移動核心網(wǎng)的演進探究

李輝　李姮

【摘 要】本文對移動通信系統(tǒng)歷代核心網(wǎng)的發(fā)展進程予以探究，歸納核心網(wǎng)不斷迭代演進的規(guī)律及發(fā)展方向。通過對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)存在的局限性進行分析，闡明移動通信系統(tǒng)向5G核心網(wǎng)“微服務(wù)”架構(gòu)演進的必然及其技術(shù)特點。

【關(guān)鍵詞】核心網(wǎng);局限性;5G;微服務(wù)架構(gòu)

中圖分類號： TN915.02文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）29-0142-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.29.066

Research on the Evolution of Mobile Core Network

LI Hui LI Heng

（Teaching Practice Department， Guilin University of Electronic Technology， Guilin Guangxi 541004， China）

【Abstract】This paper explores the development process of core network in mobile communication system in past dynasties， and Summarize the evolving rule and development direction of core network. By analyzing the limitations of the current network， this paper expounds the necessity and technical characteristics of 5G core network evolution to Service Based Architecture”.

【Key words】Core Network; Limitations; 5G; Service Based Architecture

0 引言

縱觀移動通信技術(shù)飛速發(fā)展的40余年，其影響早已滲透到社會生產(chǎn)、生活的方方面面。40多年的發(fā)展歷程中，移動通信系統(tǒng)已從第一代躍進到第四代。移動核心網(wǎng)也在迭代演進的過程中歷經(jīng)網(wǎng)元拆分、功能分化等變革，朝更適于寬帶傳輸?shù)谋馄郊軜?gòu)演進。但隨著移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，多樣且差異化的用戶需求不斷高漲，致使傳統(tǒng)核心網(wǎng)的弊端日漸凸顯，亟須更高效、更智能的新一代核心網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)支撐。基于此，將ICT技術(shù)充分融合的5G核心網(wǎng)走入人們的視線，為移動通信系統(tǒng)的進一步發(fā)展指明了方向。

1 傳統(tǒng)核心網(wǎng)的演進歷程

從移動核心網(wǎng)這么多年的發(fā)展來看，以語音業(yè)務(wù)為主導(dǎo)的架構(gòu)漸向為以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主導(dǎo)的架構(gòu)變革的過程即為核心網(wǎng)演進的實質(zhì)。

1.1 GSM/GPRS核心網(wǎng)

基于傳統(tǒng)TDM電路交換的GSM系統(tǒng)，最為核心的網(wǎng)元即為MSC，其功能是對所覆蓋區(qū)域中的移動臺進行控制和完成話路接續(xù)，提供面向其他功能實體和網(wǎng)絡(luò)的接口。MSC將控制、承載、業(yè)務(wù)全部集中在設(shè)備內(nèi)，因此系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)相對簡單，可對整網(wǎng)進行協(xié)調(diào)調(diào)度，統(tǒng)籌管控極為方便。但由此也帶來一些限制，由于控制、承載不分家導(dǎo)致系統(tǒng)靈活性及擴展性極差，不能根據(jù)話務(wù)吸收點來靈活部署節(jié)點，不便于有針對性地對系統(tǒng)升級優(yōu)化，不利于新業(yè)務(wù)的拓展。

GSM最初的定位僅針對移動電話業(yè)務(wù)，對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支撐并不好。隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，市場對高速移動通信系統(tǒng)的需求與日俱增，而電路式數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)最高的傳輸速率僅為9.6Kbps，傳輸速率過慢使人難以接受。迫于用戶對移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)）被引入GSM網(wǎng)絡(luò)，即在GSM的架構(gòu)上疊加分組交換網(wǎng)，增加SGSN和GGSN兩個功能節(jié)點，SGSN負責(zé)移動性管理、接入控制和路由選擇等功能;GGSN負責(zé)提供GPRS PLMN與外部PDN的接口。由此，語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)各行其道，通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信能力得到了強化。由于GPRS的發(fā)展階段介于2G與3G之間，因此也稱其為2.5G。

1.2 3G核心網(wǎng)

移動通信系統(tǒng)發(fā)展到第三代，軟交換技術(shù)被應(yīng)用到移動核心網(wǎng)CS域。核心網(wǎng)元MSC被拆分為MSC Server和MGW兩個功能實體，兩者之間采用H.248/Megaco協(xié)議互通，實現(xiàn)了呼叫控制與承載的徹底分離。由于MGW可以獨立于MSS進行部署，使得組網(wǎng)更靈活，系統(tǒng)擴容升級更有針對性，從而大大降低了成本的投入，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。再者，用戶對移動多媒體業(yè)務(wù)的需求，使傳統(tǒng)TDM電路交換不在適于寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，從核心網(wǎng)至整網(wǎng)的IP化推進，有效提升了網(wǎng)絡(luò)利用率，扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，同時也為核心網(wǎng)的持續(xù)平穩(wěn)演進奠定了基礎(chǔ)。隨著軟交換機在核心網(wǎng)的應(yīng)用，設(shè)備商的通用硬件平臺也有了長足的發(fā)展，設(shè)備更為簡潔，硬件的需求可隨著軟件版本的升級而改變，能夠更好地滿足電信設(shè)備的定制要求。

