關于無線網絡智能化的思考

李娜+陳卓+劉亮+馬慧+陳寧宇+金巴

【摘 要】為滿足用戶日益增長的通信需求，未來網絡要具備網絡智能化、服務個性化、平臺增值化三個主要能力。在無線側，圍繞網絡智能化主要體現在更精細的用戶業務感知、更靈活的本地分流、更高效的跨層優化這三個方面開展進一步研究，并對現有技術方案進行對比分析，最后針對實際應用給出了一些思考。

【關鍵詞】智能化無線網絡 業務感知 本地緩存 本地分流 跨層優化

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

隨著移動互聯網的快速發展，預測未來十年移動通信網絡容量將增加1000倍，用戶對通信帶寬、業務時延、定位精度、移動性等要求會越來越高，這些都對移動網絡及業務部署的模式提出了新的要求。為滿足用戶需求，未來網絡應具備以下能力：

（1）網絡智能化

加深互聯網、物聯網、垂直行業與傳統運營商網絡之間的融合，使網絡與業務能夠智能適配，實現智能預測與決策。

（2）服務個性化

基于“私人訂制”的技術理念，實現以用戶為中心的網絡。通過流動組網、虛擬組網、業務感知以及行為預測，實現“網隨人動”的愿景。

（3）平臺增值化

構建去管道化的能力開放平臺，向其他網元/服務器開放和提供無線網絡相關的能力參數，解決LTE現網業務時延長、回傳消耗大、無線網絡適配能力差、不能有效滿足多樣的新業務需求的痛點。

在無線側，智能化網絡主要體現在更精細的用戶業務感知、更靈活的本地分流、更高效的跨層優化三個方面?；诖耍疚膶@這三個無線網絡智能化關鍵技術進行分析。

2 主要技術方向

2.1 用戶業務感知

在移動寬帶業務時代，電信行業經歷著從語音到數據業務的迅猛發展，用戶對業務需求也更加個性化和多元化。為了保障不同用戶對不同業務的體驗，運營商需要全方位、分層次地對用戶的業務進行識別和控制。只有網絡對業務有深層次地介入、對每個用戶網絡使用有更加精細地管理，才能更好地把握用戶業務的特殊需求。

初步來看，根據網絡設備能力以及終端本身的智能程度，至少有以下兩種業務信息的獲取方式：

方式一：基于網絡側深度包檢測技術DPI

DPI（Deep Packet Inspection，深度包檢測）是一項已經在流量管理、安全和網絡分析等方面獲得成功應用的技術[1-3]。由于不同的移動應用對網絡延遲、帶寬的需求有著明顯的區別，DPI最重要的功能是識別業務類型與需求，將IP數據包、TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）或UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）數據流通過深入讀取IP包的內容對應用層信息進行重組，從而得到整個應用程序的內容?；诜直娉龅木唧w應用的數據流，便可以對用戶的應用實施QoS（Quality of Service，服務質量）管理、安全等策略。

雖然DPI技術可以保證業務識別的廣泛性，幫助網絡對資源進行有效控制，但其也有不可避免的缺點。首先，基于DPI的網絡設備需要逐包進行拆包操作并與后臺數據庫進行匹配對比，因此對具有DPI模塊的網絡設備的處理能力要求較高；其次，DPI網絡設備總是滯后新應用，每當產生新的協議或應用時，都需要不斷升級后臺應用數據庫，否則就不能達到有效識別、管理新技術下帶寬的作用。此外，有些業務可能在傳統的QoS管理方式下就可以獲得很好的服務質量，無需通過網絡DPI進行優化，但DPI網絡設備在包檢測之前并不能對這些數據包區別對待，而是依然對該數據包進行檢測，反而增加了對這些數據包的處理時間。基于以上考慮，有必要研究一種更為精準、智能的業務信息獲取方式。

方式二：UE輔助上報業務信息

隨著終端能力的增強，終端對自身能力、發起業務的認知以及對所需的網絡資源也更了解，因此終端可以在通信過程中扮演更主動、更重要的角色。未來UE可以根據自身的狀態和業務需求等信息，向網絡側申請希望配置的功能，使終端更多地參與到通信過程中來，更好地滿足終端和用戶的需求。

相比于網絡側DPI技術，UE輔助上報業務信息的方式不僅可以降低對網絡設備的處理能力要求，而且還可以避免不必要的業務識別，保證業務識別的精準性。未來隨著終端能力的不斷增強，UE輔助上報業務信息的方式勢必會讓網絡側更為有效地獲取用戶業務信息。

