Femtocell IP存取技術 無線接入技術 Wi-Fi SIPTO 智慧手機 智慧型手機 Smart Phone 網路資料流 3GPP LIPA 資料傳輸 HeNB LTE 3G 4G

LIPA/SIPTO實現資料分流 LTE核心網路卸重擔

2012-04-26
本地IP存取(Local IP Access, LIPA)與選擇IP流量卸載(Selected IP Traffic Offload, SIPTO)技術最初是基於毫微微型蜂巢式(Femtocell)網路提出的,其含義是使用者的資料直接連結家裡的區域網路到網際網路(Internet),不經過營運商的核心網路,因此減輕核心網路的負荷和傳輸成本。
本文以第三代行動通訊夥伴計畫(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)之長期演進計畫(Long Term Evolution, LTE)為例,介紹本地IP存取與選擇IP流量卸載的可能實作方式及所面臨的挑戰。

HeNB為營運商/使用者帶來雙贏

由於現有的第三代行動通訊技術(3G)以及未來的第四代行動通訊技術(4G)的頻譜大多被分配在高頻率上,牆體等障礙物對訊號的衰減作用更加明顯,所以在室內很容易因為收訊不良導致傳輸速度過慢。因此,使用者經常必須因應所在區域的不同而使用不同的網路介面,如在室內使用無線區域網路(Wi-Fi)而在室外使用3G,造成了使用上的不方便。

另一方面,由於如iPhone等的智慧型手持裝置日漸普及,加上國內各電信業者強力促銷上網吃到飽套餐,導致資料數據爆炸性成長。目前基地台的頻寬負荷已愈來愈重,也間接減少每個使用者可使用的頻寬。

為了解決上述的問題,一些主流的電信業者與網通廠商在2007年成立了一個商業聯盟--毫微微型論壇(Femto Forum),開始推廣家用的Femtocell基地台來提供完整的解決方案。

Femtocell是種專為室內使用所設計的超小型低功率基地台,其運作在有執照的無線頻段,並透過家中的寬頻網路如數位用戶迴路(DSL)或纜線數據機(Cable Modem),連接無線存取網路(Radio Access Network)網路與核心網路(Core Network)。在3GPP Femtocell系統中包含用戶裝置(UE)、家用基地台(Home eNodeB, HeNB)、服務閘道(S-GW)及Femto Gateway(F-GW)(圖1)。

圖1 Femtocell系統架構圖

Femtocell對營運商和使用者都可以帶來好處。對營運商來說,布建HeNB一方面能夠在室內環境提供更好的無線網路覆蓋率,另一方面可以減少室外基地台的負載以提供戶外使用者更好的服務品質;對使用者來說,安裝HeNB一方面可以藉由較佳的訊號品質及個人專用的基地台帶來較高的傳輸速率,另一方面,由於與HeNB的傳輸距離短,所以能夠使用較低的傳輸功率以減少電量消耗。

LIPA降低傳輸成本

當某個HeNB下的UE想要送到近端網路中的某個伺服器時,其資料必須由UE傳遞至核心網路後,再由Internet傳送至UE所屬的家用網路,最後再送至該伺服器。反之,當該伺服器要傳送資料給該UE時,資料必須先送至家用網路,再經由Internet進入營運商的核心網路,最後再回到家用網路(圖2)。

圖2 在Femtocell系統中傳送區網資料的資料流

這種傳送方法有以下三個缺點。首先,資料的傳送速度會被後端的家用網路所限制。由於現今家用網路的頻寬(約10Mbit/s)普遍仍低於無線存取網路所能提供的頻寬(LTE估計最高下載速率100Mbit/s與上傳50Mbit/s以上),所以使用者所能享受到的頻寬就被家用網路所限制。第二個缺點是資料的傳送必須經由許多網路服務供應商(ISP)和網路設備,因此造成較高的延遲(Latency)與抖動(Jitter)。第三個缺點是使用者的私人資料必須暴露在所屬的ISP下,造成資料外洩的可能。

本地IP存取技術最初是基於解決上述Femtocell網路問題所提出的,其含義是用戶的資料直接從HeNB進行分流(或接入),不經過營運商的核心網路。引入本地IP存取技術後,用戶與家庭網路中其他節點間的資料傳遞完全可以直接通過HeNB實現,而毋須再傳遞到核心網路,這樣既能減少資料傳遞時延,也能減少核心網路的負荷與降低傳輸成本。營運商可因此為其他有價值的業務提供更好服務,提高用戶體驗。

隨著無線接入技術(Radio Access Technology)的發展與用戶數量的增加,愈來愈高的負載量對核心網路的性能提出更高要求。基於HeNB的本地IP存取技術成果,營運商對分流IP業務的興趣和需求也越來越強烈。

SIPTO縮短資料傳輸路徑

業界認為這種分流不僅僅可以用於Femtocell網路,也可以在巨型蜂巢式(Macrocell)網路來實現,亦即把特定的資料流從無線存取網路就分流出去。基於Macrocell網路的選擇IP流量卸載技術就是在此前提下被提出。

選擇IP流量卸載技術允許在靠近用戶的位置部署閘道設備,從而允許用戶的資料能夠從地理/邏輯更近的節點進行路由。一方面避免IP流量迅速增加後,對核心網路壓力的持續增加,另一方面就近為IP資料選擇路由,縮短資料傳輸的路徑。

在HeNB實現資料分流

根據3GPP的規範,本地IP存取與選擇IP流量卸載明確應用場景如下:用於家庭/企業網路業務的本地IP存取,UE可以透過HeNB直接連結用戶家庭網路或企業網中其他具備IP能力的設備;用於HeNB中的選擇IP流量卸載,UE可以透過HeNB直接存取Internet;用於Macrocell中的選擇IP流量卸載,UE能夠透過Macrocell基地台(eNodeB)直接存取Internet。

