王靜 周娜

摘要：介紹了可應(yīng)用于3GPP移動(dòng)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(fèi)，降低了運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容方面的壓力。這為運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)提供參考建議，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；移動(dòng)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(wú)線通信的發(fā)展將人們帶入一個(gè)資源無(wú)所不在的信息化時(shí)代，用戶業(yè)務(wù)需求在很大程度上影響著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。當(dāng)前，業(yè)務(wù)已經(jīng)成為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)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(kāi)始步入融合階段，電信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中，用戶業(yè)務(wù)越來(lái)越多地圍繞數(shù)據(jù)而非語(yǔ)音展開(kāi)。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(duì)比[1]。從圖中可以看出，智能終端用戶對(duì)數(shù)據(jù)或者互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的使用程度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了普通終端用戶。對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家市場(chǎng)的無(wú)線運(yùn)營(yíng)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(jì)，在2009年度NTT docomo的數(shù)據(jù)流量已經(jīng)達(dá)到網(wǎng)絡(luò)總體流量的90%，沃達(dá)豐同期的數(shù)據(jù)流量也達(dá)到了網(wǎng)絡(luò)總體流量的70%[1]。

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

現(xiàn)有的移動(dòng)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)匯聚到核心網(wǎng)絡(luò)，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容與升級(jí)，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本大幅上升，卻不一定能夠獲得預(yù)期的收益，而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的革新降低建網(wǎng)運(yùn)維開(kāi)銷(xiāo)、改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)性能才是解決問(wèn)題的根本手段。在此需求的推動(dòng)下，分流技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為第三代合作伙伴項(xiàng)目（3GPP）標(biāo)準(zhǔn)中移動(dòng)運(yùn)營(yíng)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(fèi)，有助于提高業(yè)務(wù)性能，降低移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)面臨的擴(kuò)容壓力并控制移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)整體投資成本，能夠緩解運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)帶來(lái)的“增量不增收”的尷尬局面。

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

1 分流技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景

在3GPP網(wǎng)絡(luò)中，用戶可以通過(guò)宏基站或者是家庭基站接入網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)無(wú)線接入位置的不同可以實(shí)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(chǎng)景[3-4]。

圖2中的場(chǎng)景1描述的是用戶通過(guò)宏基站接入時(shí)的分流，運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)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(guò)程中數(shù)據(jù)流量不經(jīng)過(guò)運(yùn)營(yíng)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(diǎn)路由出去，一方面能夠避免數(shù)據(jù)流量給核心網(wǎng)帶來(lái)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?yàn)楸荛_(kāi)核心網(wǎng)資源擁塞而提升用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

圖3描述了用戶通過(guò)家庭基站接入的兩種分流實(shí)現(xiàn)。場(chǎng)景2中，用戶通過(guò)家庭基站接入訪問(wèn)家庭或者企業(yè)本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的IP設(shè)備（如打印機(jī)、數(shù)字多媒體服務(wù)器等）。場(chǎng)景3中，用戶通過(guò)家庭基站接入訪問(wèn)外部Internet網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)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(diǎn)或者Internet服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳遞可以在本地進(jìn)行疏導(dǎo)，無(wú)需傳遞到核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。這樣可以在核心網(wǎng)資源最大化利用的同時(shí)，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(shí)現(xiàn)方案

