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(jì)發(fā)展的重要增長點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大量終端集中地接人網(wǎng)絡(luò)并同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，會(huì)對(duì)移動(dòng)通信核心網(wǎng)造成巨大的沖擊。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對(duì)核心網(wǎng)的演進(jìn)提出了新的要求，本文將就此進(jìn)行研究。

   2.核心網(wǎng)的演進(jìn)階段

    隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，核心網(wǎng)的演進(jìn)可以分為三個(gè)階段：

    階段：通過現(xiàn)有核心網(wǎng)承載物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。不用構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)直接連接到GGSN，組網(wǎng)簡潔，節(jié)約成本。其缺點(diǎn)是可靠性不強(qiáng)，占用現(xiàn)網(wǎng)資源，并且當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到一定規(guī)模時(shí)網(wǎng)絡(luò)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(shí)業(yè)務(wù)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(tái)，并且物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與核心網(wǎng)采用內(nèi)部接口，運(yùn)營商提供物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。該階段保證了服務(wù)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(luò)的融合，適應(yīng)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(wù)商提供接口。運(yùn)營商除了提供自己的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)外，還可以兼容其他物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商的業(yè)務(wù)，同時(shí)核心網(wǎng)支持其他物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商的接口。該階段適應(yīng)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(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)�，F(xiàn)將兩種策略進(jìn)行對(duì)比，如表1所示：
 

表1 新建和改造核心網(wǎng)策略的對(duì)比

    物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的初期，考慮到物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)量較小，核心網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能為目標(biāo)，通過現(xiàn)網(wǎng)改造也不會(huì)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備造成容量的沖擊。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到中后期，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量和質(zhì)量要求高，現(xiàn)有核心網(wǎng)將難以滿足業(yè)務(wù)增長的需求，建議在此期間適時(shí)新建核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

   3.物聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)方式

    從目前物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)要求來看，物聯(lián)網(wǎng)終端沒有必要新建接人網(wǎng)絡(luò)，通過引人新技術(shù)并與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)融合來實(shí)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(luò)HLR主要采用集中式的結(jié)構(gòu)，從容量和擴(kuò)展方面均很難滿足物聯(lián)網(wǎng)的存儲(chǔ)需求。分布式HLR則把實(shí)現(xiàn)信令接人和業(yè)務(wù)處理功能的前端設(shè)備(FE)和實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)功能的后端設(shè)備(BE)分開部署，具有用戶容量靈活、分層架構(gòu)清晰、設(shè)備可用性和可靠性高、擴(kuò)展靈活等點(diǎn)。

    (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(jìn)行傳輸，可以降低SGSN的用戶面流量壓力。3G DT技術(shù)應(yīng)用后，控制面信令仍然由SGSN完成，同時(shí)由SGSN決定何時(shí)建立直連隧道以及對(duì)隧道進(jìn)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(shí)現(xiàn)RNC和GGSN的用戶面互通。3G DT技術(shù)的應(yīng)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(luò)資源，提高網(wǎng)絡(luò)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(luò)融合

    (1)2G/3G網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)融合組網(wǎng)

    物聯(lián)網(wǎng)要求和2G/3G網(wǎng)絡(luò)相融合。移動(dòng)的各種增值業(yè)務(wù)以及互聯(lián)網(wǎng)的各種業(yè)務(wù)都可以在3G網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)，3G網(wǎng)絡(luò)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(hào)需要通過SGSN轉(zhuǎn)接。物聯(lián)網(wǎng)對(duì)2G的CS域核心網(wǎng)沒有影響。2G/3G網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的融合見圖4。

圖4 2G/3G網(wǎng)絡(luò)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(shè)備，在提供傳統(tǒng)數(shù)據(jù)接人功能的同時(shí)，還需要提高設(shè)備性能、引入安全控制能力、支持QoS協(xié)商及業(yè)務(wù)分析能力;而為了滿足物聯(lián)網(wǎng)廣泛的業(yè)務(wù)需求，GGSN還應(yīng)具備與第三方網(wǎng)絡(luò)及ASP的互聯(lián)功能等。專用M2M設(shè)備可直接接人GGSN，避免經(jīng)與其他業(yè)務(wù)網(wǎng)元協(xié)商后再接入的方式，簡化接人流程，減少業(yè)務(wù)延遲；并平滑升級(jí)支持IPv6，具備完善的負(fù)荷緩沖和控制機(jī)制，滿足海量M2M終端的接人需求。同時(shí)要對(duì)HSS有改造需求，HSS應(yīng)具備注冊(cè)物聯(lián)網(wǎng)用戶信息，包括時(shí)間信息、地址信、管理信息等，并具備可以激活物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的SIM卡功能等。

    (2)IMS網(wǎng)絡(luò)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I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是在分組域之上疊加的由業(yè)務(wù)控制設(shè)備、用戶數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)互通設(shè)備等組成的通信系統(tǒng)，用以提供IP多媒體業(yè)務(wù)。

    IMS支持開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及靈活的業(yè)務(wù)提供能力，為實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)創(chuàng)新提供了更好的基礎(chǔ)。IMS架構(gòu)提供了一個(gè)抽象的、無冗余的、安全的、開放的、可擴(kuò)展能力強(qiáng)的業(yè)務(wù)平臺(tái)，確保物聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務(wù)應(yīng)用的快速開發(fā)定制及新業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)重復(fù)建設(shè)代價(jià)的最小化。對(duì)于豐富多樣的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用而言，IMS系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的開放接口，能夠有效提高產(chǎn)品兼容能力，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展;同時(shí)能夠快速提供各種物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，更利于業(yè)務(wù)融合，實(shí)現(xiàn)開放的業(yè)務(wù)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(dòng)性管理并且具有一定的服務(wù)質(zhì)量(QoS)保障機(jī)制。IMS這些特點(diǎn)使其對(duì)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(gè)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(luò)接人M2M網(wǎng)絡(luò)，作為M2M控制網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)M2M業(yè)務(wù)的控制。

    業(yè)務(wù)融合：M2M應(yīng)用作為IMS應(yīng)用的一部分為IMS用戶及應(yīng)用提供更豐富信息，IMS用戶及應(yīng)用擴(kuò)展至更多場景。

    完全融合：將M2M應(yīng)用和IMS應(yīng)用合并，用相同的應(yīng)用服務(wù)器處理，并借助現(xiàn)有的IP承載網(wǎng)實(shí)現(xiàn)IMS網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的融合。

    IMS網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)直接提供接口，用于業(yè)務(wù)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(luò)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(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、IMS網(wǎng)絡(luò)及物聯(lián)網(wǎng)的互通，物聯(lián)網(wǎng)借助移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)HSS設(shè)備鑒權(quán)用戶信息，借助IMS網(wǎng)絡(luò)承載部分業(yè)務(wù)，實(shí)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(jìn)行了研究，給出了物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信核心網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。隨著標(biāo)準(zhǔn)的完善，有些問題可以進(jìn)一步探討：

    (1)隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，會(huì)有第三方提供商接人，安全性如何保證?和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互通安全性如何保證?

    (2)物聯(lián)網(wǎng)和IMS網(wǎng)絡(luò)有相通性，本文只是初步的探討，還有待進(jìn)一步研究。如哪些業(yè)務(wù)是專屬IMS的業(yè)務(wù)，哪些業(yè)務(wù)更適合用物聯(lián)網(wǎng)作為載體，用IMS網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的承載體是否可行，都值得進(jìn)一步探討。

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本文標(biāo)題：物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)核心網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究

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