王靜 周娜

摘要：介紹了可應(yīng)用于3GPP移動通信網(wǎng)絡(luò)的分流技術(shù)方案，該方案使得數(shù)據(jù)流量能夠就近疏導(dǎo)至Internet網(wǎng)絡(luò)，避免核心網(wǎng)與接入網(wǎng)之間傳輸資源的浪費，降低了運營商網(wǎng)絡(luò)擴容方面的壓力。這為運營商網(wǎng)絡(luò)的實際運營提供參考建議，具有重要的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：移動通信網(wǎng)絡(luò)；移動互聯(lián)網(wǎng)；分流；本地疏導(dǎo)

Abstract： This paper describes offloading technology solutions that can be used in a 3GPP mobile network. These solutions can be used to offload traffic to the Internet close to the access network. They avoid wasted transmission resources between the core network and access network and reduce pressure on the operator during network expansion. This paper provides suggestions for actual network.

Key words： mobile communication network； mobile Internet； offloading； local breakout

無線通信的發(fā)展將人們帶入一個資源無所不在的信息化時代，用戶業(yè)務(wù)需求在很大程度上影響著移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。當(dāng)前，業(yè)務(wù)已經(jīng)成為移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要驅(qū)動力。隨著智能終端的普及，原本平行發(fā)展的電信業(yè)務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)開始步入融合階段，電信網(wǎng)絡(luò)進入了移動互聯(lián)網(wǎng)時代。

在移動互聯(lián)網(wǎng)時代中，用戶業(yè)務(wù)越來越多地圍繞數(shù)據(jù)而非語音展開。圖1給出了普通終端用戶與智能終端用戶之間業(yè)務(wù)應(yīng)用對比[1]。從圖中可以看出，智能終端用戶對數(shù)據(jù)或者互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的使用程度已經(jīng)遠遠超過了普通終端用戶。對于發(fā)達國家市場的無線運營商而言，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為日益占主導(dǎo)地位的網(wǎng)絡(luò)流量份額。據(jù)統(tǒng)計，在2009年度NTT docomo的數(shù)據(jù)流量已經(jīng)達到網(wǎng)絡(luò)總體流量的90%，沃達豐同期的數(shù)據(jù)流量也達到了網(wǎng)絡(luò)總體流量的70%[1]。

當(dāng)前由手機電視、手機游戲、VoIP、P2P等移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)所帶來的移動數(shù)據(jù)流量也在不斷增長中。據(jù)Cisco預(yù)測：到2016年，全球移動數(shù)據(jù)將增至每月10.8 EB，2011—2016年的移動數(shù)據(jù)年復(fù)合增長率為78%[2]。

現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)采用集中化控制與處理方式，業(yè)務(wù)的傳輸需要全程穿越核心網(wǎng)與接入網(wǎng)。隨著大量移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)匯聚到核心網(wǎng)絡(luò)，會對數(shù)據(jù)交換節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)傳輸造成很大壓力。為滿足數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求而盲目地進行網(wǎng)絡(luò)擴容與升級，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)運營成本大幅上升，卻不一定能夠獲得預(yù)期的收益，而通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的革新降低建網(wǎng)運維開銷、改進網(wǎng)絡(luò)性能才是解決問題的根本手段。在此需求的推動下，分流技術(shù)應(yīng)運而生，成為第三代合作伙伴項目（3GPP）標(biāo)準(zhǔn)中移動運營商最為關(guān)注的課題之一。

分流技術(shù)的目的是在接入網(wǎng)側(cè)將數(shù)據(jù)流量大的、非增值業(yè)務(wù)就近疏導(dǎo)至Internet網(wǎng)絡(luò)，避免大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在核心網(wǎng)與接入網(wǎng)之間傳輸?shù)馁Y源浪費，有助于提高業(yè)務(wù)性能，降低移動通信網(wǎng)絡(luò)面臨的擴容壓力并控制移動通信網(wǎng)絡(luò)整體投資成本，能夠緩解運營商數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)帶來的“增量不增收”的尷尬局面。

文章對分流技術(shù)在3GPP移動通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進行介紹，并通過具體方案分析，提出3GPP移動通信網(wǎng)絡(luò)的改進模式，使得移動互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)優(yōu)勢及接入優(yōu)勢能夠更好的結(jié)合。

