3GPP移动通信网络的分流技术研究

摘要：介绍了可应用于3GPP移动通信网络的分流技术方案，该方案使得数据流量能够就近疏导至Internet网络，避免核心网与接入网之间传输资源的浪费，降低了运营商网络扩容方面的压力。这为运营商网络的实际运营提供参考建议，具有重要的应用价值。

关键词：移动通信网络；移动互联网；分流；本地疏导

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

无线通信的发展将人们带入一个资源无所不在的信息化时代，用户业务需求在很大程度上影响着移动通信网络的发展。当前，业务已经成为移动通信网络发展的主要驱动力。随着智能终端的普及，原本平行发展的电信业务与互联网业务开始步入融合阶段，电信网络进入了移动互联网时代。

在移动互联网时代中，用户业务越来越多地围绕数据而非语音展开。图1给出了普通终端用户与智能终端用户之间业务应用对比[1]。从图中可以看出，智能终端用户对数据或者互联网业务的使用程度已经远远超过了普通终端用户。对于发达国家市场的无线运营商而言，数据已经成为日益占主导地位的网络流量份额。据统计，在2009年度NTT docomo的数据流量已经达到网络总体流量的90%，沃达丰同期的数据流量也达到了网络总体流量的70%[1]。

当前由手机电视、手机游戏、VoIP、P2P等移动互联网业务所带来的移动数据流量也在不断增长中。据Cisco预测：到2016年，全球移动数据将增至每月10.8 EB，2011—2016年的移动数据年复合增长率为78%[2]。

现有的移动通信网络采用集中化控制与处理方式，业务的传输需要全程穿越核心网与接入网。随着大量移动互联网数据业务汇聚到核心网络，会对数据交换节点与网络传输造成很大压力。为满足数据业务需求而盲目地进行网络扩容与升级，将导致网络运营成本大幅上升，却不一定能够获得预期的收益，而通过网络结构的革新降低建网运维开销、改进网络性能才是解决问题的根本手段。在此需求的推动下，分流技术应运而生，成为第三代合作伙伴项目（3GPP）标准中移动运营商最为关注的课题之一。

分流技术的目的是在接入网侧将数据流量大的、非增值业务就近疏导至Internet网络，避免大量业务数据在核心网与接入网之间传输的资源浪费，有助于提高业务性能，降低移动通信网络面临的扩容压力并控制移动通信网络整体投资成本，能够缓解运营商数据业务带来的“增量不增收”的尴尬局面。

文章对分流技术在3GPP移动通信网络中的应用进行介绍，并通过具体方案分析，提出3GPP移动通信网络的改进模式，使得移动互联网的业务优势及接入优势能够更好的结合。

1 分流技术的应用场景

在3GPP网络中，用户可以通过宏基站或者是家庭基站接入网络，根据无线接入位置的不同可以实现宏蜂窝网络的分流和家庭基站网络的分流。其中家庭基站网络的分流还包括面向Internet网络的数据分流和面向家庭或企业本地IP网络的数据分流，具体有图2和图3所示的3种典型分流应用场景[3-4]。

图2中的场景1描述的是用户通过宏基站接入时的分流，运营商可以通过分流技术将部分业务在靠近用户接入网的地方分流到Internet网络，在此过程中数据流量不经过运营商核心网，能够节省系统的传输资源。分流技术将数据从地理/逻辑上更接近用户的节点路由出去，一方面能够避免数据流量给核心网带来持续压力，一方面由于就近为数据选择路由，可以提高数据的路由效率，还有可能因为避开核心网资源拥塞而提升用户的业务体验。

图3描述了用户通过家庭基站接入的两种分流实现。场景2中，用户通过家庭基站接入访问家庭或者企业本地网络内的IP设备（如打印机、数字多媒体服务器等）。场景3中，用户通过家庭基站接入访问外部Internet网络。通过家庭基站网络的分流技术，用户与家庭网络中其他节点或者Internet服务器间的数据传递可以在本地进行疏导，无需传递到核心网节点。这样可以在核心网资源最大化利用的同时，也能为用户提供更加丰富的本地相关业务，增加用户的“黏”度。

2 分流技术的实现方案

本节基于特定的分流场景提出不同的分流技术实现方案，并通过对方案的分析和研究，概括出方案的特点，为实际应用提供理论参考。

2.1 宏蜂窝网络的分流

2.1.1 网关选择方案

网关选择方案基于网络部署来实现，即在靠近无线接入网侧的位置部署大量的分组网关，运营商则通过为分流业务选择就近的分组网关来卸载流量，图4、图5所示为3G和LTE网络中的分流实现方式[5]。

核心网在归属用户服务器（HSS）中为用户的分流业务所对应的接入点名字（APN）配置分流属性，当用户发起网络连接建立时，核心网根据用户请求的APN属性、本地分流策略、网元能力等决定是否启动数据分流。在决定执行数据分流时，核心网使用用户当前位置信息（如用户所附着的位置区标志、基站标志等）向域名系统（DNS）查询靠近用户侧的本地分组网关，基于S-NAPTR机制来约束用户到网关间的最短用户面路径。

在选择到靠近用户侧的本地分组网关（L-PGW或L-GGSN）后，核心网建立专为分流业务使用的网络连接，用户分流业务数据通过本地分组网关进行疏导，对同时存在的核心网业务没有影响。网关选择方案适用于支持多网络连接的用户终端，对于仅支持单个网络连接的用户终端来说，也可以通过本地网关的路由转发功能实现数据分流，此时的网络连接上应同时承载着分流数据和核心网数据，本地网关将核心网数据路由到运营商自营的核心网网络，本地网关也可将分流数据路由到外部的Internet网络。

