核心网络的发展讨论 - 全文

　　0 前言

　　随着通信技术的飞速发展，核心网向承载IP化、宽带化、结构扁平化、能力开放化方向发展。随着LTE的加速到来，核心网将面临着多种无线接入技术并存的局面，在解决2G/3G/4G网络的接入及互操作问题的同时，也要考虑异构网络（例如Wi-Fi/WiWAX）的融合问题。移动互联网、物联网等新兴产业高速发展所产生的大量新业务，对核心网提出了新的需求。传统的电信业务面临着互联网OTT业务的挑战，电信运营商为了避免成为管道，都在加速管道智能化和能力开放化的进程，核心网也必须适应这种变革。

　　本文从用户数据融合、语音业务迁移、分组网络演进、IMS网引入及策略控制发展等方面探讨了核心网的演进方向，提出了核心网的目标架构，并分析了核心网长期发展面临的挑战及未来核心网的发展趋势。

　　1 核心网络演进

　　核心网是通信网络的核心控制层，其技术标准为了适应新的业务发展需求在不断演进。核心网络标准研究有几个明显的趋势：网络架构趋向融合、从面向人的通信到面向机器通信、开始进行流量优化的研究、更加关注能力的开放。现有核心网主要基于3GPP R6标准，R7版本引入了PCC架构，开始关注网络的控制策略，在R6 版本的WLAN 与WCDMA 统一认证的基础上，R7版本又进一步对WLAN和WCDMA的融合进行了研究。R8版本提出了研究融合2G/3G/4G/WLAN的统一EPC核心网，PCC开始考虑BBERF等非3GPP的统一控制架构，同时对WLAN业务分流的ANDSF技术及机器类通信（MTC）问题展开了研究。R9版本提出了用户数据融合（UDC）的框架及分布式架构，并进一步对MTC问题进行优化研究。R10版本对用户数据的多接入、PCC对业务和计费系统的接口、基于GTP的WLAN接入问题进行了研究。R11版本正在研究UDC数据模型、PCC对固定移动的统一控制架构、数据业务分流、运营商能力开放（MOSAP）、MTC性能优化等一系列问题。

　　在一定时期内，核心网络将向如下方向演进：移动核心网的电路域和分组域将长期并存；分组域向统一、扁平的架构演进；IMS是语音和多媒体业务的目标架构；随着LTE网络覆盖的逐步扩展，部分语音业务逐步迁移至分组网络；WLAN等非3GPP的异构网络将逐渐融入3GPP网络架构；随着IMS、LTE网络的引入，用户数据将逐步向统一的用户数据中心转变。

　　图1示出的是核心网演进的目标架构。

　　1.1 用户数据融合未来网络中多种用户数据为数据管理带来新的挑战。现有网络中存在着多种用户数据，2G和3G用户采用共用HLR的方式，WLAN和宽带用户数据部署在AAA，用户增值业务数据存储在VAS。未来随着IMS、PCC、LTE等新网络设备的引入将使用户数据的网元变得复杂，将出现HLR、HSS、SPR、AAA等多种类型的数据库，同时伴随着移动互联网的发展也将出现多种多样提供丰富业务的应用服务器，这些服务器也将存储不同类型的用户数据，同时物联网的发展将带来大量存储机器设备信息的数据，各种类型用户数据的出现将对数据管理提出新的挑战。

　　从技术发展角度来看，3GPP提出的用户数据融合（UDC）致力于数据库融合技术研究，数据融合已成为业界公认用户数据管理的发展趋势。从用户数据管理技术方面来看，随着IT技术的发展，电信设备本身将具备更高的处理能力和存储能力，用户数据管理朝着集中式数据库、分布式架构的方向发展。用户数据管理的分层架构使前端数据查询和后端数据存储架构分离，增加了用户数据管理的灵活性和可扩展性，2G/3G、LTE、IMS、AAA、AS等数据呈现融合的管理趋势，未来的目标是建立统一的用户数据中心。总体上来看，用户数据组织形式正在从以网络为中心逐步向以用户为中心转变，整体朝着数据融合的方向发展。

