移动互联网对核心网的影响和应对

中国电信股份有限公司常州分公司 陈剑兵

移动互联网对核心网的影响和应对

中国电信股份有限公司常州分公司 陈剑兵

移动互联网业务的迅猛发展和普及必然对核心网的资源、架构、承载能力等形成一定的影响。论述了移动核心网和移动互联网各自的特征，分析了具体影响因素，并讨论了应对思路。

移动互联网； 核心网； 业务

1 移动核心网

1.1 3G核心网

3G（第三代移动通信）核心网即现阶段的网络结构，对于CDMA（码分多址）制式，相当于向全IP（网际协议）演进过程中的Phase 2阶段。在这一阶段，核心网分为电路域和分组域，电路域实现了控制和承载分离，从而实现了向全IP演进的第一步，核心网和接入网将独立演进。

1.2 LTE核心网

LTE（长期演进）的目标是具有更高的数据速率、更低的延时、较低的成本，改进的系统容量和覆盖范围[1]。基于这样的目标，LTE采用扁平化、IP化的网络架构，在LTE网络技术中，取消了无线网络控制器（RNC），各网络节点间的接口采用IP传输，原电路域业务均可由分组域承载，通过IMS（IP多媒体子系统）提供语音及多媒体业务。

LTE的核心网定义为EPC（演进的分组核心网）。EPC架构的特征包括：

1） 控制面与用户面完全分离，网络趋向于更加扁平化；

2） 支持3GPP（第3代伙伴计划）与非3GPP多种接入方式及相互之间的漫游和切换，实现核心网的融合；

3） 核心网中不再有电路域，EPC成为移动电信业务的基本承载网络。

EPC网的网元主要包括MME（移动性管理实体）、SGW（服务网关）、PGW（分组数据网网关）、HSS（归属用户服务器）、PCRF（策略和计费规则功能）等，如图1所示，各网元的基本功能是：

MME主要负责用户接入控制，业务承载控制，寻呼切换控制等控制信令的处理；

SGW负责用户IP数据分组的转发，当用户在eNode B之间移动时，SGW作为数据承载的本地移动性锚点；

PGW为PDN（分组数据网）网关，负责用户IP地址分配和QoS（服务质量）保证，并根据PCRF进行基于流量的计费[2]；

HSS是存储用户EPC签约信息的数据库。

1.3 移动核心网的发展趋势

总体而言，LTE是一个基于全IP承载的以流量汇聚和集中管理为目标的移动数据网络，移动核心网的发展趋势为：电路域向着软交换的架构演进，分组域向着统一的EPC融合架构演进，IMS成为固定、移动融合的控制网络，IMS加EPC将成为未来移动核心网的核心架构[1]。

2 移动互联网

2.1 概念和特征

移动互联网是以移动通信网作为接入网的互联网[3]。它是一个全国性的、以移动为技术核心的，可同时提供话音、数据、图像、多媒体等服务的新一代开放的电信基础网络。可以帮助用户利用移动终端通过移动网络随时随地访问互联网、获取信息内容、进行商务娱乐、使用互联网应用等。

相对传统互联网，移动互联网更强调移动性，它特指以2G、3G、LTE等无线接入方式使用蜂窝移动通信网接入互联网，不包含IEEE 802.11〔WI-FI（无线保真）〕技术。

移动互联网是移动通信网与互联网融合发展的结果，它既具备了互联网的业务多样性和移动通信的便捷性，也衍生出自己的一些特性。移动互联网最突出的优势就是便捷的移动性、个性化，并且具有明显的用户规模优势。它具备用户可识别、终端可移动、受终端和网络的局限、业务差异性等特点。

