1.前言
物聯(lián)網(wǎng)是通信業(yè)“十二五”規(guī)劃的重要內(nèi)容，是經(jīng)濟發(fā)展的重要增長點。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大量終端集中地接人網(wǎng)絡并同時發(fā)送數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)應用平臺，會對移動通信核心網(wǎng)造成巨大的沖擊。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對核心網(wǎng)的演進提出了新的要求，本文將就此進行研究。
2.核心網(wǎng)的演進階段
隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，核心網(wǎng)的演進可以分為三個階段：
階段：通過現(xiàn)有核心網(wǎng)承載物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務。不用構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)平臺，將物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務直接連接到GGSN，組網(wǎng)簡潔，節(jié)約成本。其缺點是可靠性不強，占用現(xiàn)網(wǎng)資源，并且當物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到一定規(guī)模時網(wǎng)絡容量受限制。該階段出現(xiàn)于物網(wǎng)發(fā)展的初期階段，此時業(yè)務量不足、需求少，如圖1。
圖1 物聯(lián)網(wǎng)直接連接組網(wǎng)
階段2：構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)平臺，并且物聯(lián)網(wǎng)平臺與核心網(wǎng)采用內(nèi)部接口，運營商提供物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務。該階段保證了服務質(zhì)量(QoS)，并且能充分利用現(xiàn)有的核心網(wǎng)資源，有利于目前多種網(wǎng)絡的融合，適應于物聯(lián)網(wǎng)中期的發(fā)展需求，如圖2。
圖2 物聯(lián)網(wǎng)間接連接組網(wǎng)
階段3：采用混合組網(wǎng)形式，物聯(lián)網(wǎng)服務商提供接口。運營商除了提供自己的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務外，還可以兼容其他物聯(lián)網(wǎng)服務提供商的業(yè)務，同時核心網(wǎng)支持其他物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務提供商的接口。該階段適應于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的成熟階段，如圖3。
圖3 物聯(lián)網(wǎng)混合組網(wǎng)
目前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展處于階段2，可以有兩種發(fā)展策略，一種是新建物聯(lián)網(wǎng)的核網(wǎng)，另一種是改造現(xiàn)有核心網(wǎng)來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務。現(xiàn)將兩種策略進行對比，如表1所示：
表1 新建和改造核心網(wǎng)策略的對比
物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的初期，考慮到物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務量較小，核心網(wǎng)以實現(xiàn)業(yè)務功能為目標，通過現(xiàn)網(wǎng)改造也不會對現(xiàn)網(wǎng)設備造成容量的沖擊。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到中后期，對網(wǎng)絡容量和質(zhì)量要求高，現(xiàn)有核心網(wǎng)將難以滿足業(yè)務增長的需求，建議在此期間適時新建核心網(wǎng)網(wǎng)絡。
3.物聯(lián)網(wǎng)的演進方式
從目前物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務要求來看，物聯(lián)網(wǎng)終端沒有必要新建接人網(wǎng)絡，通過引人新技術(shù)并與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡融合來實現(xiàn)接人是優(yōu)選方案。
3.1引入新技術(shù)
(1)引人分布式HLR
現(xiàn)有網(wǎng)絡HLR主要采用集中式的結(jié)構(gòu)，從容量和擴展方面均很難滿足物聯(lián)網(wǎng)的存儲需求。分布式HLR則把實現(xiàn)信令接人和業(yè)務處理功能的前端設備(FE)和實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)庫存儲功能的后端設備(BE)分開部署，具有用戶容量靈活、分層架構(gòu)清晰、設備可用性和可靠性高、擴展靈活等點。
(2)引人3G Direct Tunnel技術(shù)
3G Direct Tunnel(DT)通過將控制和承載分離，在RNC和GGSN之間建立直連用戶面隧道，用戶面流量繞過SGSN直接在RNC和GGSN進行傳輸，可以降低SGSN的用戶面流量壓力。3G DT技術(shù)應用后，控制面信令仍然由SGSN完成，同時由SGSN決定何時建立直連隧道以及對隧道進行更新等操作。SG向RAN提供GGSN的TEID和用戶面地址，向GGSN提供RAN的TEID和用戶面地址，從實現(xiàn)RNC和GGSN的用戶面互通。3G DT技術(shù)的應用，使得GGSN和SGSN可以分別主要致力于流量管理和信令管理，充分利用網(wǎng)絡資源，提高網(wǎng)絡效率，滿足物聯(lián)網(wǎng)流量規(guī)模龐大的需求。
3.2物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有網(wǎng)絡融合
(1)2G/3G網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)融合組網(wǎng)
