3GPP移動通信網絡的分流技術研究

王靜 周娜

摘要：介紹了可應用于3GPP移動通信網絡的分流技術方案，該方案使得數據流量能夠就近疏導至Internet網絡，避免核心網與接入網之間傳輸資源的浪費，降低了運營商網絡擴容方面的壓力。這為運營商網絡的實際運營提供參考建議，具有重要的應用價值。

關鍵詞：移動通信網絡；移動互聯網；分流；本地疏導

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

無線通信的發展將人們帶入一個資源無所不在的信息化時代，用戶業務需求在很大程度上影響著移動通信網絡的發展。當前，業務已經成為移動通信網絡發展的主要驅動力。隨著智能終端的普及，原本平行發展的電信業務與互聯網業務開始步入融合階段，電信網絡進入了移動互聯網時代。

在移動互聯網時代中，用戶業務越來越多地圍繞數據而非語音展開。圖1給出了普通終端用戶與智能終端用戶之間業務應用對比[1]。從圖中可以看出，智能終端用戶對數據或者互聯網業務的使用程度已經遠遠超過了普通終端用戶。對于發達國家市場的無線運營商而言，數據已經成為日益占主導地位的網絡流量份額。據統計，在2009年度NTT docomo的數據流量已經達到網絡總體流量的90%，沃達豐同期的數據流量也達到了網絡總體流量的70%[1]。

當前由手機電視、手機游戲、VoIP、P2P等移動互聯網業務所帶來的移動數據流量也在不斷增長中。據Cisco預測：到2016年，全球移動數據將增至每月10.8 EB，2011—2016年的移動數據年復合增長率為78%[2]。

現有的移動通信網絡采用集中化控制與處理方式，業務的傳輸需要全程穿越核心網與接入網。隨著大量移動互聯網數據業務匯聚到核心網絡，會對數據交換節點與網絡傳輸造成很大壓力。為滿足數據業務需求而盲目地進行網絡擴容與升級，將導致網絡運營成本大幅上升，卻不一定能夠獲得預期的收益，而通過網絡結構的革新降低建網運維開銷、改進網絡性能才是解決問題的根本手段。在此需求的推動下，分流技術應運而生，成為第三代合作伙伴項目（3GPP）標準中移動運營商最為關注的課題之一。

分流技術的目的是在接入網側將數據流量大的、非增值業務就近疏導至Internet網絡，避免大量業務數據在核心網與接入網之間傳輸的資源浪費，有助于提高業務性能，降低移動通信網絡面臨的擴容壓力并控制移動通信網絡整體投資成本，能夠緩解運營商數據業務帶來的“增量不增收”的尷尬局面。

文章對分流技術在3GPP移動通信網絡中的應用進行介紹，并通過具體方案分析，提出3GPP移動通信網絡的改進模式，使得移動互聯網的業務優勢及接入優勢能夠更好的結合。

1 分流技術的應用場景

在3GPP網絡中，用戶可以通過宏基站或者是家庭基站接入網絡，根據無線接入位置的不同可以實現宏蜂窩網絡的分流和家庭基站網絡的分流。其中家庭基站網絡的分流還包括面向Internet網絡的數據分流和面向家庭或企業本地IP網絡的數據分流，具體有圖2和圖3所示的3種典型分流應用場景[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將部分業務在靠近用戶接入網的地方分流到Internet網絡，在此過程中數據流量不經過運營商核心網，能夠節省系統的傳輸資源。分流技術將數據從地理/邏輯上更接近用戶的節點路由出去，一方面能夠避免數據流量給核心網帶來持續壓力，一方面由于就近為數據選擇路由，可以提高數據的路由效率，還有可能因為避開核心網資源擁塞而提升用戶的業務體驗。

圖3描述了用戶通過家庭基站接入的兩種分流實現。場景2中，用戶通過家庭基站接入訪問家庭或者企業本地網絡內的IP設備（如打印機、數字多媒體服務器等）。場景3中，用戶通過家庭基站接入訪問外部Internet網絡。通過家庭基站網絡的分流技術，用戶與家庭網絡中其他節點或者Internet服務器間的數據傳遞可以在本地進行疏導，無需傳遞到核心網節點。這樣可以在核心網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業務，增加用戶的“黏”度。

2 分流技術的實現方案

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

2.1 宏蜂窩網絡的分流

2.1.1 網關選擇方案

網關選擇方案基于網絡部署來實現，即在靠近無線接入網側的位置部署大量的分組網關，運營商則通過為分流業務選擇就近的分組網關來卸載流量，圖4、圖5所示為3G和LTE網絡中的分流實現方式[5]。

核心網在歸屬用戶服務器（HSS）中為用戶的分流業務所對應的接入點名字（APN）配置分流屬性，當用戶發起網絡連接建立時，核心網根據用戶請求的APN屬性、本地分流策略、網元能力等決定是否啟動數據分流。在決定執行數據分流時，核心網使用用戶當前位置信息（如用戶所附著的位置區標志、基站標志等）向域名系統（DNS）查詢靠近用戶側的本地分組網關，基于S-NAPTR機制來約束用戶到網關間的最短用戶面路徑。

在選擇到靠近用戶側的本地分組網關（L-PGW或L-GGSN）后，核心網建立專為分流業務使用的網絡連接，用戶分流業務數據通過本地分組網關進行疏導，對同時存在的核心網業務沒有影響。網關選擇方案適用于支持多網絡連接的用戶終端，對于僅支持單個網絡連接的用戶終端來說，也可以通過本地網關的路由轉發功能實現數據分流，此時的網絡連接上應同時承載著分流數據和核心網數據，本地網關將核心網數據路由到運營商自營的核心網網絡，本地網關也可將分流數據路由到外部的Internet網絡。