　　现有用户数据管理将逐步实现HLR/HSS用户数据融合，从移动核心网开始，实现2G/3G/LTE的统一用户数据管理，并以融合的HLR/HSS为基础，考虑更多数据类型的融合，构建运营商自己的统一融合数据中心。长远来看，逐步考虑用户数据中心的开放性，推动业务创新，提升用户的业务体验。核心网近期将逐步引入分布式架构的用户数据设备；LTE、IMS引入后，优先考虑在移动核心网上逐步实现HLR与EPC-HSS、IMS-HSS的设备融合；基于HLR/HSS融合设备，以用户为中心，逐步考虑将固网用户数据设备、业务平台等相关用户数据集中，构建统一的融合数据中心。

　　1.2 电路域的演进核心网电路域主要承载语音业务，传统的固定TDM交换机与固定软交换正在被IMS网络替代，移动TDM交换机已经被移动软交换设备替代，随着IP化改造的全面部署，核心网电路域承载将逐步退出历史舞台。移动核心网电路域目前普遍采用2G/3G共核心网图1 核心网演进的目标架构2本期关注Monthly Focus赫罡，滕佳欣，朱斌核心网络演进趋势探讨邮电设计技术/2012/05的方式，本地网层面软交换端局已经全面替换TDM端局，实现了控制与承载的分离，长途网层面还存在TDM和软交换2张长途网。固定核心网本地网层面传统TDM交换机和固网软交换设备并存，长途网层面也是TDM长途网和软交换长途网共存。

　　

　　核心网演进的目标架构

　　目前，IP 化改造是核心网电路域升级的主要内容。IP化使网络结构更为简单，提高了网络资源利用率，IP化改造后Pool的实施进一步优化了核心网络的业务性能。移动核心网IP化改造在本地网层面由Nc、Nb核心网接口向A、Iu-CS等接口延伸。移动长途网层面传统的TDM端局逐渐退网，长途软交换将逐渐转化为呼叫协调节点（CMN），不再处理语音承载业务，只进行呼叫信令处理。固网核心网因结构形态较复杂，其IP化进程也较缓慢，随着宽带提速和光进铜退进程的加速，固网TDM端局逐渐退网，其话务被固网软交换端局和IMS吸收，固网软交换和IMS在一定时期内会共存。固定TDM 长途网随着TDM 端局的退网，也逐渐退网，固定软交换在IP化改造后实现SIP互通，最终固定移动长途话务都通过扁平化网络疏通。

　　移动核心网电路域的长期演进与语音和短信业务的提供密切相关，电路域语音和短信业务有向分组网络迁移的趋势。随着移动互联网的高速发展及LTE产业链的成熟，LTE时代正在加速到来，目前全球已有将近50张LTE商用网络。LTE网络主要提供高速数据业务，在LTE网络部署初期，语音和短信业务仍由电路域提供，这就要求电路域升级来支持CSFB及短信回落功能，随着LTE网络的覆盖的不断完善，语音和短信业务开始逐渐向LTE网络迁移，LTE网络将逐渐采用SRVCC方案解决语音业务问题。语音业务的迁移是长期过程，语音、短信业务长期将由电路域提供，电路域将逐步升级改造满足与LTE/IMS的互操作要求。

　　随着核心网电路域设备刀片式架构的广泛采用和软件技术的发展，核心网电路域有向大容量集中化部署及虚拟化发展的趋势。现网电路域设备老平台较多，设备数量多，而且大部分省份采用分散部署的方式。随着软交换设备刀片式架构（ATCA）的广泛采用，设备能力得到很大的提升，使集中化部署成为可能。

　　集中化部署能有效减少运行维护费用，使软交换能更加低成本高效地运行，更重要的是在平台趋同的基础上未来虚拟化技术的引入使得运营商能够在通用的硬件平台上构建多厂家共存系统。