2.2 移动互联网业务

2.2.1 主流移动互联网业务

主流移动互联网业务指的是满足移动用户通信、社交、娱乐等方面的业务，包括：

1） 即时通信。移动QQ、微信等成为移动互联网发展最快的业务，主要特点是小流量、用户多、连接型、会话长。

2） 移动社交。最普及的应用包括微博、朋友圈等。由于图片视频等多媒体文件的引入，同样对带宽提出了更高的要求。

3） 手机游戏。包括单机游戏和手机网游，一般对带宽要求不高，但对时延有一定要求。

4） 移动视频。包括直播和点播业务，随着分辨率的大幅提升，对带宽要求越来越高。

5） 移动浏览。包括浏览门户网站和在线阅读等。

6） 移动位置等业务。

2.2.2 M2M业务

M2M（机器对机器）即机器之间的通信，以区别于人与人之间的通信，也就是物联网，3GPP标准中也叫MTC（机器类型通信）。根据终端的传输数据量、频度、移动性要求、时间窗要求和QoS需求等可把这类应用分为：

1） 监控报警类。传感器监控本地数据，产生非预期状态时，通过网络通知应用层进行报警。典型应用特征是低数据利用率，一般无移动性需求，QoS需求极高，连接性要求高。

2） 信息推送类。网络层向用户层发送订阅信息，应用场景有天气预报、交通状态发布等，一般在指定时间窗内发送。

3） 视频监控类。本地实时采集视频数据并上传到服务器，实现在线监控。其特征为：上行流量大，下行流量较小；通常需24小时在线；QoS需求高；连接性要求高。

4） 远程控制类。指智能家居等方面的应用。

3 移动互联网业务对核心网的影响

3.1 主流业务的影响

随着用户规模增加、使用率提升、常在线应用等因素的影响，移动网的流量和信令会快速增长，网络面临的最大压力是信令风暴，它对移动核心网的影响主要有以下几个方面：

1） 加速IP地址短缺。用户使用永久在线模式（always online），导致忙时在线用户数激增。

2） PDSN（分组数据业务节点）能力不足。微信、微博等业务带来大量的小流量包，降低了PDSN的转发能力；云存储、网络视频等大流量业务使得PDSN吞吐量增长，使得在线用户数普遍超标，限制了业务发展。

3） AAA/AN（接入网认证、授权和计费）-AAA压力增加。大量的休眠、激活状态转换、业务频繁上线、下线增加了认证计费性能要求和信令处理能力，造成设备超负荷运行[1]。

此外，从业务上看，OTT（over the top）业务的普及对传统业务形成了冲击，电信网络日益管道化，造成增量不增收、负载不均衡等运营问题。

3.2 M2M业务的影响

3GPP分析了M2M业务的行业应用需求并提取了多种业务特征，包括通用业务特征和特定业务特征。大量机器型业务在应用时也会对移动核心网带来很大的负荷，某些业务需核心网开发新功能才能支持。M2M业务对核心网的影响主要有：

1） 信令拥塞和过载。海量终端的引入、周期性发送业务数据、断电重启等会造成设备和网络的大量信令交互，核心网各节点和链路面临沉重负荷。

2） 私网公网通信机制。核心网资源有限，因而需要建立一种机制支持并满足服务器与海量M2M终端间的通信。

3） 终端标识管理。目前业界意见是仍采用IMSI（国际移动用户识别码）等传统终端的通信内部标识，这样就不需要在通信网络中增加新的标识，但核心网需要有某种机制来映射IMSI内部标识与M2M终端的外部标识。

4） 业务签约控制。当M2M业务特征与网络自身能力不匹配时，核心网要能够接收或拒绝这些业务特征的签约。

5） 根据业务特征优化。核心网应能根据一些M2M业务的低移动性特征、通信时间特征、群组属性特征、终端异常事件等进行优化，从而减少资源消耗、降低系统控制复杂程度。

4 移动核心网对移动互联网的支持

4.1 对主流移动互联网业务的支持

4.1.1 运用智能管道技术

智能管道指运营商充分利用自身业务能力及客户关系，提供单纯数据连接之上的附加价值，实现用户可识别、业务可区分、流量可调控、网络可管理，从而将移动互联网生态利润在运营商和业务提供商之间合理分配。其应用的几个关键技术为：

