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EPC
4G核心網路
4G作為第四代移動通信技術,有著無法比擬的優越性,它能夠快速傳輸語音、文本、視頻和圖像信息,能夠滿足幾乎所有用戶對於無線服務的要求,國際電信聯盟對於4G系統的標準為符合100Mbit/s數據傳輸速度的系統,當之無愧的被稱為機器之間的高速對話。LTE(Long Term Evolution)主要研究3GPP無線接入網的長期演進技術,升級版的LTE Advanced將最終滿足國際電信聯盟對4G系統的要求,SAE(System Architecture Evolution)則是研究核心網的長期演進,它定義了一個全IP的分組核心網EPC(Evolved Packet Core),該系統的特點為僅有分組域而無電路域、基於全IP結構、控制與承載分離且網路結構扁平化,其中主要包含MME、SGW、PGW、PCRF等網元。其中SGW和PGW常常合設並被稱為SAE-GW。
EPC主要由MME、SGW、PGW、PCRF等網元構成。其中:
MME:Mobility Management Entity,原3G網路中SGSN網元的控制面功能;
SGW:Serving Gateway,原3G網路中SGSN網元的用戶面功能,有時也寫為S-GW;
PGW:PDN Gateway,原3G網路中GGSN網元的功能,有時也寫為P-GW;
PCRF:Policy and Charging Rules Function,完成對用戶數據報文的策略和計費控制。
標準引入背景與無線技術演進相適應。2004年12月,3GPP在希臘雅典會議啟動了面向全IP的分組域核心網的演進項目SAE(System Architecture Evolution),並在WI階段更新為EPC(Evolved Packet Core)。
EPC網路可以支持3GPP和非3GPP(如Wi-Fi、WiMAX等)多種接入方式,是支持異構網路的融合架構。在此架構下,簡訊、語音等傳統的電路域業務將藉助VoLTE模式進行承載,也可以採用CSFB(Circuit Switched Fallback,電路域回落)的方案使用原有的電路域完成語音業務。綜上所述,EPC網路是4G移動通信網路的核心網。它屬於核心網範疇,具備用戶簽約數據存儲,移動性管理和數據交換等移動網路的傳統能力,並能夠給用戶提供超高速的上網體驗。概括來說,EPC具備如下特點:
1、核心網趨同化,交換功能路由化;
2、業務平面與控制平面完全分離;
3、網元數目最小化,協議層次最優化;
徠4、網路扁平化,全IP化。
VoIP
上面我們提到多個通訊行業的國際標準化組織,他們這麼多年做的大量工作,就是為了讓4G這個純IP網路化的移動通訊網路,能讓語音在共享的數據網路上(PS,即包交換),能象從前在獨佔的語音網路上(CS,即電路交換)跑的一樣遛,他們想到了VoIP。
VoIP裡面有許多標準,Skype是私有的,H323是通訊行業的標準,SIP是IETF也就是網際網路組織定的,為什麼通訊行業定未來下一個幾十年的標準時,不是從他們自己的H323上面發展,而是選網際網路行業標準組織IETF提出的SIP標準呢?大家都笑而不語……
但網際網路的原則是開放,還有一個就是免費,所以SIP在脫離於通訊行業標準約束時,非常自由,對於不同供應商提供的SIP服務之間的結算啊、費用啊之類的沒有通訊行業那麼細——說白了,就是SIP提供的許多服務都是免費的,要想收費不太好下手,由此,3GPP等等一眾通訊行業的標準化組織,在SIP基礎上,提出了IMS,到此,我們標題里說的SIP、VoIP、VoLTE、IMS這些名詞全部出場了。
VoIP解釋起來簡單,就是Voice on IP,語音跑在IP網路上,就是VoIP,這是一個比較上層的統稱的名詞,那麼同樣的VoLTE也只是說語音跑在LTE網路上——LTE就是指的4G的兩個標準,TD-LTE、FDD-LTE——需要注意的是,TD-LTE和TD-SCDMA沒有任何關係,其它的我就不多說了。
LTE全稱是Long Time Evolution,從名字上就知道,4G這個東西提出的很匆忙,許多東西還沒定好就被運營商急著要上線。
IMS
而IMS這個東西就要複雜的多了,雖然SIP很好理解,大家暗地裡可能也用了好多年的VoIP,對SIP也很熟悉了,它本質上就是一個伺服器,放賬號,大家註冊上去就能打電話,很簡單吧,但要收費呢,VoIP一般也只提供了便宜的網路電話,按時長或者包月收費,沒有增值服務——這對於移動通訊運營商來說可是不能忍受的。來電顯示為什麼不能收費?為什麼彩鈴不能收費?為什麼留言不能收費?為什麼為什麼?
