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物联网与移动核心网融合的网络架构研究
 

作者 李文龙,火龙果软件 发布于2013-12-25

 

物联网的发展对移动通信核心网演进将产生重要影响。根据物联网的发展将核心网演进分为3个阶段进行分析,然后通过方案比较提出物联网发展建议,最后给出2G/3G/IMS与物联网融合的络架构。

1.前言

物联网是通信业“十二五”规划的重要内容,是经济发展的重要增长点。随着物联网的发展,大量终端集中地接人网络并同时发送数据到物联网应用平台,会对移动通信核心网造成巨大的冲击。物联网的发展对核心网的演进提出了新的要求,本文将就此进行研究。

2.核心网的演进阶段

随着物联网的发展,核心网的演进可以分为三个阶段:

阶段:通过现有核心网承载物联网业务。不用构建物联网平台,将物联网业务直接连接到GGSN,组网简洁,节约成本。其缺点是可靠性不强,占用现网资源,并且当物联网发展到一定规模时网络容量受限制。该阶段出现于物网发展的初期阶段,此时业务量不足、需求少,如图1。

图1 物联网直接连接组网

阶段2:构建物联网平台,并且物联网平台与核心网采用内部接口,运营商提供物联网业务。该阶段保证了服务质量(QoS),并且能充分利用现有的核心网资源,有利于目前多种网络的融合,适应于物联网中期的发展需求,如图2。

图2 物联网间接连接组网

阶段3:采用混合组网形式,物联网服务商提供接口。运营商除了提供自己的物联网业务外,还可以兼容其他物联网服务提供商的业务,同时核心网支持其他物联网业务提供商的接口。该阶段适应于物联网发展的成熟阶段,如图3。

图3 物联网混合组网

目前物联网的发展处于阶段2,可以有两种发展策略,一种是新建物联网的核网,另一种是改造现有核心网来实现物联网业务。现将两种策略进行对比,如表1所示:

表1 新建和改造核心网策略的对比

物联网发展的初期,考虑到物联网业务量较小,核心网以实现业务功能为目标,通过现网改造也不会对现网设备造成容量的冲击。物联网发展到中后期,对网络容量和质量要求高,现有核心网将难以满足业务增长的需求,建议在此期间适时新建核心网网络。

3.物联网的演进方式

从目前物联网的业务要求来看,物联网终端没有必要新建接人网络,通过引人新技术并与现有通信网络融合来实现接人是优选方案。

3.1引入新技术

(1)引人分布式HLR

现有网络HLR主要采用集中式的结构,从容量和扩展方面均很难满足物联网的存储需求。分布式HLR则把实现信令接人和业务处理功能的前端设备(FE)和实现用户数据库存储功能的后端设备(BE)分开部署,具有用户容量灵活、分层架构清晰、设备可用性和可靠性高、扩展灵活等点。

(2)引人3G Direct Tunnel技术

3G Direct Tunnel(DT)通过将控制和承载分离,在RNC和GGSN之间建立直连用户面隧道,用户面流量绕过SGSN直接在RNC和GGSN进行传输,可以降低SGSN的用户面流量压力。3G DT技术应用后,控制面信令仍然由SGSN完成,同时由SGSN决定何时建立直连隧道以及对隧道进行更新等操作。SG向RAN提供GGSN的TEID和用户面地址,向GGSN提供RAN的TEID和用户面地址,从实现RNC和GGSN的用户面互通。3G DT技术的应用,使得GGSN和SGSN可以分别主要致力于流量管理和信令管理,充分利用网络资源,提高网络效率,满足物联网流量规模庞大的需求。

3.2物联网与现有网络融合

(1)2G/3G网络和物联网融合组网

物联网要求和2G/3G网络相融合。移动的各种增值业务以及互联网的各种业务都可以在3G网络上实现,3G网络是物联网的合适载体。由于物联网只承载在PS域中,BSC通过Gb口接至SGSN,连接至物联网。由于BSC和GGSN没有直接通信的通道,BSC的信号需要通过SGSN转接。物联网对2G的CS域核心网没有影响。2G/3G网络和物联网的融合见图4。

图4 2G/3G网络和物联网的融合组网

融合的关键在于引入新型硬件架构的大容量GGSN设备,在提供传统数据接人功能的同时,还需要提高设备性能、引入安全控制能力、支持QoS协商及业务分析能力;而为了满足物联网广泛的业务需求,GGSN还应具备与第三方网络及ASP的互联功能等。专用M2M设备可直接接人GGSN,避免经与其他业务网元协商后再接入的方式,简化接人流程,减少业务延迟;并平滑升级支持IPv6,具备完善的负荷缓冲和控制机制,满足海量M2M终端的接人需求。同时要对HSS有改造需求,HSS应具备注册物联网用户信息,包括时间信息、地址信、管理信息等,并具备可以激活物联网设备的SIM卡功能等。

(2)IMS网络和物联网融合组网

IP多媒体系统(IMS)是3GPP定义的3G核心网向全IP网络演进的网络架构,是在分组域之上叠加的由业务控制设备、用户数据库、网络互通设备等组成的通信系统,用以提供IP多媒体业务。

IMS支持开放的网络架构及灵活的业务提供能力,为实现业务创新提供了更好的基础。IMS架构提供了一个抽象的、无冗余的、安全的、开放的、可扩展能力强的业务平台,确保物联网新业务应用的快速开发定制及新业务网络重复建设代价的最小化。对于丰富多样的物联网行业应用而言,IMS系统采用标准的开放接口,能够有效提高产品兼容能力,促进物联网产业发展;同时能够快速提供各种物联网业务应用,更利于业务融合,实现开放的业务提供模式。此外,IMS体系由于终端与核心侧采用基于IP承载的SIP协议,IP技术与承载媒体无关的特性使得IMS体系可以支持各类接入方式,IMS体系架构可以支持移动性管理并且具有一定的服务质量(QoS)保障机制。IMS这些特点使其对物联网能较好地兼容。物联网与IMS的融合采用以下三个步骤(见图5):

图5 IMS和物联网的融合

控制融合:用现有的IMS网络接人M2M网络,作为M2M控制网实现对M2M业务的控制。

业务融合:M2M应用作为IMS应用的一部分为IMS用户及应用提供更丰富信息,IMS用户及应用扩展至更多场景。

完全融合:将M2M应用和IMS应用合并,用相同的应用服务器处理,并借助现有的IP承载网实现IMS网络和物联网的融合。

IMS网络和物联网直接提供接口,用于业务信息和控制信息的传输,物联网可以通过2种方式接人GGSN。物联网和GGSN有直接接口,而且物联网也可以通过IMS网络和GGSN相连接,如图6。

图6 IMS与物联网融合的组网

上述网络架构实现了移动网络、IMS网络及物联网的互通,物联网借助移动网络HSS设备鉴权用户信息,借助IMS网络承载部分业务,实现了资源有效利用。

4.结束语

本文就物联网的发展进行了研究,给出了物联网与移动通信核心网融合的网络构架。随着标准的完善,有些问题可以进一步探讨:

(1)随着物联网的发展,会有第三方提供商接人,安全性如何保证?和现有网络互通安全性如何保证?

(2)物联网和IMS网络有相通性,本文只是初步的探讨,还有待进一步研究。如哪些业务是专属IMS的业务,哪些业务更适合用物联网作为载体,用IMS网络作为物联网的承载体是否可行,都值得进一步探讨。

 
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