本節(jié)基于特定的分流場(chǎng)景提出不同的分流技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，并通過(guò)對(duì)方案的分析和研究，概括出方案的特點(diǎn)，為實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)，即在靠近無(wú)線接入網(wǎng)側(cè)的位置部署大量的分組網(wǎng)關(guān)，運(yùn)營(yíng)商則通過(guò)為分流業(yè)務(wù)選擇就近的分組網(wǎng)關(guān)來(lái)卸載流量，圖4、圖5所示為3G和LTE網(wǎng)絡(luò)中的分流實(shí)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(duì)應(yīng)的接入點(diǎn)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(shí)，核心網(wǎng)根據(jù)用戶請(qǐng)求的APN屬性、本地分流策略、網(wǎng)元能力等決定是否啟動(dòng)數(shù)據(jù)分流。在決定執(zhí)行數(shù)據(jù)分流時(shí)，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(xún)靠近用戶側(cè)的本地分組網(wǎng)關(guān)，基于S-NAPTR機(jī)制來(lái)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(zhuān)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(guò)本地分組網(wǎng)關(guān)進(jìn)行疏導(dǎo)，對(duì)同時(shí)存在的核心網(wǎng)業(yè)務(wù)沒(méi)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(duì)于僅支持單個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的用戶終端來(lái)說(shuō)，也可以通過(guò)本地網(wǎng)關(guān)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流，此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)連接上應(yīng)同時(shí)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(yùn)營(yíng)商自營(yíng)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(dòng)出本地網(wǎng)關(guān)的服務(wù)范圍時(shí)，分流業(yè)務(wù)會(huì)因網(wǎng)絡(luò)希望為分流業(yè)務(wù)重新指定一個(gè)就近的本地分組網(wǎng)關(guān)而中斷，此時(shí)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(dòng)管理和會(huì)話管理功能即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流，僅需要增強(qiáng)基于用戶位置的DNS查詢(xún)機(jī)制即可。方案同時(shí)適用于3G和LTE網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)本地分組網(wǎng)關(guān)功能的擴(kuò)展即可實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)、合法監(jiān)聽(tīng)等業(yè)務(wù)功能，屬于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期演進(jìn)過(guò)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(guò)在宏基站與核心網(wǎng)之間部署傳輸分流功能（TOF）網(wǎng)元來(lái)實(shí)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(jìn)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(gè)新定義的網(wǎng)元，可以單獨(dú)部署或者與無(wú)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(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)（CG）和合法監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)關(guān)（LIG）的標(biāo)準(zhǔn)接口，用于計(jì)費(fèi)和合法監(jiān)聽(tīng)。

網(wǎng)絡(luò)配置業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)APN的分流屬性，當(dāng)用戶請(qǐng)求用于分流的網(wǎng)絡(luò)連接建立時(shí)，核心網(wǎng)指示TOF網(wǎng)元對(duì)此分流連接對(duì)應(yīng)的無(wú)線承載啟動(dòng)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(wú)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(guò)深度包檢測(cè)（DPI）機(jī)制對(duì)上行數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)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(guò)GPRS隧道協(xié)議（GTP）協(xié)議封裝到對(duì)應(yīng)的無(wú)線承載中。

此方案支持單個(gè)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(shí)進(jìn)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(diǎn)，當(dāng)用戶移動(dòng)到與TOF網(wǎng)元無(wú)連接的宏基站后，分流業(yè)務(wù)下行數(shù)據(jù)無(wú)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(lài)于對(duì)Iu接口上信令和數(shù)據(jù)的監(jiān)控，由于LTE網(wǎng)絡(luò)升級(jí)了對(duì)空口信令的加密，TOF網(wǎng)元無(wú)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(dòng)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(guò)相同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持分流實(shí)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(jìn)行通信。在LTE網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)L-GW分設(shè)部署時(shí)，L-GW與家庭基站間使用S1-U接口，此時(shí)L-GW需要合設(shè)S-GW的功能。在實(shí)際的企業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，L-GW中的S-GW也可以單獨(dú)分離部署，這種場(chǎng)景下L-GW僅具有P-GW的功能。當(dāng)L-GW合設(shè)部署時(shí)，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(guò)配置APN的不同屬性來(lái)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(qǐng)求分流業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接建立時(shí)，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(guò)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(guò)動(dòng)態(tài)DNS機(jī)制配置到運(yùn)營(yíng)商的DNS系統(tǒng)中，由核心網(wǎng)通過(guò)用戶接入位置進(jìn)行查詢(xún)。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(jí)本地分流數(shù)據(jù)通道。在L-GW分設(shè)部署的場(chǎng)景下，采用類(lèi)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(chǎng)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(wú)線承載與L-GW上承載的綁定，分流數(shù)據(jù)可以直接通過(guò)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(guò)APN配置可以識(shí)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(yǔ)

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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)現(xiàn)分流的同時(shí)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理和會(huì)話管理機(jī)制，功能擴(kuò)展簡(jiǎn)單，適合不同的部署場(chǎng)景，滿足移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的需求。TOF網(wǎng)元通過(guò)信令面和控制面的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)分流，對(duì)已有網(wǎng)關(guān)功能無(wú)影響，部署簡(jiǎn)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(diǎn)，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(shí)兼顧移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求和用戶體驗(yàn)，符合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)演進(jìn)與保證運(yùn)營(yíng)商利益增長(zhǎng)的必要手段。目前分流技術(shù)的研究尚存在不足，對(duì)用戶業(yè)務(wù)連續(xù)性的支持、分流粒度較為粗放等問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究和探討。

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