1 分流技術(shù)的應(yīng)用場景

在3GPP網(wǎng)絡(luò)中，用戶可以通過宏基站或者是家庭基站接入網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)無線接入位置的不同可以實現(xiàn)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的分流和家庭基站網(wǎng)絡(luò)的分流。其中家庭基站網(wǎng)絡(luò)的分流還包括面向Internet網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分流和面向家庭或企業(yè)本地IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分流，具體有圖2和圖3所示的3種典型分流應(yīng)用場景[3-4]。

圖2中的場景1描述的是用戶通過宏基站接入時的分流，運營商可以通過分流技術(shù)將部分業(yè)務(wù)在靠近用戶接入網(wǎng)的地方分流到Internet網(wǎng)絡(luò)，在此過程中數(shù)據(jù)流量不經(jīng)過運營商核心網(wǎng)，能夠節(jié)省系統(tǒng)的傳輸資源。分流技術(shù)將數(shù)據(jù)從地理/邏輯上更接近用戶的節(jié)點路由出去，一方面能夠避免數(shù)據(jù)流量給核心網(wǎng)帶來持續(xù)壓力，一方面由于就近為數(shù)據(jù)選擇路由，可以提高數(shù)據(jù)的路由效率，還有可能因為避開核心網(wǎng)資源擁塞而提升用戶的業(yè)務(wù)體驗。

圖3描述了用戶通過家庭基站接入的兩種分流實現(xiàn)。場景2中，用戶通過家庭基站接入訪問家庭或者企業(yè)本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的IP設(shè)備（如打印機、數(shù)字多媒體服務(wù)器等）。場景3中，用戶通過家庭基站接入訪問外部Internet網(wǎng)絡(luò)。通過家庭基站網(wǎng)絡(luò)的分流技術(shù)，用戶與家庭網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點或者Internet服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳遞可以在本地進行疏導(dǎo)，無需傳遞到核心網(wǎng)節(jié)點。這樣可以在核心網(wǎng)資源最大化利用的同時，也能為用戶提供更加豐富的本地相關(guān)業(yè)務(wù)，增加用戶的“黏”度。

2 分流技術(shù)的實現(xiàn)方案

本節(jié)基于特定的分流場景提出不同的分流技術(shù)實現(xiàn)方案，并通過對方案的分析和研究，概括出方案的特點，為實際應(yīng)用提供理論參考。

2.1 宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的分流

2.1.1 網(wǎng)關(guān)選擇方案

網(wǎng)關(guān)選擇方案基于網(wǎng)絡(luò)部署來實現(xiàn)，即在靠近無線接入網(wǎng)側(cè)的位置部署大量的分組網(wǎng)關(guān)，運營商則通過為分流業(yè)務(wù)選擇就近的分組網(wǎng)關(guān)來卸載流量，圖4、圖5所示為3G和LTE網(wǎng)絡(luò)中的分流實現(xiàn)方式[5]。

核心網(wǎng)在歸屬用戶服務(wù)器（HSS）中為用戶的分流業(yè)務(wù)所對應(yīng)的接入點名字（APN）配置分流屬性，當(dāng)用戶發(fā)起網(wǎng)絡(luò)連接建立時，核心網(wǎng)根據(jù)用戶請求的APN屬性、本地分流策略、網(wǎng)元能力等決定是否啟動數(shù)據(jù)分流。在決定執(zhí)行數(shù)據(jù)分流時，核心網(wǎng)使用用戶當(dāng)前位置信息（如用戶所附著的位置區(qū)標(biāo)志、基站標(biāo)志等）向域名系統(tǒng)（DNS）查詢靠近用戶側(cè)的本地分組網(wǎng)關(guān)，基于S-NAPTR機制來約束用戶到網(wǎng)關(guān)間的最短用戶面路徑。

