淺談基于家庭基站的數(shù)據(jù)分流技術(shù)

范叔亮

(中郵科通信技術(shù)股份有限公司 福建 福州 350000)

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淺談基于家庭基站的數(shù)據(jù)分流技術(shù)

范叔亮

(中郵科通信技術(shù)股份有限公司 福建 福州 350000)

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展及人們通信方式的改變，移動數(shù)據(jù)流量進入爆炸性增長階段，核心網(wǎng)負荷越來越大。3GPP提出了基于家庭基站的數(shù)據(jù)分流技術(shù)LIPA和SIPTO，其目的是為核心網(wǎng)提供數(shù)據(jù)分流，減輕核心網(wǎng)的負荷和傳輸成本，使核心網(wǎng)資源利用率最大化，從而提升用戶體驗。本文首先介紹家庭基站的數(shù)據(jù)分流技術(shù)背景及技術(shù)特點，并對家庭基站的數(shù)據(jù)分流技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及實現(xiàn)方案進行探討，最后對家庭基站的典型應(yīng)用場景進行介紹。

家庭基站;核心網(wǎng);數(shù)據(jù)分流;LIPA SIPTO

一、引言

隨著移動通信及互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，在過去十年，智能終端上網(wǎng)的普及人們通信方式發(fā)生了巨大的改變，傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)被VOIP、OTT等其他通信方式分流，人們對移動通信高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求爆發(fā)式地增長，通過終端隨時隨地進行高速率數(shù)據(jù)傳輸，這給運營商核心網(wǎng)帶來越來越大的壓力，而LTE的高頻屬性，目前室內(nèi)覆蓋情況并不理想，尤其在人口密集的室內(nèi)區(qū)域，仍然存在大量盲區(qū)，因此亟待一種可以有效解決室內(nèi)覆蓋問題又能為核心網(wǎng)分流數(shù)據(jù)流量壓力的解決方案。在數(shù)據(jù)流量分流方面，運營商通過在熱點地區(qū)和公共場所部建設(shè)無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)，一些互聯(lián)網(wǎng)巨頭及商家紛紛通過建設(shè)商業(yè)Wi-Fi進行O2O戰(zhàn)略部署，但Wi-Fi的短信認證復(fù)雜、速率不穩(wěn)定、室內(nèi)室外頻繁切換直接影響用戶體驗，再加上近年來公共Wi-Fi的安全問題凸顯，隱私安全及財產(chǎn)問題越來越引起大家的重視。與此同時，大規(guī)模部署家庭基站無線網(wǎng)絡(luò)己成為一種發(fā)展趨勢，其具有小型化、智能化、低功耗、速率高、覆蓋廣、安全性及安裝簡單等優(yōu)點作為解決室內(nèi)覆蓋的一種有效手段，大大提高室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，備受設(shè)備商和運營商的推崇，同時基于家庭基站的數(shù)據(jù)分流技術(shù)作為一種核心網(wǎng)數(shù)據(jù)分流技術(shù)，隨著標準的不斷完善，也逐步得到推廣和應(yīng)用。

二、家庭基站數(shù)據(jù)分流技術(shù)介紹

作為蜂窩網(wǎng)在室內(nèi)覆蓋的補充，家庭基站HeNB通過有線網(wǎng)絡(luò)連接運營商核心網(wǎng)絡(luò)，在有線網(wǎng)絡(luò)末端的最后一公里實現(xiàn)無線化，為用戶提供移動網(wǎng)無線話音及高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。其中移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型中應(yīng)用較多的是交互式端到端的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連接，如果家庭基站將全部的數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)回傳到核心網(wǎng)絡(luò)，則會引起比較大的時延開銷，因此家庭基站提出業(yè)務(wù)本地化的架構(gòu)可以有效降低宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)負載，達到分流核心網(wǎng)流量壓力的目的，同時通過對業(yè)務(wù)屬性和用戶位置的判斷，將適合本地化的業(yè)務(wù)放在同一基站下進行直接通信，降低了蜂窩網(wǎng)對室內(nèi)覆蓋的要求以及端到端的通信時延，使得宏蜂窩基站能將更多的傳輸資源提供給室外的移動通信用戶，保證宏蜂窩用戶的服務(wù)質(zhì)量，提高宏蜂窩的資源利用率。