由于分流业务的执行与本地分组网关的位置密切相关，所以当用户移动出本地网关的服务范围时，分流业务会因网络希望为分流业务重新指定一个就近的本地分组网关而中断，此时不能保证数据分流的业务连续性。

综上分析，网关选择方案沿用既有的3GPP网络移动管理和会话管理功能即可实现数据分流，仅需要增强基于用户位置的DNS查询机制即可。方案同时适用于3G和LTE网络，通过对本地分组网关功能的扩展即可实现计费、合法监听等业务功能，属于移动通信网络长期演进过程中优先考虑的方案。

2.1.2 Iu-PS接口流量卸载方案

Iu-PS接口流量卸载方案通过在宏基站与核心网之间部署传输分流功能（TOF）网元来实现业务分流，TOF网元监控Iu-PS接口上的信令和数据，根据配置的分流策略决定数据是否要进行流量卸载，网络架构如图6所示[5]。

TOF网元作为一个新定义的网元，可以单独部署或者与无线网络控制器（RNC）、家庭基站网关（HNB GW）合设。TOF向RNC和SGSN提供标准的Iu-PS接口，向外部Internet网络提供标准的Gi接口。TOF支持与计费网关（CG）和合法监听网关（LIG）的标准接口，用于计费和合法监听。

网络配置业务对应APN的分流属性，当用户请求用于分流的网络连接建立时，核心网指示TOF网元对此分流连接对应的无线承载启动分流处理。TOF网元监控Iu接口上传递的非接入层（NAS）和无线接入网络应用部分（RANAP）信令，建立或者删除分流业务的上下文信息，通过深度包检测（DPI）机制对上行数据进行检查，根据配置的分流策略决定是否本地分流。确定需要分流的数据通过网络地址转换（NAT）处理后发送到外部Internet网络，下行数据通过GPRS隧道协议（GTP）协议封装到对应的无线承载中。

此方案支持单个网络连接上的部分业务分流，分流粒度可控，不影响同时进行的核心网业务。由于TOF网元是分流业务的锚点，当用户移动到与TOF网元无连接的宏基站后，分流业务下行数据无法路由至新的宏基站，因此不能保证分流业务的连续性。

Iu-PS接口流量卸载方案本质上依赖于对Iu接口上信令和数据的监控，由于LTE网络升级了对空口信令的加密，TOF网元无法读取S1接口上传递的NAS信令，因此该方案仅适用于3G网络，是解决移动通信网络分流的阶段性解决方案。

2.2 家庭基站网络的分流

家庭基站网络的分流分为面向Internet网络的数据分流和面向家庭或者企业本地网络的数据分流，虽然数据流向不同，但是可以通过相同的网络架构支持分流实现[6]，如图7、图8所示。

为支持家庭基站网络的分流，在家庭基站组成的本地网络中部署本地网关（L-GW），它可以与家庭基站合设或者分设。在3G网络中，L-GW与家庭基站间都使用直接隧道方式进行通信。在LTE网络中，当L-GW分设部署时，L-GW与家庭基站间使用S1-U接口，此时L-GW需要合设S-GW的功能。在实际的企业应用场景中，L-GW中的S-GW也可以单独分离部署，这种场景下L-GW仅具有P-GW的功能。当L-GW合设部署时，L-GW仅具有P-GW功能，采用内部接口与家庭基站通信。

网络通过配置APN的不同属性来区分面向Internet网络的业务分流和面向家庭基站本地网络的业务分流。当用户请求分流业务对应的网络连接建立时，核心网为用户选择部署在家庭基站本地网络内的L-GW支持分流数据的转发。L-GW的选择可以有两种方式，可以在家庭基站上配置L-GW的地址，然后通过Iu或者S1接口转发消息告知核心网，也可以由L-GW通过动态DNS机制配置到运营商的DNS系统中，由核心网通过用户接入位置进行查询。在确定L-GW后，核心网建立家庭基站与L-GW之间的承载级本地分流数据通道。在L-GW分设部署的场景下，采用类似直接隧道（DT）的建立方式建立L-GW与家庭基站间的数据连接。在L-GW合设部署的场景下，核心网在Iu或者S1接口上增加承载绑定信息，完成家庭基站上的无线承载与L-GW上承载的绑定，分流数据可以直接通过承载路由到外部网络。

L-GW作为家庭基站网络分流的网关，通过APN配置可以识别分流业务的不同，为面向Internet网络的分流业务和面向家庭基站本地网络的分流业务提供不同的业务控制策略，可以在家庭基站本地网络范围内支持分流业务连续性。

3 结束语

文章提出的分流解决方案适用于用户数据量激增的3G和LTE移动通信网络，在实现分流的同时不影响其他并行的核心网业务。分布式部署本地网关的分流思想基于移动通信网络的移动性管理和会话管理机制，功能扩展简单，适合不同的部署场景，满足移动通信网络演进的需求。TOF网元通过信令面和控制面的检测实现分流，对已有网关功能无影响，部署简单，分流粒度可控，但仅适用于3G网络，是阶段性的分流技术方案。上述方案都存在与用户位置相关的分流点，因此仅在一定范围内可以支持分流业务连续性。

分流技术能够同时兼顾移动互联网业务需求和用户体验，符合移动网络的发展趋势，是实现网络可持续演进与保证运营商利益增长的必要手段。目前分流技术的研究尚存在不足，对用户业务连续性的支持、分流粒度较为粗放等问题需要进一步的研究和探讨。

参考文献

[1] 摩根士丹利.移动互联网研究报告[R].2009，12.

[2] Cisco. Visual Networking Index： Global Mobile Data Traffic Forecast Update[EB/OL]. http：//， 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].