浅谈基于家庭基站的数据分流技术

范叔亮

(中邮科通信技术股份有限公司 福建 福州 350000)



浅谈基于家庭基站的数据分流技术

范叔亮

(中邮科通信技术股份有限公司 福建 福州 350000)

随着无线通信技术的快速发展及人们通信方式的改变，移动数据流量进入爆炸性增长阶段，核心网负荷越来越大。3GPP提出了基于家庭基站的数据分流技术LIPA和SIPTO，其目的是为核心网提供数据分流，减轻核心网的负荷和传输成本，使核心网资源利用率最大化，从而提升用户体验。本文首先介绍家庭基站的数据分流技术背景及技术特点，并对家庭基站的数据分流技术的网络架构及实现方案进行探讨，最后对家庭基站的典型应用场景进行介绍。

家庭基站;核心网;数据分流;LIPA SIPTO

一、引言

随着移动通信及互联网的快速发展，在过去十年，智能终端上网的普及人们通信方式发生了巨大的改变，传统语音业务被VOIP、OTT等其他通信方式分流，人们对移动通信高速数据业务的需求爆发式地增长，通过终端随时随地进行高速率数据传输，这给运营商核心网带来越来越大的压力，而LTE的高频属性，目前室内覆盖情况并不理想，尤其在人口密集的室内区域，仍然存在大量盲区，因此亟待一种可以有效解决室内覆盖问题又能为核心网分流数据流量压力的解决方案。在数据流量分流方面，运营商通过在热点地区和公共场所部建设无线局域网络(WLAN)，一些互联网巨头及商家纷纷通过建设商业Wi-Fi进行O2O战略部署，但Wi-Fi的短信认证复杂、速率不稳定、室内室外频繁切换直接影响用户体验，再加上近年来公共Wi-Fi的安全问题凸显，隐私安全及财产问题越来越引起大家的重视。与此同时，大规模部署家庭基站无线网络己成为一种发展趋势，其具有小型化、智能化、低功耗、速率高、覆盖广、安全性及安装简单等优点作为解决室内覆盖的一种有效手段，大大提高室内网络的覆盖率，备受设备商和运营商的推崇，同时基于家庭基站的数据分流技术作为一种核心网数据分流技术，随着标准的不断完善，也逐步得到推广和应用。

二、家庭基站数据分流技术介绍

作为蜂窝网在室内覆盖的补充，家庭基站HeNB通过有线网络连接运营商核心网络，在有线网络末端的最后一公里实现无线化，为用户提供移动网无线话音及高速数据业务。其中移动数据业务类型中应用较多的是交互式端到端的数据业务连接，如果家庭基站将全部的数据流业务回传到核心网络，则会引起比较大的时延开销，因此家庭基站提出业务本地化的架构可以有效降低宏蜂窝网络的业务负载，达到分流核心网流量压力的目的，同时通过对业务属性和用户位置的判断，将适合本地化的业务放在同一基站下进行直接通信，降低了蜂窝网对室内覆盖的要求以及端到端的通信时延，使得宏蜂窝基站能将更多的传输资源提供给室外的移动通信用户，保证宏蜂窝用户的服务质量，提高宏蜂窝的资源利用率。

在家庭基站的支持下，本地IP接入(Local IPAccess，LIPA)及选择IP流量卸载(Selected IP Traffic Offload，SIPTO)都是进行本地数据分流相关的技术，可以实现业务本地化,都无需经过运营商核心网络，其中LIPA是对HeNB功能的增强，允许终端通过HeNB访问家庭/企业本地网络。而SIPTO则是直接接入Internet网络，为IP流量选择更优的路径，相对于运营商的核心网来说，这部分业务是直接从家庭基站分流出去，节省了传输资源。两者都起到了为核心网分担流量压力的作用，从而减轻核心网的负荷和传输成本。从业务形式来看，LIPA用于HeNB内的业务，而SIPTO用于公网的业务。从网络架构看，LIPA用于HeNB，而SIPTO可用于HeNB，也可用于宏网络。

三、网络架构及实现方案

(一)采用HeNB上的本地网关实现LIPA和SIPTO方案

图1 采用HeNB上的本地网关实现LIPA和SIPTO方案

上图为采用HeNB上的本地网关实现本地IP存取和选择IP流量卸除的网络架构。解决方案为在HeNB上新增一个本地网关(Local Gateway，L-GW)，L-GW与HeNB可以合设也可以分设。同时新增了两个网元安全网关(SeGW)和家庭路由网关。SeGW设置在运营商核心网边缘，这样在不安全的IP回程网中使HeNB维持在一个安全的关联中。在家庭的IP网络和IP回程网络边界处设置家庭路由器，在运营商的核心网中部署外部PDN网关(P-GW)，用于访问运营商服务。