在家庭基站的支持下，本地IP接入(Local IPAccess，LIPA)及選擇IP流量卸載(Selected IP Traffic Offload，SIPTO)都是進行本地數(shù)據(jù)分流相關(guān)的技術(shù)，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)本地化,都無需經(jīng)過運營商核心網(wǎng)絡(luò)，其中LIPA是對HeNB功能的增強，允許終端通過HeNB訪問家庭/企業(yè)本地網(wǎng)絡(luò)。而SIPTO則是直接接入Internet網(wǎng)絡(luò)，為IP流量選擇更優(yōu)的路徑，相對于運營商的核心網(wǎng)來說，這部分業(yè)務(wù)是直接從家庭基站分流出去，節(jié)省了傳輸資源。兩者都起到了為核心網(wǎng)分擔(dān)流量壓力的作用，從而減輕核心網(wǎng)的負荷和傳輸成本。從業(yè)務(wù)形式來看，LIPA用于HeNB內(nèi)的業(yè)務(wù)，而SIPTO用于公網(wǎng)的業(yè)務(wù)。從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)看，LIPA用于HeNB，而SIPTO可用于HeNB，也可用于宏網(wǎng)絡(luò)。

三、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及實現(xiàn)方案

(一)采用HeNB上的本地網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)LIPA和SIPTO方案

圖1 采用HeNB上的本地網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)LIPA和SIPTO方案

上圖為采用HeNB上的本地網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)本地IP存取和選擇IP流量卸除的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。解決方案為在HeNB上新增一個本地網(wǎng)關(guān)(Local Gateway，L-GW)，L-GW與HeNB可以合設(shè)也可以分設(shè)。同時新增了兩個網(wǎng)元安全網(wǎng)關(guān)(SeGW)和家庭路由網(wǎng)關(guān)。SeGW設(shè)置在運營商核心網(wǎng)邊緣，這樣在不安全的IP回程網(wǎng)中使HeNB維持在一個安全的關(guān)聯(lián)中。在家庭的IP網(wǎng)絡(luò)和IP回程網(wǎng)絡(luò)邊界處設(shè)置家庭路由器，在運營商的核心網(wǎng)中部署外部PDN網(wǎng)關(guān)(P-GW)，用于訪問運營商服務(wù)。

終端用戶訪問本地業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流，在L-GW 處分流至本地網(wǎng)絡(luò)中，并采用專用的APN 來標識需要進行業(yè)務(wù)分流的PDN。同時，終端用戶原有公網(wǎng)業(yè)務(wù)則采用原有APN標識其原有公網(wǎng)業(yè)務(wù)的PDN進行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)L-GW支持SIPTO時，LIPA和SIPTO可以采用同樣的APN，而且HeNBSIPTO不占用運營商網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和傳輸資源，但L-GW需要對LIPA以及SIPTO進行路由控制，LIPA連接的是本地網(wǎng)絡(luò)IP資源，SIPTO則訪問Internet網(wǎng)絡(luò)資源。

(二)采用本地網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)宏網(wǎng)絡(luò)SIPTO方案

圖2 采用本地網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)宏網(wǎng)絡(luò)SIPTO方案

對于宏網(wǎng)絡(luò)SIPTO方案，采用本地網(wǎng)關(guān)PDN連接的方案，如圖2 所示，該方案通過將S-GW及L-PGW部署在無線網(wǎng)絡(luò)附近，SIPTO數(shù)據(jù)與核心網(wǎng)數(shù)據(jù)流先經(jīng)過同一個S-GW，是否建立SIPTO連接由MME進行控制。通過用戶的簽約信息來判定是否允許數(shù)據(jù)本地分流。如果用戶服務(wù)器(HSS)簽約信息不允許，則MME不執(zhí)行SIPTO，如果HSS簽約信息允許則SIPTO網(wǎng)關(guān)選擇為終端用戶選擇地理/邏輯上靠近其接入點的網(wǎng)關(guān)，即S-GW和L-PGW。其中，S-GW的選擇在終端初始附著和移動性管理過程中建立的第一個PDN連接時進行，L-PGW的選擇則是在建立PDN連接時進行。

