关于无线网络智能化的思考

【摘要】1 研究背景 S着移动互联网的快速发展，预测未来十年移动通信网络容量将增加1000倍，用户对通信带宽、业务时延、定位精度、移动性等要求会越来越高，这些都对移动网络及业务部署的模...

【摘 要】为满足用户日益增长的通信需求，未来网络要具备网络智能化、服务个性化、平台增值化三个主要能力。在无线侧，围绕网络智能化主要体现在更精细的用户业务感知、更灵活的本地分流、更高效的跨层优化这三个方面开展进一步研究，并对现有技术方案进行对比分析，最后针对实际应用给出了一些思考。

【关键词】智能化无线网络 业务感知 本地缓存 本地分流 跨层优化

Thoughts on Intelligent Wireless Networks

[Abstract] In order to meet users’ increasing needs for communications， the future network should possess three major capabilities of the intelligent network， personalized service and value-added platform. On the wireless side， the further research on the intelligent network should be deployed in three aspects， including fine user service perception， flexible local shunt and efficient cross-layer optimization. In addition， existing technical schemes should be compared with each other. Finally， some thoughts according to practical applications were presented.

[Key words]intelligent wireless network service perception local caching local shunt cross-layer optimization

1 研究背景

S着移动互联网的快速发展，预测未来十年移动通信网络容量将增加1000倍，用户对通信带宽、业务时延、定位精度、移动性等要求会越来越高，这些都对移动网络及业务部署的模式提出了新的要求。为满足用户需求，未来网络应具备以下能力：

（1）网络智能化

加深互联网、物联网、垂直行业与传统运营商网络之间的融合，使网络与业务能够智能适配，实现智能预测与决策。

（2）服务个性化

基于“私人订制”的技术理念，实现以用户为中心的网络。通过流动组网、虚拟组网、业务感知以及行为预测，实现“网随人动”的愿景。

（3）平台增值化

构建去管道化的能力开放平台，向其他网元/服务器开放和提供无线网络相关的能力参数，解决LTE现网业务时延长、回传消耗大、无线网络适配能力差、不能有效满足多样的新业务需求的痛点。

在无线侧，智能化网络主要体现在更精细的用户业务感知、更灵活的本地分流、更高效的跨层优化三个方面。基于此，本文将围绕这三个无线网络智能化关键技术进行分析。

2 主要技术方向

2.1 用户业务感知

在移动宽带业务时代，电信行业经历着从语音到数据业务的迅猛发展，用户对业务需求也更加个性化和多元化。为了保障不同用户对不同业务的体验，运营商需要全方位、分层次地对用户的业务进行识别和控制。只有网络对业务有深层次地介入、对每个用户网络使用有更加精细地管理，才能更好地把握用户业务的特殊需求。

初步来看，根据网络设备能力以及终端本身的智能程度，至少有以下两种业务信息的获取方式：

方式一：基于网络侧深度包检测技术DPI

DPI（Deep Packet Inspection，深度包检测）是一项已经在流量管理、安全和网络分析等方面获得成功应用的技术[1-3]。由于不同的移动应用对网络延迟、带宽的需求有着明显的区别，DPI最重要的功能是识别业务类型与需求，将IP数据包、TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）或UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）数据流通过深入读取IP包的内容对应用层信息进行重组，从而得到整个应用程序的内容。基于分辨出的具体应用的数据流，便可以对用户的应用实施QoS（Quality of Service，服务质量）管理、安全等策略。

虽然DPI技术可以保证业务识别的广泛性，帮助网络对资源进行有效控制，但其也有不可避免的缺点。首先，基于DPI的网络设备需要逐包进行拆包操作并与后台数据库进行匹配对比，因此对具有DPI模块的网络设备的处理能力要求较高；其次，DPI网络设备总是滞后新应用，每当产生新的协议或应用时，都需要不断升级后台应用数据库，否则就不能达到有效识别、管理新技术下带宽的作用。此外，有些业务可能在传统的QoS管理方式下就可以获得很好的服务质量，无需通过网络DPI进行优化，但DPI网络设备在包检测之前并不能对这些数据包区别对待，而是依然对该数据包进行检测，反而增加了对这些数据包的处理时间。基于以上考虑，有必要研究一种更为精准、智能的业务信息获取方式。

方式二：UE辅助上报业务信息

随着终端能力的增强，终端对自身能力、发起业务的认知以及对所需的网络资源也更了解，因此终端可以在通信过程中扮演更主动、更重要的角色。未来UE可以根据自身的状态和业务需求等信息，向网络侧申请希望配置的功能，使终端更多地参与到通信过程中来，更好地满足终端和用户的需求。