在選擇到靠近用戶側(cè)的本地分組網(wǎng)關(guān)（L-PGW或L-GGSN）后，核心網(wǎng)建立專為分流業(yè)務(wù)使用的網(wǎng)絡(luò)連接，用戶分流業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過本地分組網(wǎng)關(guān)進行疏導(dǎo)，對同時存在的核心網(wǎng)業(yè)務(wù)沒有影響。網(wǎng)關(guān)選擇方案適用于支持多網(wǎng)絡(luò)連接的用戶終端，對于僅支持單個網(wǎng)絡(luò)連接的用戶終端來說，也可以通過本地網(wǎng)關(guān)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)分流，此時的網(wǎng)絡(luò)連接上應(yīng)同時承載著分流數(shù)據(jù)和核心網(wǎng)數(shù)據(jù)，本地網(wǎng)關(guān)將核心網(wǎng)數(shù)據(jù)路由到運營商自營的核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，本地網(wǎng)關(guān)也可將分流數(shù)據(jù)路由到外部的Internet網(wǎng)絡(luò)。

由于分流業(yè)務(wù)的執(zhí)行與本地分組網(wǎng)關(guān)的位置密切相關(guān)，所以當(dāng)用戶移動出本地網(wǎng)關(guān)的服務(wù)范圍時，分流業(yè)務(wù)會因網(wǎng)絡(luò)希望為分流業(yè)務(wù)重新指定一個就近的本地分組網(wǎng)關(guān)而中斷，此時不能保證數(shù)據(jù)分流的業(yè)務(wù)連續(xù)性。

綜上分析，網(wǎng)關(guān)選擇方案沿用既有的3GPP網(wǎng)絡(luò)移動管理和會話管理功能即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)分流，僅需要增強基于用戶位置的DNS查詢機制即可。方案同時適用于3G和LTE網(wǎng)絡(luò)，通過對本地分組網(wǎng)關(guān)功能的擴展即可實現(xiàn)計費、合法監(jiān)聽等業(yè)務(wù)功能，屬于移動通信網(wǎng)絡(luò)長期演進過程中優(yōu)先考慮的方案。

2.1.2 Iu-PS接口流量卸載方案

Iu-PS接口流量卸載方案通過在宏基站與核心網(wǎng)之間部署傳輸分流功能（TOF）網(wǎng)元來實現(xiàn)業(yè)務(wù)分流，TOF網(wǎng)元監(jiān)控Iu-PS接口上的信令和數(shù)據(jù)，根據(jù)配置的分流策略決定數(shù)據(jù)是否要進行流量卸載，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示[5]。

TOF網(wǎng)元作為一個新定義的網(wǎng)元，可以單獨部署或者與無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）、家庭基站網(wǎng)關(guān)（HNB GW）合設(shè)。TOF向RNC和SGSN提供標(biāo)準(zhǔn)的Iu-PS接口，向外部Internet網(wǎng)絡(luò)提供標(biāo)準(zhǔn)的Gi接口。TOF支持與計費網(wǎng)關(guān)（CG）和合法監(jiān)聽網(wǎng)關(guān)（LIG）的標(biāo)準(zhǔn)接口，用于計費和合法監(jiān)聽。

網(wǎng)絡(luò)配置業(yè)務(wù)對應(yīng)APN的分流屬性，當(dāng)用戶請求用于分流的網(wǎng)絡(luò)連接建立時，核心網(wǎng)指示TOF網(wǎng)元對此分流連接對應(yīng)的無線承載啟動分流處理。TOF網(wǎng)元監(jiān)控Iu接口上傳遞的非接入層（NAS）和無線接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部分（RANAP）信令，建立或者刪除分流業(yè)務(wù)的上下文信息，通過深度包檢測（DPI）機制對上行數(shù)據(jù)進行檢查，根據(jù)配置的分流策略決定是否本地分流。確定需要分流的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）處理后發(fā)送到外部Internet網(wǎng)絡(luò)，下行數(shù)據(jù)通過GPRS隧道協(xié)議（GTP）協(xié)議封裝到對應(yīng)的無線承載中。

此方案支持單個網(wǎng)絡(luò)連接上的部分業(yè)務(wù)分流，分流粒度可控，不影響同時進行的核心網(wǎng)業(yè)務(wù)。由于TOF網(wǎng)元是分流業(yè)務(wù)的錨點，當(dāng)用戶移動到與TOF網(wǎng)元無連接的宏基站后，分流業(yè)務(wù)下行數(shù)據(jù)無法路由至新的宏基站，因此不能保證分流業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

Iu-PS接口流量卸載方案本質(zhì)上依賴于對Iu接口上信令和數(shù)據(jù)的監(jiān)控，由于LTE網(wǎng)絡(luò)升級了對空口信令的加密，TOF網(wǎng)元無法讀取S1接口上傳遞的NAS信令，因此該方案僅適用于3G網(wǎng)絡(luò)，是解決移動通信網(wǎng)絡(luò)分流的階段性解決方案。