2.2 本地緩存/分流

（1）本地緩存

緩存技術是緩解數據訪問壓力、減少網絡通訊流量、縮短用戶訪問延遲的經典手段，已在傳統的分布式系統中得到了大范圍的成功應用。利用緩存系統，可以在用戶下次訪問相同信息時避免重新訪問網絡，從而提高用戶的數據訪問性能。同樣，緩存技術也是普適Internet場景中人們進行信息共享和分發的關鍵技術之一[4-6]。

將緩存技術引入到無線網絡中，主要是出于以下原因：

移動對等網絡是多跳無線網絡，信息遠程訪問通常會通過多跳路由，采用無線緩存可以極大地緩解傳輸網的壓力，同時減少業務時延、提升用戶體驗；

移動對等網絡資源稀缺，通常是信道帶寬和電池的能力方面有著極大限制，采用無線緩存可以減少節點的數據交互，節省帶寬和電池能量。

無線緩存技術方案如圖1所示。

在現有網絡基礎上，可以通過增加緩存調度模塊、緩存服務器和CORE節點三個模塊實現無線緩存功能，具體如下：

緩存調度模塊：負責緩存控制，可在基站進行功能實現或在基站側的MEC（Mobile Edge Computing，移動邊緣計算）中實現；

緩存服務器：負責內容的本地緩存，可以部署在接入環、與每個基站通過VLAN（Virtual Local Area Network，虛擬局域網）相連，供環內基站共享；

CORE節點：負責計費、緩存服務器連接外部Internet出口等功能，可避免基站在公網暴露，部署在核心網側，與P-GW（PDN GateWay，PDN網關）、BOSS（Business & Operation Support System，業務運營支撐系統）等互通，與緩存調度模塊、緩存服務器存在帶外連接。

當緩存調度模塊發現UE請求業務是本地緩存服務器支持的業務類型時，便將UE請求的相應內容從本地緩存服務器獲取，轉發給UE；當緩存調度模塊判定UE請求業務不是本地緩存服務器支持的業務類型時，便通過GTP（GPRS Tunnel Protocol，GPRS隧道協議）隧道向核心網發起業務請求。緩存調度模塊獲取UE業務信息的方式可以如前所述，既可以通過DPI技術獲取，也可以通過UE輔助上報的方式獲取。

（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）與SIPTO（Selected IP Traffic Offload，選擇IP流量卸載）技術[7-8]。LIPA和SIPTO最初是基于毫微微型蜂窩網絡提出的，其目的是用戶的數據直接連接家里的局域網到Internet而不經過運營商的核心網，這樣既能減少數據傳遞時延，也能降低核心網絡的負荷與傳輸成本。

從業務形式來看，LIPA用于HeNB（Home evolved Node B，家庭演進基站）內的業務，而SIPTO用于公網的業務；從網絡架構來看，LIPA用于HeNB，而SIPTO既可用于HeNB，也可用于宏網絡。雖然LIPA和SIPTO有不同的應用場景，但是從功能和結構方面來看，LIPA和SIPTO的問題是相似的，網絡架構也是基本相同的。

本地分流方案如圖2所示：

在本地分流方案中，為了區分數據流，UE與LGW（Local GateWay，本地網關）需要建立一個專用的APN（Access Point Name，接入點名稱）來標識需要進行業務分流的PDN（Packet Data Network，分組數據網），而經由核心網的數據流則使用原來APN所建立的PDN連接。當UE需要建立多個本地網承載時，則需要配置多個APN，對UE改動大，難以實現。

為了降低UE復雜度和實現難度，可以通過網絡對用戶請求業務的智能感知，實現靈活的分流策略。例如，網絡可以根據接收到的UE上報的業務QoS要求，再結合核心網負載情況，確定最終的分流策略。這樣不僅可以實現靈活的分流，而且還降低了建立多個承載導致的信令開銷。

2.3 跨層優化

蜂窩網絡和移動互聯網業務的深度融合及協同優化，是業界研究的熱點[9-11]。無線網絡跨層優化方案可以結合無線網絡能力和狀態優化互聯網的業務體驗，提供智能緩存、智能推送、智能傳輸等服務，助力運營商通過無線能力開放與互聯網服務商跨界合作，創造新的商業契機。

下面將研究蜂窩通信系統中的無線接入網、移動互聯網中的OTT（Over The Top）服務器以及APP業務之間的互操作與互動機制，主要聚焦于一些典型應用場景的研究，包括：HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本傳輸協議）交互式業務、支付類業務、低時延高可靠業務、TCP高吞吐量業務、視頻業務等。