所以,IMS乾的第一件是,就是加入了一個HSS子服務(Home Subscriber Server),這個是什麼東西呢?SIP雖然也分為註冊伺服器Register Server、呼叫代理伺服器Proxy Server,但SIP的註冊伺服器只是記錄一下一個SIP賬號的當前的IP地址數據、認證一下賬號密碼是不是正確;但IMS里的HSS就不簡單了,他是在SIP的註冊伺服器基礎上,增加了一個很明顯的運營商特徵——業務訂購資料庫,也就是在移動開手機卡時,那一堆附加增值服務,好了,你在這裡可以看到來電顯示業務、呼叫等待業務、彩鈴業務……,的開關——也意味著收費的計費點。
因為VoIP很簡單,一般是企業內部用,或者小規模的虛擬運營商在有限的幾台伺服器上提供服務,所以VoIP的SIP軟體、SIP電話機網關就可以直接通過IP地址和賬號就能註冊上去,然後呼叫在多台伺服器上互相路由就可以完成呼叫的目的了,這些伺服器,一般就是SIP Proxy Server,涉及到和固定電話、手機號碼互通時,會有FXO網關,E1網關等負責轉換,這裡不多說了。
而IMS作為運營商的方案,動輒上億用戶規模,而且又分為各省市地分公司,當然,還有一個不得不提的,漫遊——IP還區分漫遊?VoIP不是宣傳不區分本地長途,沒有漫遊的概念么?是的,但IMS認為這樣不行,所以,他要加入漫遊的概念……
SIP
IMS的核心是SIP,所以類似SIP Proxy Server這麼重要的核心組件,IMS是不會少的,IMS里稱它為Call Session Control Function,即CSCF,並且又把它分成了多個子系統,其中代理CSCF(P-CSCF)從用戶終端角度看,基本就是SIP里的Proxy Server了(但其實不是,下述),負責直接與IMS的終端(類似SIP的軟電話、硬體電話等等,但同樣的,也擴展了不少東西,這裡跳過不述);P-CSCF直接與終端交互,可能會把SIP進行壓縮或者加密,然後就交給查詢CSCF(I-CSCF),I-CSCF會查詢HSS數據,來對用戶名和密碼進行認證,當然,他也從HSS里查詢你是否欠費了,開通或關閉了某些業務,以及你是從哪個P-CSCF來的,用來判斷你是不是漫遊。
整個呼叫過程中,P-CSCF是不做複雜工作的,P-CSCF只負責接收SIP消息,它相當於是對外聯絡點,然後SIP消息會到達I-CSCF,I-CSCF是運營商的核心網路——就是運營商內部網路的入口,他會根據HSS查找到用戶是屬於哪個地區的,會對應分配一個空閑的為該地區服務的服務CSCF(S-CSCF),一直到了這裡,S-CSCF才是真正的VoIP里Proxy Server的角色,S-CSCF完成用戶註冊認證和呼叫的路由處理,以及電話業務的觸發(IMS稱為AS,另外獨立成一個子系統,下述)。
所以如果綜合來分析,P-CSCF和I-CSCF只是起到一個邊界安全防護SBC伺服器和負載平衡、伺服器分流這一類功能,真正處理SIP註冊和呼叫的原先VoIP里標準邏輯的組件,是S-CSCF,從物理上看,P-CSCF可能是全國或省一級中心統一的伺服器集群,配合更多的I-CSCF伺服器分佈在主幹核心網上做分流,背靠一個大的HSS伺服器群,將不同市縣的用戶分配到各地的S-CSCF上進行實際的處理,並且S-CSCF會更多地與當地的通訊機房裡原有的2G、3G發生交流,也就是媒體網關(MGW),負責把新的走4G的手機終端和舊的3G、2G以及固定電話之類的對接起來,保持兼容(也就是PS、CS域的互通)。
所以,一個最最精簡的IMS系統,它的核心組件是包含HSS、CSCF(P、I、S)即可,即把VoIP SIP的核心Register和Proxy Server進行按運營需求的發展。
MGW
MGW,其實就是市面上大量被使用的VoIP的模擬網關,數字中繼網關,而已……當然,運營商對穩定性要求需要更高一些,並且需要額外的集中管理和控制能力。