终端用户访问本地业务的数据流，在L-GW 处分流至本地网络中，并采用专用的APN 来标识需要进行业务分流的PDN。同时，终端用户原有公网业务则采用原有APN标识其原有公网业务的PDN进行数据传输。当L-GW支持SIPTO时，LIPA和SIPTO可以采用同样的APN，而且HeNBSIPTO不占用运营商网络设备和传输资源，但L-GW需要对LIPA以及SIPTO进行路由控制，LIPA连接的是本地网络IP资源，SIPTO则访问Internet网络资源。

(二)采用本地网关实现宏网络SIPTO方案

图2 采用本地网关实现宏网络SIPTO方案

对于宏网络SIPTO方案，采用本地网关PDN连接的方案，如图2 所示，该方案通过将S-GW及L-PGW部署在无线网络附近，SIPTO数据与核心网数据流先经过同一个S-GW，是否建立SIPTO连接由MME进行控制。通过用户的签约信息来判定是否允许数据本地分流。如果用户服务器(HSS)签约信息不允许，则MME不执行SIPTO，如果HSS签约信息允许则SIPTO网关选择为终端用户选择地理/逻辑上靠近其接入点的网关，即S-GW和L-PGW。其中，S-GW的选择在终端初始附着和移动性管理过程中建立的第一个PDN连接时进行，L-PGW的选择则是在建立PDN连接时进行。

四、典型应用场景

(一)智能家居应用

随着人们对居住环境要求的提高，智能家居将逐渐为大家所接受。智能家居以家庭通信平台为基础，将家中的各种智能设备连接起来，进行远程控制与管理。家庭基站本地分流将大大降低互联网连接成本，可作为家庭通信平台，实现智能设备的连接，并且与智能穿戴设备做到无缝移动连接，为老人、儿童的智能医疗提供应用服务。LTE的高吞吐量、QoS保障，必将智能家居的发展带到一个新的高度。

图3 智能家居应用场景

(二)无线视频监控应用

家庭基站覆盖可运用于无线视频监控，方便灵活的摄像头部署，不受网线的制约，并且可实现高速移动的车载视频监控，可广泛运用于消防演练场、区域流动安防等地方。本地分流解决了宏站无线回传视频监控的流量费用过高问题。

图4 无线视频监控应用场景

(三)海上及野外4G小站的卫星回传应用

海上游轮、野外活动等人流部分聚集的地方，对互联网访问也有需求，通过家庭基站和本地业务服务器结合的方案，可以为用户提供多样的需求服务。方案组网图如下，VoLTE语音通话、互联网访问可通过卫星回传至电信核心网，而本地服务器将提供视频娱乐、广播等大流量资源，并且可开展丰富的增值业务应用，提高船上用户体验。

图5 海上及野外4G小站的卫星回传应用场景

(四)结合VR做体育赛事现场直播应用

观看体育赛事成为人们娱乐生活中很重要的一部分，并且对赛事观看体验也有越来越高的要求。例如F1赛事，单圈赛道长度都有五六公里，一个观众的观看位置有限，如果赛道通过全方位、多角度的赛事取景，通过VR系统即时成像，在本地的服务器上形成VR直播视频源，再通过赛场全覆盖的LTE家庭基站信号传送，观众可以流畅、低延时的全方位观看赛事。这样视距观看与远距VR观看结合，将提供非常优越的赛事观看体验。

(五)结合AR/VR技术提供旅游及商业体验推广

当前热门的“互联网+”让智慧城市、智慧景区和智慧博物馆触手可及，采用家庭基站部署业务本地化的架构，建立AR/VR移动流媒体平台，通过对业务属性和用户位置的判断，提供高速率、低时延的本地无线数据流量进行信息和视觉互交，通过现场多媒体信息与导航信息迭加进行互动，大大提升传统设施的本地服务体验，在智慧商场可基于人流及大数据分析结合LBS技术提供精准的商业广告和团购及优惠推送，对消费群体进行有效的引导。

五、结束语

通过部署家庭基站使Internet传输技术可实现业务本地化，推动数据业务的发展，即向移动设备提供包括语音、视频、数据在内的本地化综合服务，从而使无线接入网具备低时延、高宽带的传输，实现业务无缝连接，满足客户需求，提升服务水平，并帮助运营商探索全新的商业模式，解决基站“入场难”等问题，提高用户黏性，拉动宽带业务需求，为下一代的融合通信服务提供坚实基础。