（1）跨層聯合重傳

在現有技術中，無線網絡層二（Layer 2）和TCP層都有重傳機制，但由于分開透明設計，不直接進行傳輸確認信令的交互。無線網絡的Layer 2有兩級重傳機制，即MAC（Media Access Control，媒體接入控制）層HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自動重傳請求）重傳和RLC（Radio Link Control，無線鏈路控制）層ARQ（Automatic Repeat reQuest，自動重傳請求）重傳。通常Layer 2重傳的實時性較高，如果傳輸失敗，則會優先重傳。TCP層會根據收到的冗余TCP ACK（Acknowledgement，確認）信息次數以及RTO（Retransmission TimeOut，重傳超時）計時器是否超時來決定是否對數據包進行重傳，并且每次重傳RTO的時間會加倍。

現有的Layer 2和TCP層重傳機制存在的問題如下：

TCP要收到三次冗余TCP ACK信息才能啟動快速重傳，在實際的系統中，由于上行信道不穩定，三次上行的ACK容易丟失，會導致實際快速重傳的時延增加，并且TCP ACK與HARQ ACK冗余傳輸，造成系統傳輸效率下降；

TCP重傳計時器RTO超時，這個RTO時間一般是TCP根據估算和歸一化RTT時延得到，通常較大，且在實際的系統中還有最小值（如200 ms）的限定，同時隨著傳輸次數的增加，RTO成倍增長；

TCP快速重傳可能與Layer 2 ARQ存在重疊，導致同樣的包被反復重傳，傳輸效率降低；

Layer 2的信息不能及時反饋到TCP層，如擁塞導致PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數據匯聚協議）超時丟包，TCP層只能依靠自身的RTO定時器超時才能啟動重傳。

基于以上考慮，需要一種Layer 2與TCP層可協調跨層重傳的方法。例如，用戶TCP層重傳信息可以以一種跨層傳輸的方式告知無線網絡側，基于該跨層信息，無線網絡側可以啟動相匹配的Layer 2重傳策略，這樣便可以保證高層TCP重傳與低層ARQ/HARQ重傳的互動性，增加重傳成功的概率并減少不必要的重傳。

（2）擁塞管理

傳統TCP協議是針對有線網設計的，為了解決擁塞問題，TCP協議中引入了針對擁塞窗口的“慢啟動”和“擁塞避免”機制。但在無線網絡中，擁塞并非是需要解決的首要問題，其瓶頸主要在于無線接入網信道質量。

因此，無線網絡場景下TCP擁塞管理需要將無線信道情況與TCP擁塞窗口調節快速匹配起來。例如，TCP服務器可以根據接收到的無線網絡信息，對TCP傳輸進行較實時的優化處理，如設置更加合適的擁塞窗大小，以此降低無線側丟包對TCP擁塞窗口的影響。

（3）輔助調度優化

高實時性和動態速率業務主要是指業務服務器端和終端分別或同時具有調節所傳輸數據速率的能力，常見的業務有動態速率視頻下載、動態速率視頻電話、動態速率在線視頻觀看等。在移動通信系統中，用戶完成一項動態速率業務所涉及的網絡功能單元如圖3所示：

其中，業務服務器是此動態速率業務內容的提供者或內容存儲者；核心網和無線接入網負責傳輸業務服務器及終端用戶之間交互的數據。

在現有技術中，通常在業務服務器端或終端用戶端有基于某些因素的速率預測及調整機制，如業務服務器或終端用戶的客戶端可根據丟包率、反饋時延等調整在單位時間內發送多少個數據包及每個數據包大小為多少。目前這一速率預測及調整機制完全由業務服務器或終端用戶確定，與核心網和無線接入網無關。高層業務數據速率與基站傳輸速率之間的不匹配，導致用戶體驗較差。當業務服務器或客戶端將高層業務數據速率調節較高時，如果基站傳輸速率較低，就會出現業務速率斷斷續續，如視頻業務在上述情況下可能會出現卡頓等現象。

針對上述高實時性和動態速率業務用戶體驗問題，有必要將基站的調度機制與高層業務數據速率調節同時考慮，以提升動態速率業務用戶體驗。例如，基站調度器在進行資源調度時，除了無線相關的參數外，還考慮高層業務信息參數，可使得最后得到的資源調度結果更加滿足用戶進行的高層業務需求。

3 結束語

本文主要對無線網絡智能化的關鍵技術進行了深入思考。用戶業務感知與分析，可以為網絡智能調度、控制提供有力支撐；本地緩存與分流機制，使得內容貼近用戶部署，在提升用戶體驗的同時也降低了網絡的回傳壓力；跨層優化技術，可以有效地解決網絡與應用之間的鴻溝，實現內容資源的智能有序調度。在移動蜂窩網絡與互聯網業務日益緊密結合的大趨勢下，無線網絡智能化創新方案勢必會更好地支持各類新興的“互聯網+”業務和應用。

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