移動核心網(wǎng)分組域SAE演進方案研究
簡介
SAE考慮對全IP網(wǎng)絡的影響：支持不同接入系統(tǒng)（現(xiàn)有的和將來的），基于運營商策略、用戶喜好和接入網(wǎng)條件組合的接入選擇；怎樣實現(xiàn)基本系統(tǒng)性能的改善，如通信時延，通信質量，建立時間；怎么維持整個系統(tǒng)協(xié)商的QoS，特別是域間和不同網(wǎng)絡之間，從網(wǎng)絡鏈路到基站的QoS等。SAE支持不同接入系統(tǒng)之間的移動性，包括業(yè)務連續(xù)性：I-WLAN和3GPPPS域的業(yè)務連續(xù)性；怎樣支持多種接入技術和終端在不同接入技術的移動性；當在不同的接入技術之間移動時，怎樣維持和支持同樣的接入控制能力，保密和計費等。網(wǎng)絡架構涉及端到端的系統(tǒng)方面、核心網(wǎng)和不同的接入系統(tǒng)。
1 引言
早期2G系統(tǒng)主要為電路交換應用設計，主要支持語音業(yè)務和低速率數(shù)據(jù)業(yè)務，無法滿足各種寬帶業(yè)務的需求。隨著因特網(wǎng)的出現(xiàn)，2G系統(tǒng)逐步向分組數(shù)據(jù)系統(tǒng)演進，在演進的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡中，所有通信流都被認為是分組數(shù)據(jù)，其優(yōu)點是能夠兼容和簡化網(wǎng)絡結構。隨著各種應用向分組數(shù)據(jù)應用發(fā)展，核心網(wǎng)從電路域向分組核心網(wǎng)演進。與此同時，信息化時代人們對寬帶化、移動化的要求越來越高，為了確保在未來移動寬帶的競爭中占據(jù)優(yōu)勢，3GPP提出了LTE（Long Term Evolution，長期演進）和SAE（System Architecture Evolution，系統(tǒng)架構演進）方案，并制定了相關的標準。LTE專門用于無線接口的演進，SAE主要用于研究核心網(wǎng)絡結構的演進。
2 SAE核心網(wǎng)演進方案
SAE采用扁平化的網(wǎng)絡結構，減少了網(wǎng)絡層次。在SAE架構中，去掉了基站控制器節(jié)點而將其功能分配到核心網(wǎng)和基站上處理。這種架構避免了對中間節(jié)點的投資，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，降低了傳輸時延，為吞吐能力的提升奠定了基礎。SAE架構的控制平面和用戶平面完全分離，增加了組網(wǎng)靈活性。運營商可以根據(jù)用戶數(shù)和業(yè)務量的發(fā)展情況，來更加靈活地選擇是擴展控制平面還是擴展用戶平面，從而提高網(wǎng)絡資源的利用率，降低建設成本。
SAE架構充分考慮與現(xiàn)有網(wǎng)絡的兼容，保護運營商的投資，這些兼容性包括與現(xiàn)有2G/3G的PS網(wǎng)絡的互操作、與現(xiàn)有CS網(wǎng)絡的互操作以及與現(xiàn)有網(wǎng)絡的運營支撐設備（如HLR、計費網(wǎng)關等）的互操作等。目前移動通信網(wǎng)絡從2G/3G向LTE網(wǎng)絡演進后，核心網(wǎng)需要同時接入2G、3G和LTE無線網(wǎng)絡。LTE/SAE構架中網(wǎng)元接口和功能較3G核心網(wǎng)分組域有較大的變化，在保證現(xiàn)有2G/3G核心網(wǎng)分組域有效應用的前提下，現(xiàn)有網(wǎng)絡向SAE架構演進主要有現(xiàn)網(wǎng)升級演進方案、混合組網(wǎng)方案及獨立組網(wǎng)方案三種。
2.1 現(xiàn)網(wǎng)升級演進方案
SAE是現(xiàn)有核心網(wǎng)分組域的演進方向，也是未來核心網(wǎng)的演進架構，因此，利用現(xiàn)有網(wǎng)元升級支持SAE架構是SAE組網(wǎng)方案之一。由于SAE是一個全IP化的網(wǎng)絡，現(xiàn)有核心網(wǎng)分組域的IP化是分組域向SAE演進的必要條件。目前中國移動核心網(wǎng)分組域IP化已經在進行當中。
