移動核心網分組域SAE演進方案研究
簡介
SAE考慮對全IP網絡的影響：支持不同接入系統（現有的和將來的），基于運營商策略、用戶喜好和接入網條件組合的接入選擇；怎樣實現基本系統性能的改善，如通信時延，通信質量，建立時間；怎么維持整個系統協商的QoS，特別是域間和不同網絡之間，從網絡鏈路到基站的QoS等。SAE支持不同接入系統之間的移動性，包括業務連續性：I-WLAN和3GPPPS域的業務連續性；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。網絡架構涉及端到端的系統方面、核心網和不同的接入系統。
1 引言
早期2G系統主要為電路交換應用設計，主要支持語音業務和低速率數據業務，無法滿足各種寬帶業務的需求。隨著因特網的出現，2G系統逐步向分組數據系統演進，在演進的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統）網絡中，所有通信流都被認為是分組數據，其優點是能夠兼容和簡化網絡結構。隨著各種應用向分組數據應用發展，核心網從電路域向分組核心網演進。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優勢，3GPP提出了LTE（Long Term Evolution，長期演進）和SAE（System Architecture Evolution，系統架構演進）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絡結構的演進。
2 SAE核心網演進方案
SAE采用扁平化的網絡結構，減少了網絡層次。在SAE架構中，去掉了基站控制器節點而將其功能分配到核心網和基站上處理。這種架構避免了對中間節點的投資，減少了數據傳輸的路徑，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，增加了組網靈活性。運營商可以根據用戶數和業務量的發展情況，來更加靈活地選擇是擴展控制平面還是擴展用戶平面，從而提高網絡資源的利用率，降低建設成本。
SAE架構充分考慮與現有網絡的兼容，保護運營商的投資，這些兼容性包括與現有2G/3G的PS網絡的互操作、與現有CS網絡的互操作以及與現有網絡的運營支撐設備（如HLR、計費網關等）的互操作等。目前移動通信網絡從2G/3G向LTE網絡演進后，核心網需要同時接入2G、3G和LTE無線網絡。LTE/SAE構架中網元接口和功能較3G核心網分組域有較大的變化，在保證現有2G/3G核心網分組域有效應用的前提下，現有網絡向SAE架構演進主要有現網升級演進方案、混合組網方案及獨立組網方案三種。
2.1 現網升級演進方案
SAE是現有核心網分組域的演進方向，也是未來核心網的演進架構，因此，利用現有網元升級支持SAE架構是SAE組網方案之一。由于SAE是一個全IP化的網絡，現有核心網分組域的IP化是分組域向SAE演進的必要條件。目前中國移動核心網分組域IP化已經在進行當中。
在現有網元中，可以升級支持SAE的網元為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。這種演進方法的優點是保護運營商對2G/3G核心網投資，實現現有系統的平滑升級；形成統一的核心網分組域，可以提高用戶切換感受；而且對計費網管影響較小。其缺點是設備接口較多，技術的復雜造成管理復雜，同時升級改造對現網會有影響。
SAE同軟交換類似，采用控制和承載分離的架構。因此，如果采用現網升級改造的方式建設SAE網絡，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，通過將核心網中的用戶面和信令面分離，用戶數據不再由SGSN進行轉發，而是通過RNC和GGSN之間建立的單GTP隧道進行傳輸。當網絡中數據量迅速增長而用戶量較為穩定時，運營商無需同時對SGSN和GGSN進行大規模擴容，而只需根據需求擴容GGSN，從而為運營商節省投資。
現網升級演進方案的架構如圖1所示：
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圖1 現網升級演進方案示意圖
2.2 混合組網演進方案
利用現有網元升級支持SAE，SAE網絡中的網元全部利用現有資源；而在某些情況下，現網網元存在不支持SAE功能的情況，此時就需要采用現有部分網元和新建部分網元混合組網的方式來實現SAE組網。在混合組網演進方案中，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網元支持LTE接入。這種方案的優點是在保留原有GGSN的基礎上，根據用戶需求靈活配置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。混合組網演進方案的架構如圖2所示：
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圖2 混合組網演進方案示意圖
2.3 獨立組網演進方案
獨立組網演進方案是指不升級現有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網絡，同時對現有2G/3G系統影響較小。其缺點是新增網元造成網絡成本增加，同時多系統造成2G/3G和LTE系統間切換的復雜性。獨立組網方案的架構如圖3所示：
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圖3 獨立組網演進方案示意圖
3 SAE演進方案建議
在SAE引入初期，組網經驗少，終端發展成熟度低，如采用現網升級演進方案或混合組網演進方案，對現網影響較大。因此，初期SAE網絡應獨立于現有網絡，盡量不對現網造成影響。在SAE引入中期，組網經驗逐漸豐富，SAE網絡運行趨于穩定，可逐步將現網SGSN及GGSN融合入SAE網絡當中，有利于網絡管理及優化。在SAE引入后期，SAE承載業務逐漸增多，用戶增長迅速，此時應將現有分組域網元全部融合于SAE當中，同時對組網結構進行優化。
現有核心網分組域向SAE架構的演進，需結合各地LTE業務發展情況及現網分組域設備對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元設置如下：
第一步：SAE引入初期，在試點采用新建網元的方式獨立組網，集中設置在試點城市，不對現有2G/3G核心網造成影響。
（1）MME以省為單位集中設置，且采用大容量MME網元節點設置方式，并引入MME POOL保證網絡的安全可靠性。
（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，二是升級現網HLR設備作為HLR/HSS。其中第一種方案對現網影響較小，但需新建網元，未能充分利用現網資源；第二種方案對現網改造的工作量較大。由于HLR中存儲用戶數據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經驗，各地根據本地網元實際情況選擇獨立組網和混合組網方式。在不對現網造成較大影響的情況下，優選混合組網的方式，對現網SGSN及GGSN升級支持SAE。
（1）優先選擇升級2G/3G SGSN支持MME功能的方式。從網元功能上看，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網間切換成功率，還能充分利用現有資源，提高設備利用率；當2G/3G與LTE的業務模型比例發生變化時，能夠更好地利用設備資源。當現網設備不具備升級支持MME功能時，采用新建MME方式。
（2）隨著業務量的增長，根據實際情況，考慮設置獨立的S-GW和P-GW疏通業務，可以通過DNS和MME的數據配置實現此種組網。
第三步：SAE引入后期，在組網經驗非常豐富的情況下，SAE的建設采用與現網全面融合的方式，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，采用融合組網方式。
（2）根據業務需求，對現網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）根據業務需求，對現網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點。作為IMS網絡架構的接入層，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，移動運營商在全業務運營時代將更加具有競爭力。
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