2.2 家庭基站網(wǎng)絡(luò)的分流

家庭基站網(wǎng)絡(luò)的分流分為面向Internet網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分流和面向家庭或者企業(yè)本地網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分流，雖然數(shù)據(jù)流向不同，但是可以通過相同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持分流實現(xiàn)[6]，如圖7、圖8所示。

為支持家庭基站網(wǎng)絡(luò)的分流，在家庭基站組成的本地網(wǎng)絡(luò)中部署本地網(wǎng)關(guān)（L-GW），它可以與家庭基站合設(shè)或者分設(shè)。在3G網(wǎng)絡(luò)中，L-GW與家庭基站間都使用直接隧道方式進行通信。在LTE網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)L-GW分設(shè)部署時，L-GW與家庭基站間使用S1-U接口，此時L-GW需要合設(shè)S-GW的功能。在實際的企業(yè)應(yīng)用場景中，L-GW中的S-GW也可以單獨分離部署，這種場景下L-GW僅具有P-GW的功能。當(dāng)L-GW合設(shè)部署時，L-GW僅具有P-GW功能，采用內(nèi)部接口與家庭基站通信。

網(wǎng)絡(luò)通過配置APN的不同屬性來區(qū)分面向Internet網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)分流和面向家庭基站本地網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)分流。當(dāng)用戶請求分流業(yè)務(wù)對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接建立時，核心網(wǎng)為用戶選擇部署在家庭基站本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的L-GW支持分流數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。L-GW的選擇可以有兩種方式，可以在家庭基站上配置L-GW的地址，然后通過Iu或者S1接口轉(zhuǎn)發(fā)消息告知核心網(wǎng)，也可以由L-GW通過動態(tài)DNS機制配置到運營商的DNS系統(tǒng)中，由核心網(wǎng)通過用戶接入位置進行查詢。在確定L-GW后，核心網(wǎng)建立家庭基站與L-GW之間的承載級本地分流數(shù)據(jù)通道。在L-GW分設(shè)部署的場景下，采用類似直接隧道（DT）的建立方式建立L-GW與家庭基站間的數(shù)據(jù)連接。在L-GW合設(shè)部署的場景下，核心網(wǎng)在Iu或者S1接口上增加承載綁定信息，完成家庭基站上的無線承載與L-GW上承載的綁定，分流數(shù)據(jù)可以直接通過承載路由到外部網(wǎng)絡(luò)。

L-GW作為家庭基站網(wǎng)絡(luò)分流的網(wǎng)關(guān)，通過APN配置可以識別分流業(yè)務(wù)的不同，為面向Internet網(wǎng)絡(luò)的分流業(yè)務(wù)和面向家庭基站本地網(wǎng)絡(luò)的分流業(yè)務(wù)提供不同的業(yè)務(wù)控制策略，可以在家庭基站本地網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)支持分流業(yè)務(wù)連續(xù)性。

3 結(jié)束語

文章提出的分流解決方案適用于用戶數(shù)據(jù)量激增的3G和LTE移動通信網(wǎng)絡(luò)，在實現(xiàn)分流的同時不影響其他并行的核心網(wǎng)業(yè)務(wù)。分布式部署本地網(wǎng)關(guān)的分流思想基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的移動性管理和會話管理機制，功能擴展簡單，適合不同的部署場景，滿足移動通信網(wǎng)絡(luò)演進的需求。TOF網(wǎng)元通過信令面和控制面的檢測實現(xiàn)分流，對已有網(wǎng)關(guān)功能無影響，部署簡單，分流粒度可控，但僅適用于3G網(wǎng)絡(luò)，是階段性的分流技術(shù)方案。上述方案都存在與用戶位置相關(guān)的分流點，因此僅在一定范圍內(nèi)可以支持分流業(yè)務(wù)連續(xù)性。

分流技術(shù)能夠同時兼顧移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求和用戶體驗，符合移動網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)演進與保證運營商利益增長的必要手段。目前分流技術(shù)的研究尚存在不足，對用戶業(yè)務(wù)連續(xù)性的支持、分流粒度較為粗放等問題需要進一步的研究和探討。

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