本地IP接入和IP數(shù)據(jù)分流技術的需求與六種解決方案介紹

1 引言

本地IP 接入（Local IPAccess，LIPA）和IP 數(shù)據(jù)分流（Selected IP Traffic Offload，SIPTO）技術最初是基于家庭基站（Home （enhanced）Node B， H（e）NB） 網(wǎng)絡提出的，其含義是用戶的業(yè)務流數(shù)據(jù)直接從家庭基站進行接入，不經(jīng)過運營商的核心網(wǎng)絡，相對于運營商的核心網(wǎng)絡來說。

IP是英文Internet Protocol（網(wǎng)絡之間互連的協(xié)議）的縮寫，中文簡稱為“網(wǎng)協(xié)”，也就是為計算機網(wǎng)絡相互連接進行通信而設計的協(xié)議。在因特網(wǎng)中，它是能使連接到網(wǎng)上的所有計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)相互通信的一套規(guī)則，規(guī)定了計算機在因特網(wǎng)上進行通信時應當遵守的規(guī)則。任何廠家生產(chǎn)的計算機系統(tǒng)，只要遵守 IP協(xié)議就可以與因特網(wǎng)互連互通。IP地址具有唯一性，根據(jù)用戶性質(zhì)的不同，可以分為5類。另外，IP還有進入防護，知識產(chǎn)權，指針寄存器等含義。IP是怎樣實現(xiàn)網(wǎng)絡互連的？各個廠家生產(chǎn)的網(wǎng)絡系統(tǒng)和設備，如以太網(wǎng)、分組交換網(wǎng)等，它們相互之間不能互通，不能互通的主要原因是因為它們所傳送數(shù)據(jù)的基本單元（技術上稱之為“幀”）的格式不同。IP協(xié)議實際上是一套由軟件程序組成的協(xié)議軟件，它把各種不同“幀”統(tǒng)一轉換成“IP數(shù)據(jù)包”格式，這種轉換是因特網(wǎng)的一個最重要的特點，使所有各種計算機都能在因特網(wǎng)上實現(xiàn)互通，即具有“開放性”的特點。

如果通信系統(tǒng)中部署了H（e）NB，對于H（e）NB 的用戶來說，除了可以使用公眾的Internet 業(yè)務外，還可以與家庭網(wǎng)絡中的其他節(jié)點進行聯(lián)系，以共享家庭網(wǎng)絡中的資源， 并能與家庭網(wǎng)絡中的拜訪用戶進行通信。如果引入LIPA 技術，用戶與家庭網(wǎng)絡中其他節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳遞完全可以直接通過H（e）NB 實現(xiàn)，而無需再傳遞到核心網(wǎng)節(jié)點。

LIPA 技術是對H（e）NB 功能的增強，允許終端通過H（e）NB 訪問家庭/ 企業(yè)內(nèi)部的IP 資源。這為運營商基于H（e）NB，開發(fā)更多的家庭/ 企業(yè)特色的應用提供了可能。對于沒有Wi-Fi 能力的終端可以做到類似本地Wi-Fi 訪問的效果。

隨著無線接入技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸以更高的速率傳遞，用戶數(shù)量的增加和用戶數(shù)據(jù)傳輸速率的提高都對核心網(wǎng)絡的網(wǎng)元性能提出了更高要求。無線接入技術RIT（radio interface technologies） 無線接入技術（也稱空中接口）是無線通信的關鍵問題。它是指通過無線介質(zhì)將用戶終端與網(wǎng)絡節(jié)點連接起來，以實現(xiàn)用戶與網(wǎng)絡間的信息傳遞。無線信道傳輸?shù)?a target="_blank">信號應遵循一定的協(xié)議，這些協(xié)議即構成無線接入技術的主要內(nèi)容。無線接入技術與有線接入技術的一個重要區(qū)別在于可以向用戶提供移動接入業(yè)務。無線接入網(wǎng)是指部分或全部采用無線電波這一傳輸媒質(zhì)連接用戶與交換中心的一種接入技術。在通信網(wǎng)中，無線接入系統(tǒng)的定位：是本地通信網(wǎng)的一部分，是本地有線通信網(wǎng)的延伸、補充和臨時應急系統(tǒng)。典型的無線接入系統(tǒng)主要由控制器、操作維護中心、基站、固定用戶單元和移動終端等幾個部分組成。