　　1.3 支持多接入的分组网络

　　移动核心网分组域主要提供移动数据业务，随着移动宽带化加速，核心网分组域也在不断演进。目前，核心网分组域普遍采用2G/3G共核心网的方式，随着移动数据业务流量的快速增长，现网开始引入3G DT技术，减轻SGSN数据转发压力，基本实现控制与承载分离。分组域网元的大容量集中部署使分组域设备的容灾问题变得更为重要，现网通过采用SGSN Pool技术解决SGSN容灾问题，并实现SGSN负载容量均衡。

　　分组域演进的目标架构是2G/3G/4G共核心网，在向目标演进的过程中要解决现有网络如何平滑升级的问题。为了使用户有更好的业务体验，现有分组网络首先要升级支持与LTE网络的互操作，此外为了实现业务连续性需要2G/3G接入与LTE接入有相同的锚点，这个锚点就是GGSN与PGW的融合节点，这就要求GGSN能够通过软件升级的方式支持GGSN/PGW融合功能。现网SGSN向MME演进有2种不同的选择，一种是升级成为Gn/Gp SGSN与MME融合节点，另一种是升级成为S3/S4 SGSN与MME的融合节点，现网SGSN可以升级为Gn/Gp SGSN与MME融合节点，而新建的MME 节点要求同时支持Gn/Gp SGSN 及S3/S4SGSN。现网GGSN与SGSN的扩容和改造将采用能够平滑升级到EPC的硬件平台，通过软件升级的方式实现SGSN/MME、GGSN/EPC-GW的融合。

　　Wi-Fi作为一种应用广泛、成本低、带宽高的无线接入技术越来越受到运营商的重视，已成为分流数据业务、优化网络覆盖的重要手段。3GPP系统正在逐步将Wi-Fi技术融入到统一的分组核心网。由于Wi-Fi属于非3GPP的接入技术，因此与3GPP系统的融合就变得较为复杂。Wi-Fi与移动网络的融合可大致分为统一认证、统一接入及系统间的业务连续等几个阶段。统一认证是指Wi-Fi重用3GPP接入鉴权机制，相对于Portal认证方式，统一认证更方便用户的接入，同时也提高了安全性，由于终端和网络的支持程度较好，各个运营商已经开始进行统一认证的部署。统一接入和系统间的业务连续对终端和网络的要求比较高，需要支持Mobile IP协议及IPSec隧道，为了降低对网络，尤其是终端的技术要求，标准组织正在研究采用GTP协议的解决方案，这也是未来的发展方向。为了更加有效地实现Wi-Fi的业务分流，分组网络开始引入接入网络发现与选择功能（ANDSF），由网络侧向终端下发系统间移动性策略信息，终端根据这些信息，选择合适的接入网络，从而实现数据业务的有效分流。

　　1.4 全业务运营的IMS

　　IMS最早由3GPP在R5中提出，是一个基于分组域提供IP多媒体业务的子系统。随后，IMS逐渐成为实现网络融合和业务融合的核心技术，3GPP2、ITU-TNGN-GSI、ETSI TISPAN等国际标准组织将IMS定义为未来网络的核心控制架构。为应对互联网业务的挑战，运营商的业务重点也从语音业务向多媒体业务转移，IMS以其开放的标准架构、支持固定/移动统一接入、强大的多媒体业务提供能力及完善的业务运营能力，成为运营商应对互联网业务的主要技术手段。

　　IMS不能为运营商提供所有业务，而是定位于解决具备电信级特征（QoS、安全、可管可控、普遍服务）的业务，如语音/可视电话、短信/彩信等，并提供一种固定移动融合解决方案和利用电信网的有利条件发展互联网类业务的手段。从网络演进来看，目前业内还没有IMS技术之外的新的网络架构，未来几年内不可能出现与IMS技术具有同样成熟度和竞争力的技术。