PS域是第三代移動通信技術(shù)提出的概念，依然是在2.5G的架構(gòu)上實現(xiàn)，只是功能有所擴展和增強。3G室內(nèi)、室外和行車環(huán)境下傳輸速率分別為2Mbps、384kbps以及144kbps，對于用戶來說體驗速度并不高，但互聯(lián)網(wǎng)在3G時代得到了迅猛發(fā)展，反之也激發(fā)了用戶對移動通信系統(tǒng)的更多需求，推動移動通信系統(tǒng)的不斷迭代。

1.3 LTE核心網(wǎng)

EPC是LTE網(wǎng)絡(luò)PS域的核心網(wǎng)，相比GPRS架構(gòu)有了巨大的變化。具體來說，SGSN將控制面和數(shù)據(jù)面拆分為MME和SGW;GGSN變?yōu)镻GW。由此，EPC子系統(tǒng)的控制與承載完成了拆分。eNodeB通過S1-MME接口連到MME上，完成UE的移動性管理;通過S1-U接口連到SGW實現(xiàn)路由和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。其中基站控制系統(tǒng)功能被eNodeB與SGW共同取代，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的進一步扁平化。LTE最大的傳輸速率是100Mbps，是2G網(wǎng)絡(luò)的1000倍，3G網(wǎng)絡(luò)的50倍，更進一步滿足了用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。從近幾十年來看，LTE是發(fā)展最為迅速的網(wǎng)絡(luò)，4G用戶占有率持續(xù)升高。用戶業(yè)務(wù)的多樣化、種類繁多的終端都刺激數(shù)據(jù)流量的飛速增長，同時也激發(fā)用戶對更為靈活、更為高效、更加智能的新一代無線通信系統(tǒng)的渴求。

2 LTE核心網(wǎng)的局限性

除開移動互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展帶來的市場推動力外，LTE核心網(wǎng)日漸暴露的局限性[1]也促使網(wǎng)絡(luò)的進一步發(fā)展。一方面，EPS在核心網(wǎng)將用戶面與控制面進行了分離，但分割并不徹底，僅完成了移動性功能的分離，控制功能分散在MME、SGW和PGW中。這一弊端，使得網(wǎng)關(guān)設(shè)備的用戶面與控制面耦合度高，有針對性的擴容難以實現(xiàn)，必須同步進行。

另一方面，用戶面功能過于集中，尤為體現(xiàn)在PGW上。PGW除為UE分配IP地址外，還承擔(dān)著PCRF選擇、基于PCRF進行QoS處理、路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和過濾、計費信息的收集等功能，以致PGW結(jié)構(gòu)復(fù)雜、風(fēng)險集中;且PGW作為UE與外部網(wǎng)絡(luò)通信的唯一出入口，易成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。再者，EPC系統(tǒng)的網(wǎng)元功能與設(shè)備捆綁，很難對基于各設(shè)備商研發(fā)的專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行功能的合并，系統(tǒng)靈活性很差。

3 5G核心網(wǎng)

隨著海量終端的接入及物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)核心網(wǎng)已日漸力不從心滿足不了新形勢下各種業(yè)務(wù)的差異化需求，迫切需要更為靈活、智能、高效的新一代核心網(wǎng)的技術(shù)支撐。5G移動網(wǎng)摒棄傳統(tǒng)核心網(wǎng)的不足，將IT思想融入核心網(wǎng)架構(gòu)的變革中，通過SBA、CUPS、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)實現(xiàn)5G核心網(wǎng)“萬物互聯(lián)”的整體愿景。

SBA（基于服務(wù)的架構(gòu)）：基于云原生的思想，將4G核心網(wǎng)網(wǎng)元以網(wǎng)絡(luò)功能模塊為單元進行功能重構(gòu)，模塊間的耦合度低可獨立進行升級及彈性伸縮，網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)需要進行能力組合及功能調(diào)用，使網(wǎng)絡(luò)更具靈活性。

CUPS：5GC的主要網(wǎng)元為AMF（接入和移動性管理功能）、SMF（會話管理功能）、UPF（用戶面功能）。與4G網(wǎng)元相比，AMF+SMF共同完成MME+SGW+PGW控制面功能;UPF完成SGW+PGW用戶面功能。由此，5G核心網(wǎng)的控制面與用戶面實現(xiàn)了徹底分離，控制面集中化，用戶面可根據(jù)需要進行分布式部署。

網(wǎng)絡(luò)切片：網(wǎng)絡(luò)切片是5G區(qū)別4G的一個顯著核心技術(shù)。其在通用的虛擬化平臺上，利用虛擬化技術(shù)在通用硬件設(shè)備上虛擬出多個邏輯網(wǎng)絡(luò)，每一個邏輯網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)一種定制業(yè)務(wù)，從而滿足未來不同應(yīng)用場景的部署。

4 結(jié)束語

歷代移動核心網(wǎng)架構(gòu)演進的規(guī)律，究其根本是控制、承載、業(yè)務(wù)的分分合合[2]。即將商用的5G移動通信系統(tǒng)也是如此，5G核心網(wǎng)通過控制面、數(shù)據(jù)面分離，控制面軟件化實現(xiàn)本地流量分流、靈活路由的功能;通過通用硬件平臺的軟件與硬件的解耦，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。基于核心技術(shù)的支撐，5G核心網(wǎng)的SBA架構(gòu)將使新一代無線通信系統(tǒng)更具靈活性、開放性和可創(chuàng)新性。

【參考文獻】

[1]楊峰義，謝偉良，張建敏.5G無線網(wǎng)絡(luò)及關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2017.

[2]陳學(xué)良，李丹.大話核心網(wǎng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.