與所有的IP 數(shù)據(jù)包都路由到相對集中的核心網(wǎng)節(jié)點（如以省為單位的集中部署GGSN）相比，在宏網(wǎng)絡中采用SIPTO，可以允許在靠近用戶的位置（如市、區(qū)等）、以分布的方式部署網(wǎng)關設備，如GGSN，從而允許用戶的數(shù)據(jù)能夠從地理/ 邏輯更近的節(jié)點進行路由。

2 技術需求分析

在3GPP標準制定過程中，最初的H（e）NB 需求文稿（3GPP TS 22.220）中只有LIPA 的概念，應用場景是基于H（e）NB 用戶，其業(yè)務可以是家庭/ 企業(yè)網(wǎng)的業(yè)務，也可以是Internet 網(wǎng)業(yè)務。但是明確了對宏網(wǎng)絡中的Internet 業(yè)務進行分流的需求以后，SIPTO 概念隨之提出。明確場景如下：

●用于家庭/ 企業(yè)網(wǎng)業(yè)務的LIPA，終端可以通過H（e）NB 直接訪問用戶家庭網(wǎng)絡或企業(yè)網(wǎng)中其他具備IP 能力的設備。

●用于H（e）NB 中的SIPTO，終端可以通過H（e）NB 直接訪問互聯(lián)網(wǎng)。

●用于宏網(wǎng)絡中的SIPTO，終端可以通過宏基站直接訪問互聯(lián)網(wǎng)。

分類可從兩個層面來理解：首先，從業(yè)務的形式來看，LIPA 用于H（e）NB 內(nèi)的業(yè)務，而SIPTO 用于公網(wǎng)的業(yè)務；其次，從網(wǎng)絡架構來說，LIPA 用于H（e）NB，而SIPTO 可用于H（e）NB， 也可用于宏網(wǎng)絡。LIPA/SIPTO 的架構如圖1 和圖2 所示，圖1 描述的是H（e）NB 的應用場景，圖2 描述的是3G/LTE 宏網(wǎng)絡的應用場景。

圖1 用于家庭基站的LIPA/SIPTO

圖2 用于宏網(wǎng)絡的LIPA/SIPTO

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/SIPTO 的問題是相似的，網(wǎng)絡架構也是基本相同的。因此，為了保持解決方案的一致性，3GPP 在TR 23.829 中對這兩個技術進行了集中分析和研究。

