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本地IP接入和IP数据分流技术

2017-09-19 11:15

  本地IP接入(LocalIPAccess,LIPA)和IP数据分流(SelectedIPTrafficOffload,SIPTO)技术最初是基于家庭基站(Home(enhanced)NodeB,H(e)NB)网络提出的,其含义是用户的业务流数据直接从家庭基站进行接入,不经过运营商的核心网络,相对于运营商的核心网络来说,这部分业务是直接从H(e)NB就分流出去了,从而减轻了核心网络的负荷和传输成本。

  如果通信系统中部署了H(e)NB,对于H(e)NB的用户来说,除了可以使用的Internet业务外,还可以与家庭网络中的其他节点进行联系,以共享家庭网络中的资源,并能与家庭网络中的拜访用户进行通信。如果引入LIPA技术,用户与家庭网络中其他节点间的数据传递完全可以直接通过H(e)NB实现,而无需再传递到核心网节点,这样既能减少数据传递时延,也能减少核心网元的信令负荷,降低核心网吞吐量和传输成本,并且运营商可将核心网资源最大化利用,为有价值的业务提供更好服务,提高用户体验。

  LIPA技术是对H(e)NB功能的增强,允许终端通过H(e)NB访问家庭/企业内部的IP资源。这为运营商基于H(e)NB,开发更多的家庭/企业特色的应用提供了可能。对于没有Wi-Fi能力的终端可以做到类似本地Wi-Fi访问的效果。同时,这种本地IP访问和Wi-Fi等的联合使用,通过一些新型的流移动性技术,可以提升用户的体验。

  随着无线接入技术的发展,数据传输以更高的速率传递,用户数量的增加和用户数据传输速率的提高都对核心网络的网元性能提出了更高要求。基于H(e)NB的LIPA技术讨论,运营商对分流IP业务的兴趣和需求越来越强烈。业界认为这种分流不仅仅可以用于H(e)NB系统,也可以在宏网络来实现,即把特定的IP业务从无线侧就分流出去,以节省传输资源。由此,提出了基于宏网络的SIPTO技术,目的是为IP流量选择更优的径。

  与所有的IP数据包都由到相对集中的核心网节点(如以省为单位的集中部署GGSN)相比,在宏网络中采用SIPTO,可以允许在靠近用户的(如市、区等)、以分布的方式部署网关设备,如GGSN,从而允许用户的数据能够从地理/逻辑更近的节点进行由。一方面避免了IP流量迅速增加后,对核心网压力的持续增加;另一方面就近为IP数据选择由,提高了IP数据包(如访问Internet的数据包)的由效率。

  在3GPP标准制定过程中,最初的H(e)NB需求文稿(3GPPTS22.220)中只有LIPA的概念,应用场景是基于H(e)NB用户,其业务可以是家庭/企业网的业务,也可以是Internet网业务。但是明确了对宏网络中的Internet业务进行分流的需求以后,SIPTO概念随之提出。鉴于这两个概念可能出现的重叠性,3GPP在SA#46会(2009年12月)上对SIPTO和LIPA的应用场景重新进行了定义,对3GPPTS22.220中的需求也做了相应修改,明确场景如下:

  ●用于家庭/企业网业务的LIPA,终端可以通过H(e)NB直接访问用户家庭网络或企业网中其他具备IP能力的设备。

  ●用于H(e)NB中的SIPTO,终端可以通过H(e)NB直接访问互联网。

  分类可从两个层面来理解:首先,从业务的形式来看,LIPA用于H(e)NB内的业务,而SIPTO用于公网的业务;其次,从网络架构来说,LIPA用于H(e)NB,而SIPTO可用于H(e)NB,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/SIPTO的问题是相似的,网络架构也是基本相同的。因此,为了保持解决方案的一致性,3GPP在TR23.829中对这两个技术进行了集中分析和研究。

  ●应能支持UE接入到移动运营商的核心网,同时通过LIPA方式接入到家庭/企业IP网络。

  ●UE在同一个家庭/企业网内的H(e)NB间移动时,应能够维持UE到家庭/企业网的IP连接性。

  ●运营商可以针对用户/关闭SIPTO技术,例如可以基于用户的费用或者签约信息等。

  ●对于同一个UE进行的多个业务,可以只对其中的一部分业务进行分流,而不影响其他业务的使用。

  ●SIPTO要支持宏网络中的移动性,也要支持家庭基站和宏网络之间以及家庭基站间的移动性。

  ●HPLMN可以给VPLMN提供用户的SIPTO信息,如是否允许在拜访网络中进行SIPTO,以及哪些网络中可以进行SIPTO等。

  ●业务分流点或者说业务的中断点的在哪里,是由哪个网元来决定进行业务中断的?

  ●执行LIPA/SIPTO时,由于家庭基站没有Gx接口,是否只能基于静态策略进行QoS控制?

  ●执行LIPA/SIPTO时,是否运营商可以基于系统的配置和负荷,动态发生?还是基于配置数据,静态发生的?

