1.前言
物聯網是通信業(yè)“十二五”規(guī)劃的重要內容，是經濟發(fā)展的重要增長點。隨著物聯網的發(fā)展，大量終端集中地接人網絡并同時發(fā)送數據到物聯網應用平臺，會對移動通信核心網造成巨大的沖擊。物聯網的發(fā)展對核心網的演進提出了新的要求，本文將就此進行研究。
2.核心網的演進階段
隨著物聯網的發(fā)展，核心網的演進可以分為三個階段：
階段：通過現有核心網承載物聯網業(yè)務。不用構建物聯網平臺，將物聯網業(yè)務直接連接到GGSN，組網簡潔，節(jié)約成本。其缺點是可靠性不強，占用現網資源，并且當物聯網發(fā)展到一定規(guī)模時網絡容量受限制。該階段出現于物網發(fā)展的初期階段，此時業(yè)務量不足、需求少，如圖1。
圖1 物聯網直接連接組網
階段2：構建物聯網平臺，并且物聯網平臺與核心網采用內部接口，運營商提供物聯網業(yè)務。該階段保證了服務質量(QoS)，并且能充分利用現有的核心網資源，有利于目前多種網絡的融合，適應于物聯網中期的發(fā)展需求，如圖2。
圖2 物聯網間接連接組網
階段3：采用混合組網形式，物聯網服務商提供接口。運營商除了提供自己的物聯網業(yè)務外，還可以兼容其他物聯網服務提供商的業(yè)務，同時核心網支持其他物聯網業(yè)務提供商的接口。該階段適應于物聯網發(fā)展的成熟階段，如圖3。
圖3 物聯網混合組網
目前物聯網的發(fā)展處于階段2，可以有兩種發(fā)展策略，一種是新建物聯網的核網，另一種是改造現有核心網來實現物聯網業(yè)務。現將兩種策略進行對比，如表1所示：
表1 新建和改造核心網策略的對比
物聯網發(fā)展的初期，考慮到物聯網業(yè)務量較小，核心網以實現業(yè)務功能為目標，通過現網改造也不會對現網設備造成容量的沖擊。物聯網發(fā)展到中后期，對網絡容量和質量要求高，現有核心網將難以滿足業(yè)務增長的需求，建議在此期間適時新建核心網網絡。
3.物聯網的演進方式
從目前物聯網的業(yè)務要求來看，物聯網終端沒有必要新建接人網絡，通過引人新技術并與現有通信網絡融合來實現接人是優(yōu)選方案。
3.1引入新技術
(1)引人分布式HLR
現有網絡HLR主要采用集中式的結構，從容量和擴展方面均很難滿足物聯網的存儲需求。分布式HLR則把實現信令接人和業(yè)務處理功能的前端設備(FE)和實現用戶數據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
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RNC和GGSN的用戶面互通。3G DT技術的應用，使得GGSN和SGSN可以分別主要致力于流量管理和信令管理，充分利用網絡資源，提高網絡效率，滿足物聯網流量規(guī)模龐大的需求。
3.2物聯網與現有網絡融合
(1)2G/3G網絡和物聯網融合組網
物聯網要求和2G/3G網絡相融合。移動的各種增值業(yè)務以及互聯網的各種業(yè)務都可以在3G網絡上實現，3G網絡是物聯網的合適載體。由于物聯網只承載在PS域中，BSC通過Gb口接至SGSN，連接至物聯網。由于BSC和GGSN沒有直接通信的通道，BSC的信號需要通過SGSN轉接。物聯網對2G的CS域核心網沒有影響。2G/3G網絡和物聯網的融合見圖4。
圖4 2G/3G網絡和物聯網的融合組網
融合的關鍵在于引入新型硬件架構的大容量GGSN設備，在提供傳統數據接人功能的同時，還需要提高設備性能、引入安全控制能力、支持QoS協商及業(yè)務分析能力;而為了滿足物聯網廣泛的業(yè)務需求，GGSN還應具備與第三方網絡及ASP的互聯功能等。專用M2M設備可直接接人GGSN，避免經與其他業(yè)務網元協商后再接入的方式，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應具備注冊物聯網用戶信息，包括時間信息、地址信、管理信息等，并具備可以激活物聯網設備的SIM卡功能等。
(2)IMS網絡和物聯網融合組網
IP多媒體系統(IMS)是3GPP定義的3G核心網向全IP網絡演進的網絡架構，是在分組域之上疊加的由業(yè)務控制設備、用戶數據庫、網絡互通設備等組成的通信系統，用以提供IP多媒體業(yè)務。
IMS支持開放的網絡架構及靈活的業(yè)務提供能力，為實現業(yè)務創(chuàng)新提供了更好的基礎。IMS架構提供了一個抽象的、無冗余的、安全的、開放的、可擴展能力強的業(yè)務平臺，確保物聯網新業(yè)務應用的快速開發(fā)定制及新業(yè)務網絡重復建設代價的最小化。對于豐富多樣的物聯網行業(yè)應用而言，IMS系統采用標準的開放接口，能夠有效提高產品兼容能力，促進物聯網產業(yè)發(fā)展;同時能夠快速提供各種物聯網業(yè)務應用，更利于業(yè)務融合，實現開放的業(yè)務提供模式。此外，IMS體系由于終端與核心側采用基于IP承載的SIP協議，IP技術與承載媒體無關的特性使得IMS體系可以支持各類接入方式，IMS體系架構可以支持移動性管理并且具有一定的服務質量(QoS)保障機制。IMS這些特點使其對物聯網能較好地兼容。物聯網與IMS的融合采用以下三個步驟(見圖5)：
圖5 IMS和物聯網的融合
控制融合：用現有的IMS網絡接人M2M網絡，作為M2M控制網實現對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，并借助現有的IP承載網實現IMS網絡和物聯網的融合。
IMS網絡和物聯網直接提供接口，用于業(yè)務信息和控制信息的傳輸，物聯網可以通過2種方式接人GGSN。物聯網和GGSN有直接接口，而且物聯網也可以通過IMS網絡和GGSN相連接，如圖6。
圖6 IMS與物聯網融合的組網
上述網絡架構實現了移動網絡、IMS網絡及物聯網的互通，物聯網借助移動網絡HSS設備鑒權用戶信息，借助IMS網絡承載部分業(yè)務，實現了資源有效利用。
4.結束語
本文就物聯網的發(fā)展進行了研究，給出了物聯網與移動通信核心網融合的網絡構架。隨著標準的完善，有些問題可以進一步探討：
(1)隨著物聯網的發(fā)展，會有第三方提供商接人，安全性如何保證?和現有網絡互通安全性如何保證?
(2)物聯網和IMS網絡有相通性，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)務更適合用物聯網作為載體，用IMS網絡作為物聯網的承載體是否可行，都值得進一步探討。
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本文標題：物聯網與移動核心網融合的網絡架構研究
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