1） 业务感知技术。采用DPI（深度包检测）技术针对应用层进行流量检测和控制，分析IP报文中4～7层数据，采用特征字识别、应用层网关识别、行为模式识别等技术识别网络应用，结合网络控制技术加以管理，这是实现智能管道的前提。

2） 移动网策略控制技术。3GPP提出了PCC（策略控制和计费）架构，用于实现无线分组网络数据传输QoS等策略和计费控制。基于该架构，可以实现基于用户等级、时间、区域、流量、使用时长、业务类型、带宽等各个维度的策略控制。

3） 智能CDN（内容分发网）技术。CDN是分布式的，利用全局负载均衡技术将用户的访问指向离用户最近的流媒体服务器上，由流媒体服务器直接响应用户请求，避免节点过载，提升用户体验。

4.1.2 实现多网协同

很多地区同时具有固定接入、2G、3G、LTE接入，要实现多网协同，就必须由统一的移动核心网实现用户在多网之间的移动性管理和会话管理。EPC网络是未来移动核心网的新架构，它使网络更加扁平高效，向上支持IMS网络，向下支持多种接入，并提供不同接入技术的切换和互通，是核心网演进方向。

1） 配置ANDSF（接入网发现和选择功能）。运营商通过配置ANDSF网元，响应终端的接入网络发现请求或基于网络触发主动传输初始化数据到终端。

2） 通过WLAN（无线局域网）实现流量分流。WLAN公共热点的建设，使WLAN加移动接入成为当前较低成本的流量解决方案。

4.1.3 提高网络安全性

移动核心网正向全IP方向发展，将在LTE阶段实现全IP化。基于IP的互联网安全问题同样也会出现在移动互联网，这将是此时面临的主要安全威胁，这些威胁和应对措施有：

1） 设备层面的安全，要对承载业务的设备，包括网元、操作系统和数据库等进行安全加固。

2） 网络层面的安全，可以根据不同接口和业务差异，针对不同的风险级别对移动互联网划分不同的安全域，部署相应的安全策略进行安全加固。

3） 业务层面的安全，通过引进DPI系统屏蔽非法业务流量，管控异常流量。

4.2 对M2M业务的支持

3GPP/3GPP2基本确定了支持M2M业务的移动架构，引入MTC-IWF（互通功能）（MTC网关）并定义了几个新的接口，对MTC服务器屏蔽核心网结构、执行认证、统一路由出口以支持MTC应用。但由于3G核心网已部署一段时间，短期内M2M应用规模也较小，一般考虑对现有网络进行改进而非结构改造。

1） 独立号段组网。统一号段可在计费、市场、统计等方面提供方便，并有利于网络对终端和业务的识别。

2） 用户等级控制。可通过DPI检测应用，通过PCC进行控制，提升或降低M2M终端服务等级，保障网络正常运行。

3） 通信时间控制。为了避免大量设备集中接入导致核心网和空口资源拥塞，可控制设备接入时间，包括发送时间、发送间隔、在线时间等。

4） 分组域寻呼优化。终端主动进入空闲状态，网络侧采集数据时可通过多种方式发起触发，通知终端发起请求，建立数据链路。

对于即将部署的LTE网络，在EPC架构下，较实用的支持未来大量M2M业务的方案仍是对相关网元进行增强改造，这些方案包括：拥塞/过负荷控制、移动性管理功能增强、终端标识管理增强、小数据传输效率增强、终端通信时间控制优化等。

[1]张园, 陈运清, 毛聪杰, 等. 移动互联网环境下的核心网剖析及演进[M]. 北京: 电子工业出版社, 2013: 21,26-28,47,63.

[2]施唯佳, 吕冠中. 4G网络上提供直播和点播业务的关键技术探讨[J].电信科学, 2015(4): 28-32.

[3]郑凤, 杨旭, 胡一闻, 等. 移动互联网技术架构及其发展[M]. 北京: 人民邮电出版社,2013.