在現(xiàn)有網(wǎng)元中，可以升級支持SAE的網(wǎng)元為SGSN和GGSN，其中SGSN可升級為SAE的移動管理實體MME，GGSN可升級支持S-GW和P-GW的功能。這種演進方法的優(yōu)點是保護運營商對2G/3G核心網(wǎng)投資，實現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)的平滑升級；形成統(tǒng)一的核心網(wǎng)分組域，可以提高用戶切換感受；而且對計費網(wǎng)管影響較小。其缺點是設備接口較多，技術的復雜造成管理復雜，同時升級改造對現(xiàn)網(wǎng)會有影響。
SAE同軟交換類似，采用控制和承載分離的架構。因此，如果采用現(xiàn)網(wǎng)升級改造的方式建設SAE網(wǎng)絡，需要在在PS域首先引入“控制和承載分離”的技術，即Direct Tunnel（簡稱DT）技術。DT是3GPP R7新引入的功能，通過將核心網(wǎng)中的用戶面和信令面分離，用戶數(shù)據(jù)不再由SGSN進行轉發(fā)，而是通過RNC和GGSN之間建立的單GTP隧道進行傳輸。當網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)量迅速增長而用戶量較為穩(wěn)定時，運營商無需同時對SGSN和GGSN進行大規(guī)模擴容，而只需根據(jù)需求擴容GGSN，從而為運營商節(jié)省投資。
現(xiàn)網(wǎng)升級演進方案的架構如圖1所示：
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圖1 現(xiàn)網(wǎng)升級演進方案示意圖
2.2 混合組網(wǎng)演進方案
利用現(xiàn)有網(wǎng)元升級支持SAE，SAE網(wǎng)絡中的網(wǎng)元全部利用現(xiàn)有資源；而在某些情況下，現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)元存在不支持SAE功能的情況，此時就需要采用現(xiàn)有部分網(wǎng)元和新建部分網(wǎng)元混合組網(wǎng)的方式來實現(xiàn)SAE組網(wǎng)。在混合組網(wǎng)演進方案中，將SGSN升級支持MME功能，而GGSN保持原有2G/3G接入，新建SAE的S-GW及P-GW網(wǎng)元支持LTE接入。這種方案的優(yōu)點是在保留原有GGSN的基礎上，根據(jù)用戶需求靈活配置S-GW及P-GW，平衡了技術和成本。其缺點是SGSN需要制定選擇GGSN或SAE S-GW及P-GW的策略，需要增加新的策略?；旌辖M網(wǎng)演進方案的架構如圖2所示：
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圖2 混合組網(wǎng)演進方案示意圖
2.3 獨立組網(wǎng)演進方案
獨立組網(wǎng)演進方案是指不升級現(xiàn)有SGSN和GGSN，保持其原有的2G/3G接入，新建MME和S-GW/P-GW設備支持LTE接入。這種方案的優(yōu)點是引入全新的SAE設備，能提供更高的性能，能更快速部署SAE網(wǎng)絡，同時對現(xiàn)有2G/3G系統(tǒng)影響較小。其缺點是新增網(wǎng)元造成網(wǎng)絡成本增加，同時多系統(tǒng)造成2G/3G和LTE系統(tǒng)間切換的復雜性。獨立組網(wǎng)方案的架構如圖3所示：
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圖3 獨立組網(wǎng)演進方案示意圖
3 SAE演進方案建議
在SAE引入初期，組網(wǎng)經驗少，終端發(fā)展成熟度低，如采用現(xiàn)網(wǎng)升級演進方案或混合組網(wǎng)演進方案，對現(xiàn)網(wǎng)影響較大。因此，初期SAE網(wǎng)絡應獨立于現(xiàn)有網(wǎng)絡，盡量不對現(xiàn)網(wǎng)造成影響。在SAE引入中期，組網(wǎng)經驗逐漸豐富，SAE網(wǎng)絡運行趨于穩(wěn)定，可逐步將現(xiàn)網(wǎng)SGSN及GGSN融合入SAE網(wǎng)絡當中，有利于網(wǎng)絡管理及優(yōu)化。在SAE引入后期，SAE承載業(yè)務逐漸增多，用戶增長迅速，此時應將現(xiàn)有分組域網(wǎng)元全部融合于SAE當中，同時對組網(wǎng)結構進行優(yōu)化。