　　从传统TDM交换、软交换到IMS的演进在业内已成为不争的事实。从技术标准角度来看，无论是ITU-T、TISPAN还是3GPP，都将IMS作为固定电话网和移动核心网网络演进的唯一目标。

　　IMS发展以固网改造为切入点，结合TDM端局退网和光进铜退，逐步部署面向企业和个人的融合ICT业务；在移动网分组域叠加IMS网络后开始向个人用户提供RCS业务等互联网类业务；随着LTE的部署，网络具备VoLTE业务能力，固定移动核心网开始向IMS演进，实现固定移动网络的融合。

　　1.5 统一的策略控制

　　传统的固定和移动宽带接入并不感知业务，网络根据用户的签约情况分配固定的带宽资源，移动网络虽然定义了较为完善的QoS信息，但随着网络带宽的增加，新的应用和协议不断出现，使得静态的签约信息已经不能满足网络运行的需要。运营商面临着增量不增收的尴尬局面，低价值流量消耗了大量的资源，网络无法根据负荷情况调整资源，运营商迫切需要改变粗放的经营模式，能够根据用户信息，接入网络情况，业务及内容提供实时、差异化的网络及用户控制。

　　3GPP在R7版本引入了用于分组网络业务数据传输、QoS等策略控制和流计费的PCC架构，实现优先级策略、QoS调控、资费调控等功能。PCC架构增加了策略规则功能实体（PCRF）从而能够根据业务特性、用户属性、网络情况制定动态控制策略，通过策略执行功能实体（PCEF）完成业务的检测及策略的执行。与静态签约信息相比，PCC架构能够实现基于用户分级、累计使用量、时间、位置、业务类型、接入类型、终端等的策略控制。国内外运营商已经开始PCC的商用部署，Vodafone、法电、中国移动都已经推出了基于流量累计、业务类型的控制策略。

　　策略控制正在向更灵活的应用场景、固移融合统一的控制方向演进。一方面，3GPP不断增强策略控制节点PCRF的功能，使PCC架构能适应更多的应用场景。通过引入业务检测功能（TDF）开展业务感知和私有策略研究，辅助运营商管理无AF的互联网业务；提供基于消费限制的策略控制功能；研究基于无线网络拥塞的策略控制。另一方面，策略控制技术正在向统一的策略控制平台，统一的用户管理方向发展。PCC架构将支持非3GPP接入为其提供QoS管理策略，实现固定宽带接入与3GPP接入网统一策略控制，实现包括WLAN、Femto等多种接入方式下的资源统一调度。

　　2 核心网络未来发展趋势

　　信息技术的高速发展，改变了人们的生活，新的应用和业务不断涌现，也对未来核心网的发展带来新的挑战。移动互联网和物联网等新兴事物的快速发展，产生了大量的新应用，也对核心网提出了新的需求。

　　信息技术自身的进步带来变革，云计算、虚拟化等IT技术的思想对通信网络产生了深远的影响。新兴的互联网OTT业务逐渐蚕食电信运营商的传统业务，运营商为了应对管道化的挑战，加快了核心网络的智能化和能力开放化的过程。

　　2.1 满足移动互联网、物联网、智能化的需求

　　核心网络，尤其是分组核心网络正在面临新的挑战，核心网络需要不断完善满足新的需求。

　　移动互联网的高速发展，智能终端的普及，对核心网带来较大的影响。在线业务的频繁小数据量发送，智能终端的快速休眠，这些都给网络带来大量的信令负荷，核心网络需要不断提升信令处理能力及优化信令，同时提高数据转发能力，分组核心网络正在向大容量、高性能的方向发展。

　　物联网将人与人的通信扩展到了人与物、物与物的通信，同时带来新的业务特性。物联网业务具有以下特性：低移动性、传输时间受控、允许时延迟、只有分组交换、小数据量、高优先级报警信息、基于地理位置触发、组特性、安全连接等特性。这些特性有别于传统的电信业务，为了支持物联网应用，核心网络需要在网络架构、标识、寻址、网络拥塞控制、数据存储等方面进行完善，以适应新的业务需求。