針對以上關鍵問題和基本架構原則,3GPP在TR23.829中對這兩個技術進行集中分析和研究,並分別為LTE Femtocell和Macrocell網路提出解決方案。下面分別對這兩種方案進行深入的介紹。

首先,介紹在HeNB上如何實現資料分流以達成本地IP存取和選擇IP流量卸載。圖3為HeNB上實現本地IP存取和選擇IP流量卸載的網路架構。其方法為在HeNB上新增一本地閘道器(Local Gateway, L-GW),其功能與PGW相似並可以透過直接通道(Direct Tunnelling)不透過S-GW直接連結HeNB。

資料來源:3GPP
圖3 利用HeNB上的本地閘道器實現本地IP存取和選擇IP流量卸載

而須要分流到本地網路的資料,由HeNB透過直接通道傳送到L-GW後,就可以傳送到本地網路中的其他網路實體。同樣地,本地網路實體要傳送資料給UE時,L-GW會為該UE攔截資料並經由直接通道將該資料傳送給HeNB後,最後再送到UE。

為了區別要經由L-GW的資料流,UE與核心網路用一個專用的存取點名稱(APN)來標識須要進行資料分流到本地網路的數據封包網路閘道器(PDN)連結,而須經由核心網路的資料流,則使用原有的APN所建立的PDN連結。

如圖4所示,當UE建立一個用於本地IP存取和選擇IP流量卸載的PDN連結時,會利用特定的APN告知行動管理裝置(MME)該需求(步驟1)。接著,MME會居中協調為S-GW與L-GW建立屬於該UE的S5承載(步驟2至5)。步驟613是為了建立E-RAB承載。在這裡要注意的是,為了讓HeNB與L-GW可以建立直接承載,MME在步驟6會將L-GW端的承載資料傳送給HeNB。

資料來源:3GPP
圖4 UE為本地IP存取和選擇IP流量卸載發起的PDN連結要求

另外,L-GW與UE之間會存在兩個承載:第一個承載是由L-GW經由HeNB至UE的本地IP存取和選擇IP流量卸載專用承載;第二個承載是傳統LTE網路中的EPS承載,由L-GW經由S-GW與HeNB至UE。在執行本地IP存取和選擇IP流量卸載時,UE與L-GW間的資料是經由第一個承載傳送。第二個承載平時備而不用,當UE處於休眠模式且有資料要接收時,才會經由第二承載傳送。

為了讓IP存取和選擇IP流量卸載支援閒置模式,3GPP也修改原有的S1釋放流程(S1 Release Procedure)與服務需求流程。首先,修改後的S1釋放流程與一般S1釋放流程不同的地方是,HeNB在執行完該流程後必須通知L-GW該UE的E-RAB承載已不存在,以便讓L-GW在收到UE資料後可以觸發修改後的服務需求流程。

圖5所示為L-GW發起之服務需求。首先L-GW會傳送一個虛設資料(Dummy)封包給S-GW(步驟2)並暫存其他封包。接著,S-GW會要求MME尋呼(Paging)該UE(步驟35)。當UE發現自己被核心網路尋呼時,就會執行UE發起的服務需求(步驟6)以回復圖4中之第一及第二承載。

資料來源:3GPP
圖5 應用於本地IP存取和選擇IP流量卸載中的L-GW發起之服務需求

最後,該Dummy封包會經由第二承載傳送至HeNB(隨即被丟棄),而L-GW要傳給UE的封包會經由第一承載(直接通道)傳送到HeNB後送給UE。

接下來介紹如何在Macrocell中選擇IP流量卸載。圖6為3GPP網路中利用連接存取網路之本地閘道器實現Macrocell網路的選擇IP流量卸載。MME在進行P-GW選擇的時候,要考慮用戶的位置,選擇一個在地理/邏輯上靠近用戶的閘道來執行選擇IP流量卸載(本地S-GW和本地P-GW可合設)。MME判斷UE是否可以使用選擇IP流量卸載的方法可分為以下三種:

資料來源:3GPP
圖6 利用連接存取網路之本地閘道器實現Macrocell網路的選擇IP流量卸載

第一種方法是,在用戶服務器(HSS)中的UE用戶資料中新增選擇IP流量卸載啟動旗標(SIPTO_Enable Flag)。該旗標記錄該UE在該APN中是否可以使用選擇IP流量卸載,當UE要求連結到該APN時,MME可以根據該旗標決定是否為該UE選擇一個本地閘道器以執行選擇IP流量卸載。

第二種方法則是,使用本地設置(Local Configuration)讓MME可以判斷UE所要連結到的APN是否支援選擇IP流量卸載。其實現方法可以利用類似網域名稱(Domain Name)的APN,並在網域名稱伺服器(DNS)中設定該APN是否可以支援選擇IP流量卸載。當UE要求連結到某個APN時,MME就可以利用DNS查詢的方法判斷該UE是否可以在該APN使用選擇IP流量卸載。本方法的優點是不用更改HSS以及支援漫遊。而第三種方法是選擇IP流量卸載服務指定一個專用的APN,並且將該APN設定到UE和MME。

應用面不同 架構卻類似

雖然本地IP存取和選擇IP流量卸載有不同的目的,但是從功能面來看,這兩個問題的本質其實是相似,網路架構也是基本相同的。本文利用簡單易懂的方式介紹3GPP長期演進計畫中本地IP存取和選擇IP流量卸載的網路架構與運作規則,希望讀者在讀完本文後能夠對該技術有初步了解。有興趣的話,可參閱3GPP規範。

(本文作者任職於資策會智慧網通系統研究所)

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