3） AAA/AN（接入網(wǎng)認證、授權和計費）-AAA壓力增加。大量的休眠、激活狀態(tài)轉換、業(yè)務頻繁上線、下線增加了認證計費性能要求和信令處理能力，造成設備超負荷運行[1]。

此外，從業(yè)務上看，OTT（over the top）業(yè)務的普及對傳統(tǒng)業(yè)務形成了沖擊，電信網(wǎng)絡日益管道化，造成增量不增收、負載不均衡等運營問題。

3.2 M2M業(yè)務的影響

3GPP分析了M2M業(yè)務的行業(yè)應用需求并提取了多種業(yè)務特征，包括通用業(yè)務特征和特定業(yè)務特征。大量機器型業(yè)務在應用時也會對移動核心網(wǎng)帶來很大的負荷，某些業(yè)務需核心網(wǎng)開發(fā)新功能才能支持。M2M業(yè)務對核心網(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)務數(shù)據(jù)、斷電重啟等會造成設備和網(wǎng)絡的大量信令交互，核心網(wǎng)各節(jié)點和鏈路面臨沉重負荷。

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器與海量M2M終端間的通信。

3） 終端標識管理。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)部標識，這樣就不需要在通信網(wǎng)絡中增加新的標識，但核心網(wǎng)需要有某種機制來映射IMSI內(nèi)部標識與M2M終端的外部標識。

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

5） 根據(jù)業(yè)務特征優(yōu)化。核心網(wǎng)應能根據(jù)一些M2M業(yè)務的低移動性特征、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)務的支持

4.1.1 運用智能管道技術

智能管道指運營商充分利用自身業(yè)務能力及客戶關系，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)務可區(qū)分、流量可調(diào)控、網(wǎng)絡可管理，從而將移動互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)利潤在運營商和業(yè)務提供商之間合理分配。其應用的幾個關鍵技術為：

1） 業(yè)務感知技術。采用DPI（深度包檢測）技術針對應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、應用層網(wǎng)關識別、行為模式識別等技術識別網(wǎng)絡應用，結合網(wǎng)絡控制技術加以管理，這是實現(xiàn)智能管道的前提。

2） 移動網(wǎng)策略控制技術。3GPP提出了PCC（策略控制和計費）架構，用于實現(xiàn)無線分組網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸QoS等策略和計費控制?；谠摷軜?，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。CDN是分布式的，利用全局負載均衡技術將用戶的訪問指向離用戶最近的流媒體服務器上，由流媒體服務器直接響應用戶請求，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)絡是未來移動核心網(wǎng)的新架構，它使網(wǎng)絡更加扁平高效，向上支持IMS網(wǎng)絡，向下支持多種接入，并提供不同接入技術的切換和互通，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，響應終端的接入網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)請求或基于網(wǎng)絡觸發(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，使WLAN加移動接入成為當前較低成本的流量解決方案。

4.1.3 提高網(wǎng)絡安全性

移動核心網(wǎng)正向全IP方向發(fā)展，將在LTE階段實現(xiàn)全IP化。基于IP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，這些威脅和應對措施有：

1） 設備層面的安全，要對承載業(yè)務的設備，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)絡層面的安全，可以根據(jù)不同接口和業(yè)務差異，針對不同的風險級別對移動互聯(lián)網(wǎng)劃分不同的安全域，部署相應的安全策略進行安全加固。

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

4.2 對M2M業(yè)務的支持

3GPP/3GPP2基本確定了支持M2M業(yè)務的移動架構，引入MTC-IWF（互通功能）（MTC網(wǎng)關）并定義了幾個新的接口，對MTC服務器屏蔽核心網(wǎng)結構、執(zhí)行認證、統(tǒng)一路由出口以支持MTC應用。但由于3G核心網(wǎng)已部署一段時間，短期內(nèi)M2M應用規(guī)模也較小，一般考慮對現(xiàn)有網(wǎng)絡進行改進而非結構改造。

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)絡對終端和業(yè)務的識別。

2） 用戶等級控制。可通過DPI檢測應用，通過PCC進行控制，提升或降低M2M終端服務等級，保障網(wǎng)絡正常運行。

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

4） 分組域尋呼優(yōu)化。終端主動進入空閑狀態(tài)，網(wǎng)絡側采集數(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，在EPC架構下，較實用的支持未來大量M2M業(yè)務的方案仍是對相關網(wǎng)元進行增強改造，這些方案包括：擁塞/過負荷控制、移動性管理功能增強、終端標識管理增強、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)絡上提供直播和點播業(yè)務的關鍵技術探討[J].電信科學, 2015(4): 28-32.

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