（1） LIPA 技術的需求

●應能支持UE 接入到移動運營商的核心網(wǎng)，同時通過LIPA 方式接入到家庭/ 企業(yè)IP 網(wǎng)絡。

●LIPA 僅用于在UE，H（e）NB 和家庭/ 企業(yè)網(wǎng)間進行業(yè)務路由。

●使用LIPA 的UE 也必須有合法的簽約數(shù)據(jù)，通過了運營商網(wǎng)絡的鑒權。

●UE 能通過漫游協(xié)議在拜訪網(wǎng)絡中使用LIPA。

●UE 漫游到特定VPLMN 的時候，HPLMN 能夠關閉LIPA。

●LIPA 的使用， 不應該影響UE其他并行的業(yè)務。

●如果家庭/ 企業(yè)網(wǎng)能夠提供LIPA 技術，應能通知UE。

●UE 在同一個家庭/ 企業(yè)網(wǎng)內(nèi)的H（e）NB 間移動時，應能夠維持UE到家庭/ 企業(yè)網(wǎng)的IP 連接性。

●運營商可以針對H（e）NB 和UE 關閉/ 開啟LIPA。

●LIPA 的使用不能減弱運營商網(wǎng)絡的安全性。

（2） 用于H（e）NB 的SIPTO 技術需求

●可以在靠近UE 附著到接入網(wǎng)絡的位置， 對特定的業(yè)務進行分流。

●運營商可以針對用戶開啟/ 關閉SIPTO 技術，例如可以基于用戶的費用或者簽約信息等。

●對于同一個UE 進行的多個業(yè)務， 可以只對其中的一部分業(yè)務進行分流，而不影響其他業(yè)務的使用。

●SIPTO 的使用不應減弱移動運營商的安全性。

●無須用戶的參與，就能執(zhí)行SIPTO。

●SIPTO 要支持宏網(wǎng)絡中的移動性，也要支持家庭基站和宏網(wǎng)絡之間以及家庭基站間的移動性。

●HPLMN 可以給VPLMN 提供用戶的SIPTO 信息，如是否允許在拜訪網(wǎng)絡中進行SIPTO，以及哪些網(wǎng)絡中可以進行SIPTO 等。

（3） 用于宏網(wǎng)絡的SIPTO 技術需求

●運營商可以對網(wǎng)絡中特定區(qū)域進行SIPTO 的開啟/ 關閉。

●SIPTO 不能減弱所分流出去的業(yè)務的完整性和保密性。

（4） LIPA/SIPTO 技術中需要解決的關鍵問題

●業(yè)務分流點或者說業(yè)務的中斷點的位置在哪里，是由哪個網(wǎng)元來決定進行業(yè)務中斷的？

●基于什么的原則對業(yè)務進行分流，即什么樣的業(yè)務需要分流？

●分流后的業(yè)務，該怎么實現(xiàn)計費？ 怎么上報計費信息？ 由哪個網(wǎng)元上報？

●是否需要支持合法監(jiān)聽？ 如果要支持，其合法監(jiān)聽點在什么位置？

●執(zhí)行LIPA/SIPTO 時，由于家庭基站沒有Gx 接口，是否只能基于靜態(tài)策略進行QoS 控制？

●執(zhí)行LIPA/SIPTO 時， 是否運營商可以基于系統(tǒng)的配置和負荷，動態(tài)發(fā)生？ 還是基于配置數(shù)據(jù)，靜態(tài)發(fā)生的？

在討論和研究LIPA/SIPTO 技術的解決方案過程中，需要遵循的網(wǎng)絡架構的基本原則有：

——對于要通過運營商核心網(wǎng)的業(yè)務，S-GW/SGSN 用戶平面功能在運營商核心網(wǎng)內(nèi)。

——移動性管理信令由運營商核心網(wǎng)處理。

——進行LIPA/SIPTO 時， 其會話管理信令以及要通過核心網(wǎng)傳遞的業(yè)務是在核心網(wǎng)終結的。

——業(yè)務分流點應該是盡量靠近用戶的，這個分流點可以在空閑模式的移動性程序中進行重選。

3 解決方案

針對以上關鍵問題和基本架構原則，3GPP 提出了6 種解決方案。下面分別對這6 種方案進行簡單的描述。

（1） 方案1

該方案適用于H（e）NB 的業(yè)務分流。方案的原則是，本地網(wǎng)關（LocalGateWay，L-GW）與H（e）NB 合設，用一個專用的APN 來標識需要進行業(yè)務分流的PDN，運營商核心網(wǎng)中的業(yè)務則用與該PDN 不同的PDN 連接進行傳遞，L-PGW （本地P-GW） 和L-GGSN（本地GGSN） 的位置是在家庭/ 企業(yè)網(wǎng)的， 比如在H（e）NB 中。

該方案可以基于S5 接口實現(xiàn)， 即空閑狀態(tài)下的下行分組數(shù)據(jù)存放在S-GW 中， 并通過S-GW 和L-GW 間的S5 接口進行前轉； 也可以基于S4/S11 接口來實現(xiàn)， 此時L-GW 與MME/SGSN 間會有S11/S4接口， 其功能是S11/S4 接口功能的子集， 主要完成LIPA 業(yè)務的會話管理。

（2） 方案2

該方案可用于H（e）NB，但不能用于宏網(wǎng)絡。其思路是通過H（e）NB 中的NAT 實現(xiàn)LIAP/SIPTO， 由H（e）NB 根據(jù)運營商的策略來實現(xiàn)業(yè)務流的分拆和插入，并由H（e）NB 子系統(tǒng)中的NAT 來實現(xiàn)業(yè)務流的路由。終端僅采用一個PDN 連接在家用基站子系統(tǒng)中增加NAT 和路由策略的功能以實現(xiàn)數(shù)據(jù)分流。

（3） 方案3

該方案可用于3G 網(wǎng)絡。其原則是，在無線基站上部署本地網(wǎng)關，由無線側網(wǎng)元上報適合分流的本地網(wǎng)關地址； 核心網(wǎng)通過用戶的簽約判斷是否允許SIPTO建立并進行本地網(wǎng)關的選擇；SGSN 需要為LIPA/SIPTO連接建立直接隧道。SGSN 可以基于運營商策略，根據(jù)分流點的位置不同，選擇合適的GGSN，進行業(yè)務疏導或分流。

