隨著移動通信技術(shù)從3G向4G LTE的演進(jìn),核心網(wǎng)(Core Network, CN)作為整個網(wǎng)絡(luò)的大腦和控制中心,其架構(gòu)與功能發(fā)生了革命性變化。LTE核心網(wǎng),即演進(jìn)的分組核心網(wǎng)(Evolved Packet Core, EPC),旨在提供一個全I(xiàn)P化的、扁平化的、高帶寬、低時延的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),以支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和豐富的多媒體應(yīng)用。本文將從基本原理和關(guān)鍵技術(shù)兩個維度,探討LTE核心網(wǎng)的核心要義及其在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)中的應(yīng)用。
一、LTE核心網(wǎng)(EPC)的基本原理
LTE核心網(wǎng)的設(shè)計摒棄了傳統(tǒng)電路交換域,完全基于分組交換,其核心設(shè)計思想是“簡化”與“融合”。
- 全I(xiàn)P扁平化架構(gòu):EPC采用控制與承載分離的扁平化架構(gòu)。與2G/3G復(fù)雜的層級結(jié)構(gòu)相比,它減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),簡化了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑。用戶面數(shù)據(jù)直接從基站(eNodeB)通過服務(wù)網(wǎng)關(guān)(S-GW)和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(P-GW)接入互聯(lián)網(wǎng),大大降低了傳輸時延。
- 主要網(wǎng)元與功能:EPC主要由四大邏輯網(wǎng)元構(gòu)成:
- 移動性管理實體(MME):是控制面的核心,負(fù)責(zé)信令處理,包括用戶鑒權(quán)、移動性管理(跟蹤區(qū)更新、切換)、會話管理以及網(wǎng)關(guān)選擇等。
- 服務(wù)網(wǎng)關(guān)(S-GW):是用戶面的錨點(diǎn),負(fù)責(zé)在eNodeB和P-GW之間路由和轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù)包,同時在eNodeB間切換時作為本地錨點(diǎn)。
- 分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(P-GW):是連接外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(如互聯(lián)網(wǎng)、IMS)的關(guān)口,承擔(dān)IP地址分配、策略計費(fèi)控制(PCC)、分組過濾及基于業(yè)務(wù)的計費(fèi)等功能。
- 歸屬用戶服務(wù)器(HSS):是中央用戶數(shù)據(jù)庫,存儲用戶訂閱信息、鑒權(quán)參數(shù)及位置信息,為MME提供鑒權(quán)和簽約數(shù)據(jù)查詢。
- 基本工作流程:當(dāng)用戶設(shè)備(UE)開機(jī)附著網(wǎng)絡(luò)時,首先通過eNodeB與MME建立信令連接。MME向HSS鑒權(quán)用戶,并為用戶選擇合適的S-GW和P-GW,建立默認(rèn)承載,分配IP地址。至此,UE便可通過S-GW和P-GW訪問外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。所有流程均通過信令交互在控制面完成,而用戶數(shù)據(jù)則在建立好的承載通道上直接傳輸。
二、LTE核心網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)
EPC的實現(xiàn)依賴于一系列關(guān)鍵技術(shù),這些技術(shù)保障了網(wǎng)絡(luò)的高性能、高可靠性和可管理性。
- 承載管理:承載是EPC中服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證的基礎(chǔ)。它是在UE和P-GW之間建立的、具有特定QoS屬性的邏輯通道。EPC支持默認(rèn)承載和專用承載的建立、修改與釋放,能夠為不同業(yè)務(wù)(如語音、視頻、網(wǎng)頁瀏覽)提供差異化的帶寬、時延和丟包率保障。
- 策略與計費(fèi)控制(PCC):PCC架構(gòu)是EPC實現(xiàn)精細(xì)化運(yùn)營的核心。它通過策略和計費(fèi)規(guī)則功能(PCRF)與承載綁定和執(zhí)行功能(PCEF,通常位于P-GW)的聯(lián)動,實現(xiàn)動態(tài)的策略控制(如門控、帶寬限制)和差異化的計費(fèi)(如基于內(nèi)容、時長、流量),為開展“智能管道”業(yè)務(wù)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
- 移動性管理:EPC支持跨3GPP接入技術(shù)(如LTE與2G/3G)和非3GPP接入技術(shù)(如Wi-Fi)的無縫移動性。通過優(yōu)化切換流程和引入S-GW作為本地錨點(diǎn),實現(xiàn)了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在移動過程中的連續(xù)性,用戶體驗不受影響。
- 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)與軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN):這是當(dāng)前及未來核心網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的核心方向。NFV將傳統(tǒng)專用硬件實現(xiàn)的網(wǎng)元功能(如MME、S/P-GW)軟件化,運(yùn)行在通用的服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)硬件上,極大地提升了網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性、可擴(kuò)展性和資源利用率。SDN則通過控制面與數(shù)據(jù)面分離,實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量的集中、靈活控制。兩者結(jié)合,為5G核心網(wǎng)的云化、服務(wù)化架構(gòu)(SBA)奠定了基石。
三、在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)中的應(yīng)用與展望
對LTE核心網(wǎng)原理與關(guān)鍵技術(shù)的深入理解,是進(jìn)行相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)的前提。開發(fā)者可以聚焦于:
- 核心網(wǎng)元軟件開發(fā):基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,開發(fā)MME、S/P-GW等網(wǎng)元的控制面和用戶面軟件。
- 協(xié)議棧開發(fā)與測試:深入開發(fā)和研究S1-MME、S1-U、S11、Gx等核心接口的協(xié)議棧,并構(gòu)建自動化測試環(huán)境。
- PCC與業(yè)務(wù)平臺集成:開發(fā)PCRF策略規(guī)則或與業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)(BOSS)、客戶關(guān)系管理(CRM)系統(tǒng)集成,實現(xiàn)創(chuàng)新的計費(fèi)和業(yè)務(wù)策略。
- 向5G核心網(wǎng)演進(jìn)開發(fā):5G核心網(wǎng)(5GC)采用了基于服務(wù)的架構(gòu)(SBA)和云原生設(shè)計。理解EPC是過渡到5GC開發(fā)的重要橋梁,開發(fā)者需要掌握網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算、服務(wù)化接口等新技術(shù)。
LTE核心網(wǎng)以其先進(jìn)的架構(gòu)和技術(shù),為移動寬帶時代提供了強(qiáng)大的基礎(chǔ)支撐。隨著5G時代的到來,其核心思想與關(guān)鍵技術(shù)仍在持續(xù)演進(jìn),驅(qū)動著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)向著更靈活、更智能、更開放的方向不斷發(fā)展。