　　管道智能化对核心网络提出了新的要求。传统的分组核心网络并不感知业务，无差别的进行数据传送，随着移动互联网业务的迅速发展，大量OTT业务的出现，电信运营商有被管道化的趋势。运营商要加强对网络资源的控制能力，希望网络提供差异化的服务能力，实现管道智能化。分组核心网将逐渐具备灵活的业务感知能力，并且能够结合用户信息与无线网络状态，动态调整网络资源，实现管道的智能化。

　　2.2 逐步引入虚拟化、云计算等新技术

　　传统的核心网络每种功能实体都采用不同的软硬件，复杂性很高，很难迅速地响应新的需求，核心网络为了增加灵活性，将承载与控制进行分离，开始了软件化的过程。未来，核心网络将彻底将软件和硬件去耦合，实现硬件平台通用化和软件系统平台化，向云化的方向发展。

　　云计算是一种资源交付和使用模式，指通过网络获得应用所需的资源（硬件、平台、软件），云技术的共享资源池的概念、采用的虚拟化技术对核心网络技术具有很强的借鉴意义。无线接入网络已经开始了云化的探索，中国移动提出的C-RAN技术就是一种基带资源集中化、云化的无线接入网络架构，实现资源的共享和动态的网络负荷调整。

　　未来核心网将逐步引入云计算的理念和虚拟化技术，实现通信技术的IT化。未来的核心网络节点将分为设备层、虚拟层和应用层：设备层专注于底层设施的同构化，向高性能、高集成度方向发展；虚拟层则支持多种逻辑网元动态共享设备层物理能力，同时向业务层开放标准化的API。设备层采用通用多用途硬件平台，有效降低成本，虚拟化中间件基础架构为上层应用提供了可脱离硬件的独立性，实现软硬件分离，硬件趋同，资源共享。

　　2.3 采用开放化、平台化策略融入互联网

　　在当今移动互联网时代，互联网业务提供商引领了通信行业发展的潮流，电信运营商需要重新思考自身的定位，借鉴互联网企业发展的思路，以开放的姿态迎接互联网的挑战。移动互联网正在向接口开放化、应用平台化的方向发展，电信运营商也在加快平台化的步伐，移动核心网将逐步开放核心能力，成为运营商平台的重要基础。

　　开放平台是一种网络服务模式，通过开放自身的接口，使第三方开发者通过运用和组装平台接口产生新的应用，并且能在统一平台上运营。开放平台的核心价值在于通过自身服务和第三方应用的互利互惠，提高用户对应用和平台的整体体验和黏度。互联网巨头苹果、谷歌、百度、腾讯都推出了自身的平台，国内三大电信运营商也都先后推出了开放平台。相比互联网公司，电信运营商的具有特有的网络资源，电信能力的开放是运营商开放平台的独特优势和差异化体现，可满足开发者对运营商网络能力的需求，帮助其开发更为丰富的融合应用。

　　网络能力的开放，主要是将网络的业务能力进行抽象，屏蔽掉底层的网络协议细节，在这方面已经有了一些技术标准和规范，包括Parlay/OSA API、Parlay XWeb Services API和OneAPI。目前，电信运营商已经开放了一些基础电信能力，例如短信、彩信、定位等，未来电信网络将逐渐开放核心能力，包括语音呼叫、智能管道资源、用户身份、网络鉴权等核心网能力。同时，核心网络将更加软件化，增强业务开发提供能力和灵活性，适应日益增加的新的业务需求。

　　3 结束语

　　本文从用户数据融合、语音业务迁移、分组网络演进、IMS网络的引入及策略控制的发展等几个方面探讨核心网络的演进方向，分析核心网长期发展面临的挑战，研究未来核心网络的发展趋势。核心网络将向着融合化、IP化、高性能化的方向发展，在满足传统电信业务需求的同时，更加灵活和开放，成为电信运营商高效业务运营的核心基础。