  在讨论和研究LIPA/SIPTO技术的解决方案过程中,需要遵循的网络架构的基本原则有:

  对于要通过运营商核心网的业务,S-GW/SGSN用户平面功能在运营商核心网内。

  进行LIPA/SIPTO时,其会话管理信令以及要通过核心网传递的业务是在核心网终结的。

  业务分流点应该是尽量靠近用户的,这个分流点可以在空闲模式的移动性程序中进行重选。

  针对以上关键问题和基本架构原则,3GPP提出了6种解决方案。下面分别对这6种方案进行简单的描述。

  该方案适用于H(e)NB的业务分流。方案的原则是,本地网关(LocalGateWay,L-GW)与H(e)NB合设,用一个专用的APN来标识需要进行业务分流的PDN,运营商核心网中的业务则用与该PDN不同的PDN连接进行传递,L-PGW(本地P-GW)和L-GGSN(本地GGSN)的是在家庭/企业网的,比如在H(e)NB中。UE和网络间的移动性管理信令在核心网中处理,会话管理信息在核心网中终结,LIPA/SIPTO业务的寻呼功能位于核心网中的SGSN/MME。

  该方案可以基于S5接口实现,即空闲状态下的下行分组数据存放在S-GW中,并通过S-GW和L-GW间的S5接口进行前转;也可以基于S4/S11接口来实现,此时L-GW与MME/SGSN间会有S11/S4接口,其功能是S11/S4接口功能的子集,主要完成LIPA业务的会线

  该方案可用于H(e)NB,但不能用于宏网络。其思是通过H(e)NB中的NAT实现LIAP/SIPTO,由H(e)NB根据运营商的策略来实现业务流的分拆和插入,并由H(e)NB子系统中的NAT来实现业务流的由。终端仅采用一个PDN连接在家用基站子系统中增加NAT和由策略的功能以实现数据分流,该方案能够有效支持单PDN连接的终端。

  该方案可用于3G网络。其原则是,在无线基站上部署本地网关,由无线侧网元适合分流的本地网关地址;核心网通过用户的签约判断是否允许SIPTO建立并进行本地网关的选择;SGSN需要为LIPA/SIPTO连接建立直接隧道。SGSN可以基于运营商策略,根据分流点的不同,选择合适的GGSN,进行业务疏导或分流。中断点的可以在RNC,HNB-GW或者HNB。

  该方案仅适用于3G网络。方案的原则是基于NAT,在Iu-PS执行业务分流。架构中增加了一个新的网元,即业务分流功能(TOF,TrafficOffloadFunction)。TOF位于Iu-PS接口,可以独设或与RNC/HNBGW合设。TOF能够决定分流策略,进行业务的分流和插入,提供标准的Iu-PS接口到RNC和SGSN,并可以基于运营商策略,通过NAT和SPI/DPI功能为运营商提供不同等级的SIPTO应用。该方案可以采用一个PDN连接或一个PDP上/下文同时实现分流类和非分流类的业务。

  该方案适用于对Internet业务进行分流,但不适用于家庭基站内的业务。方案是基于本地P-GW选择来实现业务分流的。MME/SGSN在进行GW选择的时候,要考虑用户的,选择一个靠近用户的网关,可以使用基于DNS机制来执行网关选择。另外,方案将用户面网元下移至无线侧,对于GPRS系统,本地GGSN部署在RNC上或者RNC附近,采用直接隧道;对于EPS系统,L-GW部署在基站上或者基站附近,本地S-GW和本地P-GW可合设,用户面数据都要通过S-GW。

  该方案适用于业务分流的所有场景。方案是基于本地网关的架构实现业务分流,增加了L-GW支持LIPA/SIPTO,在L-GW和P-GW/GGSN之间,配置了直接的扩展隧道,便于空闲态下用户的LIPA/SIPTO下行数据的传输及连接状态下的数据转发。L-GW的功能可以在无线侧,也可以在核心网侧。L-GW并不是把P-GW/GGSN功能迁移到eNB/E-UTRAN,而只包括其中很少的一部分功能。为支持单PDN连接的终端,本地网关需要具有NAT功能,用户地址由核心网网关分配。对于支持多PDN连接的终端来说,本地网行用户地址分配。

  国际标准化方面,3GPPSA1工作组目前已经确定访问控制,计费,SIPTO和LIPA移动性等多项需求,但对于家庭基站下的SIPTO的需求场景仍然不清晰,需要进一步明确。

  3GPP的SA2工作组目前进行的是R10阶段的LIPA/SIPTO技术讨论,众多的通信厂商和运营商提出了一些有竞争力的解决方案。基于宏网络的SIPTO解决方案在2010年3月SA278次会议上已经选定,最后确定将采纳方案5和方案4为宏网络的SIPTO架构的进一步讨论的基础。预计宏网络的SIPTO方案在2010年9月R10阶段完成。LIPA的方案在2010年5月SA279次会议上也已经确定,要求LIPA仅关注合设网关的情况,并将采用方案1中的S5接口结构。目前,技术方案相对稳定,但相关的实现方式还需要继续讨论,预计LIPA方案的最终完成可能会到R11完成。SA2组用于家庭/企业网的SIPTO架构讨论可能会推迟到R11完成。

  从移动互联网的发展来看,未来的移动通信网将具有更明显的Internet特征,即具备Internet网的扁平化、自运营的特性,为用户提供更加方便、快捷的连接和更有竞争力的服务。同时,固定网络与移动网络融合作为产业发展的趋势,家庭基站将在其中发挥重要作用,而采用LIPA/SIPTO技术将使部署了家庭基站架构的移动系统具有更优的性能。LIPA/SIPTO技术同时也反映了网络扁平化的趋势,值得业界进行深入研究。

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