四、典型應(yīng)用場景

(一)智能家居應(yīng)用

隨著人們對居住環(huán)境要求的提高，智能家居將逐漸為大家所接受。智能家居以家庭通信平臺為基礎(chǔ)，將家中的各種智能設(shè)備連接起來，進行遠程控制與管理。家庭基站本地分流將大大降低互聯(lián)網(wǎng)連接成本，可作為家庭通信平臺，實現(xiàn)智能設(shè)備的連接，并且與智能穿戴設(shè)備做到無縫移動連接，為老人、兒童的智能醫(yī)療提供應(yīng)用服務(wù)。LTE的高吞吐量、QoS保障，必將智能家居的發(fā)展帶到一個新的高度。

圖3 智能家居應(yīng)用場景

(二)無線視頻監(jiān)控應(yīng)用

家庭基站覆蓋可運用于無線視頻監(jiān)控，方便靈活的攝像頭部署，不受網(wǎng)線的制約，并且可實現(xiàn)高速移動的車載視頻監(jiān)控，可廣泛運用于消防演練場、區(qū)域流動安防等地方。本地分流解決了宏站無線回傳視頻監(jiān)控的流量費用過高問題。

圖4 無線視頻監(jiān)控應(yīng)用場景

(三)海上及野外4G小站的衛(wèi)星回傳應(yīng)用

海上游輪、野外活動等人流部分聚集的地方，對互聯(lián)網(wǎng)訪問也有需求，通過家庭基站和本地業(yè)務(wù)服務(wù)器結(jié)合的方案，可以為用戶提供多樣的需求服務(wù)。方案組網(wǎng)圖如下，VoLTE語音通話、互聯(lián)網(wǎng)訪問可通過衛(wèi)星回傳至電信核心網(wǎng)，而本地服務(wù)器將提供視頻娛樂、廣播等大流量資源，并且可開展豐富的增值業(yè)務(wù)應(yīng)用，提高船上用戶體驗。

圖5 海上及野外4G小站的衛(wèi)星回傳應(yīng)用場景

(四)結(jié)合VR做體育賽事現(xiàn)場直播應(yīng)用

觀看體育賽事成為人們娛樂生活中很重要的一部分，并且對賽事觀看體驗也有越來越高的要求。例如F1賽事，單圈賽道長度都有五六公里，一個觀眾的觀看位置有限，如果賽道通過全方位、多角度的賽事取景，通過VR系統(tǒng)即時成像，在本地的服務(wù)器上形成VR直播視頻源，再通過賽場全覆蓋的LTE家庭基站信號傳送，觀眾可以流暢、低延時的全方位觀看賽事。這樣視距觀看與遠距VR觀看結(jié)合，將提供非常優(yōu)越的賽事觀看體驗。

(五)結(jié)合AR/VR技術(shù)提供旅游及商業(yè)體驗推廣

當(dāng)前熱門的“互聯(lián)網(wǎng)+”讓智慧城市、智慧景區(qū)和智慧博物館觸手可及，采用家庭基站部署業(yè)務(wù)本地化的架構(gòu)，建立AR/VR移動流媒體平臺，通過對業(yè)務(wù)屬性和用戶位置的判斷，提供高速率、低時延的本地?zé)o線數(shù)據(jù)流量進行信息和視覺互交，通過現(xiàn)場多媒體信息與導(dǎo)航信息迭加進行互動，大大提升傳統(tǒng)設(shè)施的本地服務(wù)體驗，在智慧商場可基于人流及大數(shù)據(jù)分析結(jié)合LBS技術(shù)提供精準的商業(yè)廣告和團購及優(yōu)惠推送，對消費群體進行有效的引導(dǎo)。

五、結(jié)束語

通過部署家庭基站使Internet傳輸技術(shù)可實現(xiàn)業(yè)務(wù)本地化，推動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，即向移動設(shè)備提供包括語音、視頻、數(shù)據(jù)在內(nèi)的本地化綜合服務(wù)，從而使無線接入網(wǎng)具備低時延、高寬帶的傳輸，實現(xiàn)業(yè)務(wù)無縫連接，滿足客戶需求，提升服務(wù)水平，并幫助運營商探索全新的商業(yè)模式，解決基站“入場難”等問題，提高用戶黏性，拉動寬帶業(yè)務(wù)需求，為下一代的融合通信服務(wù)提供堅實基礎(chǔ)。