（4） 方案4

該方案僅適用于3G 網(wǎng)絡。方案的原則是基于NAT，在Iu-PS 執(zhí)行業(yè)務分流。架構中增加了一個新的網(wǎng)元，即業(yè)務分流功能（TOF，TrafficOffload Function）。TOF 位于Iu-PS 接口，可以獨設或與RNC/HNBGW 合設。TOF 能夠決定分流策略，進行業(yè)務的分流和插入，提供標準的Iu-PS 接口到RNC 和SGSN，并可以基于運營商策略，通過NAT 和SPI/DPI 功能為運營商提供不同等級的SIPTO 應用。

（5） 方案5

該方案適用于對Internet 業(yè)務進行分流， 但不適用于家庭基站內(nèi)的業(yè)務。方案是基于本地P-GW 選擇來實現(xiàn)業(yè)務分流的。MME/SGSN 在進行GW 選擇的時候，要考慮用戶的位置，選擇一個靠近用戶的網(wǎng)關，可以使用基于DNS 機制來執(zhí)行網(wǎng)關選擇。另外，方案將用戶面網(wǎng)元下移至無線側，對于GPRS 系統(tǒng)，本地GGSN 部署在RNC 上或者RNC 附近，采用直接隧道；EPS就是英文Electric Power Steering的縮寫，即電動助力轉向系統(tǒng)。電動助力轉向系統(tǒng)是汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動助力機直接提供轉向助力，省去了液壓動力轉向系統(tǒng)所必需的動力轉向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動機上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護了環(huán)境。另外，還具有調(diào)整簡單、裝配靈活以及在多種狀況下都能提供轉向助力的特點。正是有了這些優(yōu)點，電動助力轉向系統(tǒng)作為一種新的轉向技術，將挑戰(zhàn)大家都非常熟知的、已具有50多年歷史的液壓轉向系統(tǒng)。

（6） 方案6

該方案適用于業(yè)務分流的所有場景。方案是基于本地網(wǎng)關的架構實現(xiàn)業(yè)務分流， 增加了L-GW 支持LIPA/SIPTO， 在L-GW 和P-GW/GGSN 之間， 配置了直接的擴展隧道， 便于空閑態(tài)下用戶的LIPA/SIPTO下行數(shù)據(jù)的傳輸及連接狀態(tài)下的數(shù)據(jù)轉發(fā)。L-GW 的功能可以在無線側，也可以在核心網(wǎng)側。L-GW 并不是把P-GW/GGSN 功能遷移到eNB/E-UTRAN， 而只包括其中很少的一部分功能。

4 結束語

3GPP的SA2 工作組目前進行的是R10 階段的LIPA/SIPTO 技術討論，眾多的通信廠商和運營商提出了一些有競爭力的解決方案?；诤昃W(wǎng)絡的SIPTO 解決方案在2010 年3 月SA2 78 次會議上已經(jīng)選定，最后確定將采納方案5 和方案4 為宏網(wǎng)絡的SIPTO 架構的進一步討論的基礎。3GPP的目標是實現(xiàn)由2G網(wǎng)絡到3G網(wǎng)絡的平滑過渡，保證未來技術的后向兼容性，支持輕松建網(wǎng)及系統(tǒng)間的漫游和兼容性。 其職能： 3GPP主要是制訂以GSM核心網(wǎng)為基礎，UTRA（FDD為W-CDMA技術，TDD為TD-CDMA技術）為無線接口的第三代技術規(guī)范。

3GPPCT 組剛剛通過該項目的立項，計劃2010 年底完成項目相關的STAGE3 工作。

從移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展來看， 未來的移動通信網(wǎng)將具有更明顯的Internet 特征， 即具備Internet 網(wǎng)的扁平化、自運營的特性，為用戶提供更加方便、快捷的連接和更有競爭力的服務。同時，固定網(wǎng)絡與移動網(wǎng)絡融合作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢， 家庭基站將在其中發(fā)揮重要作用，而采用LIPA/SIPTO 技術將使部署了家庭基站架構的移動系統(tǒng)具有更優(yōu)的性能。LIPA/SIPTO 技術同時也反映了網(wǎng)絡扁平化的趨勢，值得業(yè)界進行深入研究。