現(xiàn)有核心網(wǎng)分組域向SAE架構的演進，需結合各地LTE業(yè)務發(fā)展情況及現(xiàn)網(wǎng)分組域設備對SAE升級的支持情況來決定，在SAE引入前期的分組域擴容工程中，應優(yōu)先選擇能夠支持向SAE演進的SGSN及GGSN設備。具體演進步驟及各階段網(wǎng)元設置如下：
第一步：SAE引入初期，在試點采用新建網(wǎng)元的方式獨立組網(wǎng)，集中設置在試點城市，不對現(xiàn)有2G/3G核心網(wǎng)造成影響。
（1）MME以省為單位集中設置，且采用大容量MME網(wǎng)元節(jié)點設置方式，并引入MME POOL保證網(wǎng)絡的安全可靠性。
（2）S-GW及P-GW建議采用合設的方式。從廠家支持情況考慮，大部分廠家均支持S-GW及P-GW合設；從投資情況考慮，S-GW及P-GW合設可以節(jié)省投資。
（3）HSS的設置，可以采取兩種方案，一是新建獨立的HSS，二是升級現(xiàn)網(wǎng)HLR設備作為HLR/HSS。其中第一種方案對現(xiàn)網(wǎng)影響較小，但需新建網(wǎng)元，未能充分利用現(xiàn)網(wǎng)資源；第二種方案對現(xiàn)網(wǎng)改造的工作量較大。由于HLR中存儲用戶數(shù)據(jù)的安全可靠性要求較高，第二種方案的實施存在較大的風險，因此在建設初期，建議選擇獨立建設HSS的方式。
第二步：SAE引入中期，基于試點驗證后已有的組網(wǎng)經驗，各地根據(jù)本地網(wǎng)元實際情況選擇獨立組網(wǎng)和混合組網(wǎng)方式。在不對現(xiàn)網(wǎng)造成較大影響的情況下，優(yōu)選混合組網(wǎng)的方式，對現(xiàn)網(wǎng)SGSN及GGSN升級支持SAE。
（1）優(yōu)先選擇升級2G/3G SGSN支持MME功能的方式。從網(wǎng)元功能上看，MME完成的功能僅是SGSN的一個子集，只負責處理信令面。采用升級2G/3G SGSN支持MME功能的方式，除了能提高LTE與2G/3G網(wǎng)間切換成功率，還能充分利用現(xiàn)有資源，提高設備利用率；當2G/3G與LTE的業(yè)務模型比例發(fā)生變化時，能夠更好地利用設備資源。當現(xiàn)網(wǎng)設備不具備升級支持MME功能時，采用新建MME方式。
（2）隨著業(yè)務量的增長，根據(jù)實際情況，考慮設置獨立的S-GW和P-GW疏通業(yè)務，可以通過DNS和MME的數(shù)據(jù)配置實現(xiàn)此種組網(wǎng)。
第三步：SAE引入后期，在組網(wǎng)經驗非常豐富的情況下，SAE的建設采用與現(xiàn)網(wǎng)全面融合的方式，選擇具備條件的SGSN、GGSN進行升級。
（1）應以提高LTE與2G/3G互操作效果為目的，采用融合組網(wǎng)方式。
（2）根據(jù)業(yè)務需求，對現(xiàn)網(wǎng)2G/3G SGSN進行改造，使其具備MME功能；或采用新建2G/3G SGSN/MME逐步替換不支持改造的2G/3G SGSN。
（3）根據(jù)業(yè)務需求，對現(xiàn)網(wǎng)2G/3G GGSN進行改造，使其具備SAE-GW功能；或采用新建SAE-GW/2G/3G GGSN逐步替換不支持改造的2G/3G GGSN。
4 結論
LTE/SAE作為后3G技術，具有其他技術所沒有的諸多優(yōu)點。作為IMS網(wǎng)絡架構的接入層，SAE能夠支持多種接入方式，如Wi-Fi、WiMAX等，同時SAE還支持多種計費方式及鑒權方式。通過部署LTE/SAE，移動運營商在全業(yè)務運營時代將更加具有競爭力。
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