物聯(lián)網(wǎng)要求和2G/3G網(wǎng)絡相融合。移動的各種增值業(yè)務以及互聯(lián)網(wǎng)的各種業(yè)務都可以在3G網(wǎng)絡上實現(xiàn)，3G網(wǎng)絡是物聯(lián)網(wǎng)的合適載體。由于物聯(lián)網(wǎng)只承載在PS域中，BSC通過Gb口接至SGSN，連接至物聯(lián)網(wǎng)。由于BSC和GGSN沒有直接通信的通道，BSC的信號需要通過SGSN轉(zhuǎn)接。物聯(lián)網(wǎng)對2G的CS域核心網(wǎng)沒有影響。2G/3G網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)的融合見圖4。
圖4 2G/3G網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)的融合組網(wǎng)
融合的關(guān)鍵在于引入新型硬件架構(gòu)的大容量GGSN設備，在提供傳統(tǒng)數(shù)據(jù)接人功能的同時，還需要提高設備性能、引入安全控制能力、支持QoS協(xié)商及業(yè)務分析能力;而為了滿足物聯(lián)網(wǎng)廣泛的業(yè)務需求，GGSN還應具備與第三方網(wǎng)絡及ASP的互聯(lián)功能等。專用M2M設備可直接接人GGSN，避免經(jīng)與其他業(yè)務網(wǎng)元協(xié)商后再接入的方式，簡化接人流程，減少業(yè)務延遲；并平滑升級支持IPv6，具備完善的負荷緩沖和控制機制，滿足海量M2M終端的接人需求。同時要對HSS有改造需求，HSS應具備注冊物聯(lián)網(wǎng)用戶信息，包括時間信息、地址信、管理信息等，并具備可以激活物聯(lián)網(wǎng)設備的SIM卡功能等。
(2)IMS網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)融合組網(wǎng)
IP多媒體系統(tǒng)(IMS)是3GPP定義的3G核心網(wǎng)向全IP網(wǎng)絡演進的網(wǎng)絡架構(gòu)，是在分組域之上疊加的由業(yè)務控制設備、用戶數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡互通設備等組成的通信系統(tǒng)，用以提供IP多媒體業(yè)務。
IMS支持開放的網(wǎng)絡架構(gòu)及靈活的業(yè)務提供能力，為實現(xiàn)業(yè)務創(chuàng)新提供了更好的基礎。IMS架構(gòu)提供了一個抽象的、無冗余的、安全的、開放的、可擴展能力強的業(yè)務平臺，確保物聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務應用的快速開發(fā)定制及新業(yè)務網(wǎng)絡重復建設代價的最小化。對于豐富多樣的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用而言，IMS系統(tǒng)采用標準的開放接口，能夠有效提高產(chǎn)品兼容能力，促進物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展;同時能夠快速提供各種物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用，更利于業(yè)務融合，實現(xiàn)開放的業(yè)務提供模式。此外，IMS體系由于終端與核心側(cè)采用基于IP承載的SIP協(xié)議，IP技術(shù)與承載媒體無關(guān)的特性使得IMS體系可以支持各類接入方式，IMS體系架構(gòu)可以支持移動性管理并且具有一定的服務質(zhì)量(QoS)保障機制。IMS這些特點使其對物聯(lián)網(wǎng)能較好地兼容。物聯(lián)網(wǎng)與IMS的融合采用以下三個步驟(見圖5)：
圖5 IMS和物聯(lián)網(wǎng)的融合
控制融合：用現(xiàn)有的IMS網(wǎng)絡接人M2M網(wǎng)絡，作為M2M控制網(wǎng)實現(xiàn)對M2M業(yè)務的控制。
業(yè)務融合：M2M應用作為IMS應用的一部分為IMS用戶及應用提供更豐富信息，IMS用戶及應用擴展至更多場景。
完全融合：將M2M應用和IMS應用合并，用相同的應用服務器處理，并借助現(xiàn)有的IP承載網(wǎng)實現(xiàn)IMS網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)的融合。
IMS網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)直接提供接口，用于業(yè)務信息和控制信息的傳輸，物聯(lián)網(wǎng)可以通過2種方式接人GGSN。物聯(lián)網(wǎng)和GGSN有直接接口，而且物聯(lián)網(wǎng)也可以通過IMS網(wǎng)絡和GGSN相連接，如圖6。
圖6 IMS與物聯(lián)網(wǎng)融合的組網(wǎng)
上述網(wǎng)絡架構(gòu)實現(xiàn)了移動網(wǎng)絡、IMS網(wǎng)絡及物聯(lián)網(wǎng)的互通，物聯(lián)網(wǎng)借助移動網(wǎng)絡HSS設備鑒權(quán)用戶信息，借助IMS網(wǎng)絡承載部分業(yè)務，實現(xiàn)了資源有效利用。
4.結(jié)束語
本文就物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進行了研究，給出了物聯(lián)網(wǎng)與移動通信核心網(wǎng)融合的網(wǎng)絡構(gòu)架。隨著標準的完善，有些問題可以進一步探討：
(1)隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，會有第三方提供商接人，安全性如何保證?和現(xiàn)有網(wǎng)絡互通安全性如何保證?
(2)物聯(lián)網(wǎng)和IMS網(wǎng)絡有相通性，本文只是初步的探討，還有待進一步研究。如哪些業(yè)務是專屬IMS的業(yè)務，哪些業(yè)務更適合用物聯(lián)網(wǎng)作為載體，用IMS網(wǎng)絡作為物聯(lián)網(wǎng)的承載體是否可行，都值得進一步探討。
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本文標題：物聯(lián)網(wǎng)與移動核心網(wǎng)融合的網(wǎng)絡架構(gòu)研究
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