由于分流業務的執行與本地分組網關的位置密切相關，所以當用戶移動出本地網關的服務范圍時，分流業務會因網絡希望為分流業務重新指定一個就近的本地分組網關而中斷，此時不能保證數據分流的業務連續性。

綜上分析，網關選擇方案沿用既有的3GPP網絡移動管理和會話管理功能即可實現數據分流，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網絡，通過對本地分組網關功能的擴展即可實現計費、合法監聽等業務功能，屬于移動通信網絡長期演進過程中優先考慮的方案。

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之間部署傳輸分流功能（TOF）網元來實現業務分流，TOF網元監控Iu-PS接口上的信令和數據，根據配置的分流策略決定數據是否要進行流量卸載，網絡架構如圖6所示[5]。

TOF網元作為一個新定義的網元，可以單獨部署或者與無線網絡控制器（RNC）、家庭基站網關（HNB GW）合設。TOF向RNC和SGSN提供標準的Iu-PS接口，向外部Internet網絡提供標準的Gi接口。TOF支持與計費網關（CG）和合法監聽網關（LIG）的標準接口，用于計費和合法監聽。

網絡配置業務對應APN的分流屬性，當用戶請求用于分流的網絡連接建立時，核心網指示TOF網元對此分流連接對應的無線承載啟動分流處理。TOF網元監控Iu接口上傳遞的非接入層（NAS）和無線接入網絡應用部分（RANAP）信令，建立或者刪除分流業務的上下文信息，通過深度包檢測（DPI）機制對上行數據進行檢查，根據配置的分流策略決定是否本地分流。確定需要分流的數據通過網絡地址轉換（NAT）處理后發送到外部Internet網絡，下行數據通過GPRS隧道協議（GTP）協議封裝到對應的無線承載中。

此方案支持單個網絡連接上的部分業務分流，分流粒度可控，不影響同時進行的核心網業務。由于TOF網元是分流業務的錨點，當用戶移動到與TOF網元無連接的宏基站后，分流業務下行數據無法路由至新的宏基站，因此不能保證分流業務的連續性。

Iu-PS接口流量卸載方案本質上依賴于對Iu接口上信令和數據的監控，由于LTE網絡升級了對空口信令的加密，TOF網元無法讀取S1接口上傳遞的NAS信令，因此該方案僅適用于3G網絡，是解決移動通信網絡分流的階段性解決方案。

2.2 家庭基站網絡的分流

家庭基站網絡的分流分為面向Internet網絡的數據分流和面向家庭或者企業本地網絡的數據分流，雖然數據流向不同，但是可以通過相同的網絡架構支持分流實現[6]，如圖7、圖8所示。

為支持家庭基站網絡的分流，在家庭基站組成的本地網絡中部署本地網關（L-GW），它可以與家庭基站合設或者分設。在3G網絡中，L-GW與家庭基站間都使用直接隧道方式進行通信。在LTE網絡中，當L-GW分設部署時，L-GW與家庭基站間使用S1-U接口，此時L-GW需要合設S-GW的功能。在實際的企業應用場景中，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L-GW合設部署時，L-GW僅具有P-GW功能，采用內部接口與家庭基站通信。

網絡通過配置APN的不同屬性來區分面向Internet網絡的業務分流和面向家庭基站本地網絡的業務分流。當用戶請求分流業務對應的網絡連接建立時，核心網為用戶選擇部署在家庭基站本地網絡內的L-GW支持分流數據的轉發。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接口轉發消息告知核心網，也可以由L-GW通過動態DNS機制配置到運營商的DNS系統中，由核心網通過用戶接入位置進行查詢。在確定L-GW后，核心網建立家庭基站與L-GW之間的承載級本地分流數據通道。在L-GW分設部署的場景下，采用類似直接隧道（DT）的建立方式建立L-GW與家庭基站間的數據連接。在L-GW合設部署的場景下，核心網在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，分流數據可以直接通過承載路由到外部網絡。

L-GW作為家庭基站網絡分流的網關，通過APN配置可以識別分流業務的不同，為面向Internet網絡的分流業務和面向家庭基站本地網絡的分流業務提供不同的業務控制策略，可以在家庭基站本地網絡范圍內支持分流業務連續性。

3 結束語

文章提出的分流解決方案適用于用戶數據量激增的3G和LTE移動通信網絡，在實現分流的同時不影響其他并行的核心網業務。分布式部署本地網關的分流思想基于移動通信網絡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，滿足移動通信網絡演進的需求。TOF網元通過信令面和控制面的檢測實現分流，對已有網關功能無影響，部署簡單，分流粒度可控，但僅適用于3G網絡，是階段性的分流技術方案。上述方案都存在與用戶位置相關的分流點，因此僅在一定范圍內可以支持分流業務連續性。

分流技術能夠同時兼顧移動互聯網業務需求和用戶體驗，符合移動網絡的發展趨勢，是實現網絡可持續演進與保證運營商利益增長的必要手段。目前分流技術的研究尚存在不足，對用戶業務連續性的支持、分流粒度較為粗放等問題需要進一步的研究和探討。

參考文獻

[1] 摩根士丹利.移動互聯網研究報告[R].2009，12.

[2] Cisco. Visual Networking Index： Global Mobile Data Traffic Forecast Update[EB/OL]. http：//www.cisco.com， 2011-2016.

[3] TS 22.101. Service Principles [S].

[4] TS 22.220. Service requirements for Home NodeB （HNB） and Home eNodeB （HeNB）[S].

[5] TR 23.829. Local IP Access and Selected IP Traffic Offload （LIPA-SIPTO）[S].

[6] TR 23.859. LIPA Mobility and SIPTO at the Local Network[S].