相比于网络侧DPI技术，UE辅助上报业务信息的方式不仅可以降低对网络设备的处理能力要求，而且还可以避免不必要的业务识别，保证业务识别的精准性。未来随着终端能力的不断增强，UE辅助上报业务信息的方式势必会让网络侧更为有效地获取用户业务信息。

2.2 本地缓存/分流

（1）本地缓存

缓存技术是缓解数据访问压力、减少网络通讯流量、缩短用户访问延迟的经典手段，已在传统的分布式系统中得到了大范围的成功应用。利用缓存系统，可以在用户下次访问相同信息时避免重新访问网络，从而提高用户的数据访问性能。同样，缓存技术也是普适Internet场景中人们进行信息共享和分发的关键技术之一[4-6]。

将缓存技术引入到无线网络中，主要是出于以下原因：

移动对等网络是多跳无线网络，信息远程访问通常会通过多跳路由，采用无线缓存可以极大地缓解传输网的压力，同时减少业务时延、提升用户体验；

移动对等网络资源稀缺，通常是信道带宽和电池的能力方面有着极大限制，采用无线缓存可以减少节点的数据交互，节省带宽和电池能量。

无线缓存技术方案如图1所示。

在现有网络基础上，可以通过增加缓存调度模块、缓存服务器和CORE节点三个模块实现无线缓存功能，具体如下：

缓存调度模块：负责缓存控制，可在基站进行功能实现或在基站侧的MEC（Mobile Edge Computing，移动边缘计算）中实现；

缓存服务器：负责内容的本地缓存，可以部署在接入环、与每个基站通过VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）相连，供环内基站共享；

CORE节点：负责计费、缓存服务器连接外部Internet出口等功能，可避免基站在公网暴露，部署在核心网侧，与P-GW（PDN GateWay，PDN网关）、BOSS（Business & Operation Support System，业务运营支撑系统）等互通，与缓存调度模块、缓存服务器存在带外连接。

当缓存调度模块发现UE请求业务是本地缓存服务器支持的业务类型时，便将UE请求的相应内容从本地缓存服务器获取，转发给UE；当缓存调度模块判定UE请求业务不是本地缓存服务器支持的业务类型时，便通过GTP（GPRS Tunnel Protocol，GPRS隧道协议）隧道向核心网发起业务请求。缓存调度模块获取UE业务信息的方式可以如前所述，既可以通过DPI技术获取，也可以通过UE辅助上报的方式获取。

（2）本地分流

目前，本地分流方案主要包括LIPA（Local IP Access，本地IP接入）与SIPTO（Selected IP Traffic Offload，选择IP流量卸载）技术[7-8]。LIPA和SIPTO最初是基于毫微微型蜂窝网络提出的，其目的是用户的数据直接连接家里的局域网到Internet而不经过运营商的核心网，这样既能减少数据传递时延，也能降低核心网络的负荷与传输成本。

从业务形式来看，LIPA用于HeNB（Home evolved Node B，家庭演进基站）内的业务，而SIPTO用于公网的业务；从网络架构来看，LIPA用于HeNB，而SIPTO既可用于HeNB，也可用于宏网络。虽然LIPA和SIPTO有不同的应用场景，但是从功能和结构方面来看，LIPA和SIPTO的问题是相似的，网络架构也是基本相同的。

本地分流方案如图2所示：

在本地分流方案中，为了区分数据流，UE与LGW（Local GateWay，本地网关）需要建立一个专用的APN（Access Point Name，接入点名称）来标识需要进行业务分流的PDN（Packet Data Network，分组数据网），而经由核心网的数据流则使用原来APN所建立的PDN连接。当UE需要建立多个本地网承载时，则需要配置多个APN，对UE改动大，难以实现。

为了降低UE复杂度和实现难度，可以通过网络对用户请求业务的智能感知，实现灵活的分流策略。例如，网络可以根据接收到的UE上报的业务QoS要求，再结合核心网负载情况，确定最终的分流策略。这样不仅可以实现灵活的分流，而且还降低了建立多个承载导致的信令开销。

2.3 跨层优化

蜂窝网络和移动互联网业务的深度融合及协同优化，是业界研究的热点[9-11]。无线网络跨层优化方案可以结合无线网络能力和状态优化互联网的业务体验，提供智能缓存、智能推送、智能传输等服务，助力运营商通过无线能力开放与互联网服务商跨界合作，创造新的商业契机。

下面将研究蜂窝通信系统中的无线接入网、移动互联网中的OTT（Over The Top）服务器以及APP业务之间的互操作与互动机制，主要聚焦于一些典型应用场景的研究，包括：HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）交互式业务、支付类业务、低时延高可靠业务、TCP高吞吐量业务、视频业务等。

