移动核心网发展浅析

胡建村　俞一帆

【摘要】移动通信自从诞生以来已历经了三十多年的飞速发展。文章简要阐述了第一代到第三代及至目前正在研究中的新一代移动核心网的特点,在全面分析了移动核心网的发展趋势后指出:移动核心网在未来将具有全IP化、融合及智能化的主要特征,最终形成一个异构的以用户业务数据为中心的融合网络。

【关键词】移动核心网 3G LTE-SAE 全IP 融合 智能

1 前言

移动通信是当今通信领域发展最为迅速的领域之一,它对人类生活及社会发展产生了重大影响。自从美国贝尔实验室1978年开发出历史上第一个真正商用意义上的具有随时随地通信能力的大容量的蜂窝移动通信系统——先进移动电话业务(AMPS)系统以来,移动通信系统的发展已历经了三十多年。到目前为止,商用蜂窝移动通信系统已发展到了第三代,并且3G未来长期演进系统(LTE)也逐步进入试商用阶段。第一代移动通信系统(1G)于上世纪70年代末由美国首先进行大规模商用部署,是模拟制式的频分双工(FDD,Frequency Division Duplex)系统。第二代移动通信系统(2G)从20世纪90年代开始逐渐发展起来。其中,由欧洲开发的全球移动通信系统GSM(Global System for Mobile communications)和美国推出的窄带CDMA(IS-95)系统是这一代移动通信系统的典型代表。第三代移动通信系统(3G)在21世纪初开始逐步进入商用阶段,其典型代表为由欧洲主导的WCDMA系统、美国主导的CDMA2000系统和中国推出的TD-SCDMA系统,其中由中国提出的TD-SCDMA系统已于2008年实现商用。本文将针对移动核心网的发展演进进行全面分析。

2移动核心网的发展历程

如图1所示,移动通信系统主要由核心网(CN)、无线接入网(RAN)及移动台(MS)三部分组成。无线接入网负责向用户提供无线传输通道,使用户能够利用无线信号实现信息传输,同时还负责信息在无线信号和有线信号之间的转换。移动台是由用户使用的用于移动通信的终端,负责把用户的语音等自然信息转换为系统可识别的电子信息,并利用无线接口与系统交互。核心网的功能是负责信息在系统内部的交换、路由,用户数据管理、安全等,以及与其它通信系统的信息交换传输。随着移动通信系统的不断发展,移动核心网也一直处在演变之中。总体上来说,移动核心网也经历了三个发展阶段:

(1)在第一代移动通信系统中,移动核心网通过移动交换中心(MSC)与公众电话交换网(即PSTN)相连。此外,移动交换中心还负责基站(BS)之间的通信。在通话过程中,移动台与所属基站建立联系,再通过基站连接至移动交换中心,并最终接入到公共电话网。实际上,这一阶段的移动核心网同传统的有线电话交换网相比,最主要的差别只是在于移动核心网引入了对移动台的位置进行记录管理的功能实体,提供用户在移动状态下的电话通信。因此,第一代移动核心网可以看作传统的有线电话交换网在移动无线环境下的一种延伸。

(2)第二代移动通信系统出现后,其核心网的主体结构仍然延续了第一代移动通信系统的核心网结构。在第二代移动核心网里,移动交换中心仍然是整个网络的核心组件,其工作原理和第一代移动核心网的移动交换中心十分相似。但是,与第一代移动核心网不同的是,第二代移动核心网引入了支持可开放点对点的短信息业务的短信息业务中心,这使得2G系统既可以提供类似数字寻呼的业务,也可以提供广播式公共信息业务。

20世纪后期随着互联网的兴起,数据业务得到了越来越广泛的应用。为了实现对数据业务的支持,第二代移动核心网进一步引入了通用分组无线服务技术(GPRS,General Packet Radio Service)。这种技术突破了早期的第二代移动核心网只能提供电路交换的思维方式,而只需要在原有的移动核心网内增加相应的功能实体并对已有的基站系统进行部分改造就能在核心网内实现分组交换。具体来说,GPRS技术引入了两种新的核心网功能实体,即网关GPRS支持节点(GGSN,Gateway GPRS Supporting Node)和服务GPRS支持节点(SGSN,Serving GPRS Supporting Node)。GGSN的主要功能是提供PS域与外部IP分组数据网络的连接,承担网关或路由器的功能,并能够输出与外部数据网络使用相关的计费信息。SGSN主要实现分组数据包的路由转发、移动性管理、会话管理、逻辑链路管理、鉴权和加密、话单产生和输出等功能。SGSN和GGSN形成数据包交换网的核心部分,一般合称为GSN(GPRS Support Node)。另一种第二代IS-95技术核心网基于TIA/EIA-41标准,支持基础分组数据业务。

(3)第三代移动通信系统的移动核心网与之前的移动核心网相比,发生了显著的变化。从标准制定进程来看,如表1所示,WCDMA、TD-SCDMA对应的核心网的演进共经历了五个阶段,可以看出:早期的3G核心网包括电路交换域(CS域,Circuit Switched Domain)和分组交换域(PS域,Packet Switched Domain)。CS域为用户提供“电路型业务”或相关信令连接路由,其基本结构及功能与2G核心网的电路交换部分类似;但是通过引入软交换技术,3G核心网的CS域实现了网络承载IP化。PS域为用户提供“分组型数据业务”,它实际上是以GPRS技术为基础发展而来的。但是随着3G核心网的演进,CS域逐步停止发展,PS域转变为以IP多媒体子系统(IMS,IP Multimedia Subsystem)为核心的交换域。PS域除了承担原有的分组数据业务以外,还需要为IMS提供承载,从而实现对多媒体业务的支持。图2给出了R7版本移动通信网络结构示意图:

另一种3G系统CDMA2000的核心网演进也引入了下一代网络(NGN)的概念。如表2所示,3GPP2 CDMA2000核心网标准分四个阶段演进,同样可以看出其向全IP化演进的趋势,并且同样向IMS演进。

继第三代移动通信系统之后,目前针对新一代移动通信系统的研究工作也已经展开。3GPP长期演进(LTE)项目就是其中的一个重要分支,而与其相关的针对新一代移动核心网的研究工作则被称为系统架构演进(LTE-SAE)。LTE-SAE采用全新的扁平式架构,移动性管理实体(MME,Mobility Management Entity)与服务网关(SGW,Serving Gateway)是其核心组成部分,这两个实体实现了网络控制同用户数据控制的分离。此外,LTE-SAE还引入了多种被称为锚点的功能实体,以实现自身网络与包括3G及WLAN在内的其他网络的互联。LTE-SAE结构内的所有功能实体的接口均支持基于IP的协议。

3 移动核心网演进趋势分析

从上述的移动核心网发展情况可以看出,随着移动通信与互联网的不断融合,传统的以电路交换为主的移动核心网正加速向全IP的网络转变。这意味着移动核心网的结构将逐渐扁平化,从而显著降低网络成本,实现简单高效的网络运营维护,并促进新业务的大量快速部署。因此,未来移动核心网的主要特征可归纳为:全IP、融合及智能。

首先,移动核心网的演进体现出网络趋向全IP化的特征。从现有3G系统的电路域来看,移动软交换正逐步替代原有基于时分复用的电路交换方式,意即IP协议将在3G核心网的电路域得到更加广泛的应用;从2G及3G系统的分组域看,其支持的数据业务大部分基于IP协议,其中在2G系统的GPRS网络内,基于互联网的应用(如WAP)正成为主流业务,而3G的分组域则需要在完全基于IP协议的IMS平台上提供大部分的业务。在新一代的LTE-SAE结构中,网络内的所有功能实体之间通信则已完全实现了IP化。因此,可以判断,IP协议将逐渐取代基于时分复用的电路交换方式成为移动核心网的主流交换协议。

其次,移动核心网的发展不断表现出融合的特点,这种融合既包括网络内部的融合也包括不同网络之间的融合。在网络内部的融合方面,2G系统的核心网首先出现了电路交换域同分组交换域的融合,这标志着两种采用了不同交换方式的系统开始出现在同一个核心网内。随后在3G系统中,基于软交换方式的电路域也同基于IMS的分组域处于同一个核心网内。但是需要指出的是,在2G及3G系统中,电路域和分组域是相互独立运行的,其各个功能实体之间没有密切的联系,因此这种网络内部的融合是松散且相对独立的。而LTE-SAE定义的核心网则不再对电路域和分组域进行区分,2G及3G核心网内原有的功能实体在LTE-SAE中得到了高度融合,所以LTE-SAE核心网的结构相对于原有的移动核心网得到了相当的简化。网络内部各功能实体的融合带来了用户数据的高度融合,这就便于对用户业务数据实现集中管理,完成以用户为中心的业务数据的融合,从而快速推出新的业务。

在不同网络的融合方面,3G系统的核心网首先实现了对采用不同接入技术(如WLAN、xDSL)的网络的融合,在3G系统的后期核心网中,这些采用了不同接入技术的网络实际上已变成了整个3G系统的无线接入子系统。在LTE-SAE核心网中,不同网络间的融合得到了进一步强化。与3G系统不同的是,LTE、SAE核心网已经把采用了不同接入技术的网络统一地看做了整个系统的无线接入网络,从而实现了接入方式的高度融合,这就使得用户可以利用不同的终端(如3G手机、LTE手机或者WLAN设备)通过LTE-SAE核心网接收业务。因此,可以看到,未来的移动核心网的结构将更为简单扁平,它能够为用户提供多种多样的通信方式、接入手段和无处不在的接入服务,整个移动网络将成为一个异构泛在的通信系统。

再则,随着向全IP化融合网络的不断演变,移动核心网开始呈现出智能化的特征。一方面,移动核心网的全IP化要求核心网必需具备电信级IP能力,这意味着网络在IP QoS保障、可靠性及组网灵活性方面需要达到电信级要求。另一方面,移动核心网在网络融合方面的发展使得其必需面对网络资源和用户需求的多样性及不确定性。因此,为了应对这两方面带来的问题,移动核心网在网络管理及控制方面就必需引入更多的智能化功能。比如,移动核心网需要对网络内产生的故障进行快速检测及修复;能够根据用户的业务需求对网络内的资源进行灵活共享,并实现负荷均衡;能够自适应地控制网络设备的功耗等等。

综上所述,移动核心网的发展已经进入新的阶段,全IP、融合及智能正逐步成为其主要特征。新的网络功能实体以及新的网络控制技术将会逐渐出现以满足新的网络建设需求,目前的移动核心网络在未来将最终形成一个异构的以用户业务数据为中心的融合网络。 ★

【作者简介】

胡建村:北京邮电大学通信与信息系统专业博士,研究方向为移动通信。现就职于思科系统(中国)信息技术服务有限公司,在国内外期刊会议上发表数十篇论文,出版专著一部。

俞一帆:北京邮电大学通信与信息系统专业博士,现就职于法国电信研发中心无线通信与网络实验室,从事B3G标准研究,在国内外期刊会议上发表数十篇论文。