（1）跨层联合重传

在现有技术中，无线网络层二（Layer 2）和TCP层都有重传机制，但由于分开透明设计，不直接进行传输确认信令的交互。无线网络的Layer 2有两级重传机制，即MAC（Media Access Control，媒体接入控制）层HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自动重传请求）重传和RLC（Radio Link Control，无线链路控制）层ARQ（Automatic Repeat reQuest，自动重传请求）重传。通常Layer 2重传的实时性较高，如果传输失败，则会优先重传。TCP层会根据收到的冗余TCP ACK（Acknowledgement，确认）信息次数以及RTO（Retransmission TimeOut，重鞒时）计时器是否超时来决定是否对数据包进行重传，并且每次重传RTO的时间会加倍。

现有的Layer 2和TCP层重传机制存在的问题如下：

TCP要收到三次冗余TCP ACK信息才能启动快速重传，在实际的系统中，由于上行信道不稳定，三次上行的ACK容易丢失，会导致实际快速重传的时延增加，并且TCP ACK与HARQ ACK冗余传输，造成系统传输效率下降；

TCP重传计时器RTO超时，这个RTO时间一般是TCP根据估算和归一化RTT时延得到，通常较大，且在实际的系统中还有最小值（如200 ms）的限定，同时随着传输次数的增加，RTO成倍增长；

TCP快速重传可能与Layer 2 ARQ存在重叠，导致同样的包被反复重传，传输效率降低；

Layer 2的信息不能及时反馈到TCP层，如拥塞导致PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）超时丢包，TCP层只能依靠自身的RTO定时器超时才能启动重传。

基于以上考虑，需要一种Layer 2与TCP层可协调跨层重传的方法。例如，用户TCP层重传信息可以以一种跨层传输的方式告知无线网络侧，基于该跨层信息，无线网络侧可以启动相匹配的Layer 2重传策略，这样便可以保证高层TCP重传与低层ARQ/HARQ重传的互动性，增加重传成功的概率并减少不必要的重传。

（2）拥塞管理

传统TCP协议是针对有线网设计的，为了解决拥塞问题，TCP协议中引入了针对拥塞窗口的“慢启动”和“拥塞避免”机制。但在无线网络中，拥塞并非是需要解决的首要问题，其瓶颈主要在于无线接入网信道质量。

因此，无线网络场景下TCP拥塞管理需要将无线信道情况与TCP拥塞窗口调节快速匹配起来。例如，TCP服务器可以根据接收到的无线网络信息，对TCP传输进行较实时的优化处理，如设置更加合适的拥塞窗大小，以此降低无线侧丢包对TCP拥塞窗口的影响。

（3）辅助调度优化

高实时性和动态速率业务主要是指业务服务器端和终端分别或同时具有调节所传输数据速率的能力，常见的业务有动态速率视频下载、动态速率视频电话、动态速率在线视频观看等。在移动通信系统中，用户完成一项动态速率业务所涉及的网络功能单元如图3所示：

其中，业务服务器是此动态速率业务内容的提供者或内容存储者；核心网和无线接入网负责传输业务服务器及终端用户之间交互的数据。

在现有技术中，通常在业务服务器端或终端用户端有基于某些因素的速率预测及调整机制，如业务服务器或终端用户的客户端可根据丢包率、反馈时延等调整在单位时间内发送多少个数据包及每个数据包大小为多少。目前这一速率预测及调整机制完全由业务服务器或终端用户确定，与核心网和无线接入网无关。高层业务数据速率与基站传输速率之间的不匹配，导致用户体验较差。当业务服务器或客户端将高层业务数据速率调节较高时，如果基站传输速率较低，就会出现业务速率断断续续，如视频业务在上述情况下可能会出现卡顿等现象。

针对上述高实时性和动态速率业务用户体验问题，有必要将基站的调度机制与高层业务数据速率调节同时考虑，以提升动态速率业务用户体验。例如，基站调度器在进行资源调度时，除了无线相关的参数外，还考虑高层业务信息参数，可使得最后得到的资源调度结果更加满足用户进行的高层业务需求。

3 结束语

本文主要对无线网络智能化的关键技术进行了深入思考。用户业务感知与分析，可以为网络智能调度、控制提供有力支撑；本地缓存与分流机制，使得内容贴近用户部署，在提升用户体验的同时也降低了网络的回传压力；跨层优化技术，可以有效地解决网络与应用之间的鸿沟，实现内容资源的智能有序调度。在移动蜂窝网络与互联网业务日益紧密结合的大趋势下，无线网络智能化创新方案势必会更好地支持各类新兴的“互联网+”业务和应用。

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