LIPASIPTO技术简介

1、LIPA/SIPTO实现数据分流 LTE核心网络卸重担本地 IP 存取(Local IP Access, LIPA) 与选择 IP 流量卸除(Selected IP Traffic Offload, SIPTO)技术最初是基于毫微微型蜂巢式(Femtocell)网络提出的，其含义是用户的数据直接链接家里的局域网络到因特网(Internet)，不经过营运商的核心网络，因此减轻核心网络的负荷和传输成本。本文以第三代行动通讯伙伴计划(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)之长期演进计划(LongTerm Evolution, LTE) 为例，介绍本地IP存

2、取与选择IP流量卸除的可能实作方式及所面临的挑战。HeNB为营运商/使用者带来双赢由于现有的第三代行动通讯技术(3G)以及未来的第四代行动通讯技术(4G)的频谱大多被分配在高频率上，墙 体等障碍物对讯号的衰减作用更加明显，所以在室内很容易因为收讯不良导致传输速度过慢。因此，用户经常 必须因应所在区域的不同而使用不同的网络接口，如在室内使用无线局域网络(Wi-Fi)而在室外使用3G,造成了使用上的不方便。另一方面，由于如iPhone等的智能型手持装置日渐普及，加上国内各电信业者强力促销上网吃到饱套餐，导 致数据数据爆炸性成长。目前基地台的带宽负荷已愈来愈重，也间接减少每个使用者可使用的带宽。为了

3、解决上述的问题，一些主流的电信业者与网通厂商在 2007年成立了一个商业联盟-毫微微型论坛(FemtoForum)，开始推广家用的Femtocell基地台来提供完整的解决方案。Femtocell是种专为室内使用所设计的超小型低功率基地台，其运作在有执照的无线频段，并透过家中的宽带 网络如数字用户回路(DSL)或电缆调制解调器(Cable Modem)，连接无线存取网络(Radio Access Network) 网络与核心网络(Core Network)。在3GPP Femtocell 系统中包含用户装置(UE)、家用基地台(Home eNodeB, HeNB)、服务网关(S-GW)及 Fem

4、to Gateway(F-GW)( 图 1)。图1 Femtocell系统架构图Femtocell对营运商和使用者都可以带来好处。对营运商来说，布建HeNB 方面能够在室内环境提供更好的 无线网络覆盖率，另一方面可以减少室外基地台的负载以提供户外用户更好的服务质量；对使用者来说，安装 HeNB 一方面可以藉由较佳的讯号质量及个人专用的基地台带来较高的传输速率，另一方面，由于与HeNB的传输距离短，所以能够使用较低的传输功率以减少电量消耗。LIPA降低传输成本当某个HeNB下的UE想要送到近端网络中的某个服务器时，其数据必须由UE传递至核心网络后，再由Internet传送至UE所属的家庭网络，最

5、后再送至该服务器。反之，当该服务器要传送数据给该UE时，数据必须先送至家庭网络，再经由Internet进入营运商的核心网络，最后再回到家庭网络(图2)图2 在Femtocell系统中传送区网数据的数据流这种传送方法有以下三个缺点。首先，数据的传送速度会被后端的家庭网络所限制。由于现今家庭网络的带宽(约 1OMbit/s)普遍仍低于无线存取网络所能提供的带宽(LTE估计最高下载速率1OOMbit/s 与上传50Mbit/s以 上)，所以使用者所能享受到的带宽就被家庭网络所限制。第二个缺点是数据的传送必须经由许多网络服务供货商(ISP)和网络设备，因此造成较高的延迟(Latency)与抖动(Jit

6、ter)。第三个缺点是用户的私人数据必须暴露 在所属的ISP下，造成数据外泄的可能。本地IP存取技术最初是基于解决上述 Femtocell网络问题所提出的，其含义是用户的数据直接从HeNB进行分流(或接入)，不经过营运商的核心网络。引入本地IP存取技术后，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HeNB实现，而毋须再传递到核心网络，这样既能减少数据传递时延，也能减少核心网络的 负荷与降低传输成本。营运商可因此为其他有价值的业务提供更好服务，提高用户体验。随着无线接入技术(Radio Access Technology)的发展与用户数量的增加，愈来愈高的负载量对核心网络的性能提出更

7、高要求。基于HeNB的本地IP存取技术成果，营运商对分流IP业务的兴趣和需求也越来越强烈。SIPTO缩短数据传输路径业界认为这种分流不仅仅可以用于 Femtocell网络，也可以在巨型蜂巢式(Macrocell)网络来实现，亦即把特 定的数据流从无线存取网络就分流出去。 基于Macrocell网络的选择IP流量卸除技术就是在此前提下被提出。选择IP流量卸除技术允许在靠近用户的位置部署网关设备，从而允许用户的数据能够从地理 /逻辑更近的节点 进行路由。一方面避免IP流量迅速增加后，对核心网络压力的持续增加，另一方面就近为 IP数据选择路由， 缩短数据传输的路径。在HeNB实现资料分流根据3GPP

8、的规范，本地IP存取与选择IP流量卸除明确应用场景如下：用于家庭/企业网络业务的本地IP存 取，UE可以透过HeNB直接链接用户家庭网络或企业网中其他具备IP能力的设备；用于HeNB中的选择IP流量卸除，UE可以透过HeNB直接存取Internet ；用于Macrocell中的选择IP流量卸除，UE能够透过 Macrocell 基地台(eNodeB)直接存取 Internet 。针对以上关键问题和基本架构原则，3GPP在TR23.829中对这两个技术进行集中分析和研究，并分别为LTEFemtocell和Macrocell网络提出解决方案。下面分别对这两种方案进行深入的介绍。首先，介绍在HeNB

9、上如何实现数据分流以达成本地IP存取和选择IP流量卸除。图3为HeNB上实现本地 IP存取和选择IP流量卸除的网络架构。其方法为在 HeNB上新增一本地网关（Local Gateway, L-GW） ，其 功能与PGW相似并可以透过直接通道（Direct Tunnelling） 不透过S-GW 直接连结HeNB。Home networkSGWSeGAUEPGWL-GWHeNB"Ji Home | 丄router/数据源：3GPP图3 利用HeNB上的本地网关实现本地IP存取和选择IP流量卸除而须要分流到本地网络的数据，由 HeNB透过直接通道传送到L-GW后，就可以传送到本地网络中的

10、其他网 络实体。同样地，本地网络实体要传送数据给 UE时，L-GW会为该UE拦截数据并经由直接信道将该数据传 送给HeNB后，最后再送到UE。为了区别要经由L-GW的数据流，UE与核心网络用一个专用的存取点名称（APN）来标识须要进行数据分流到 本地网络的数据封包网络网关（PDN）链接，而须经由核心网络的数据流，则使用原有的 APN所建立的PDN连 结。如图4所示，当UE建立一个用于本地IP存取和选择IP流量卸除的PDN连结时，会利用特定的APN告知行 动管理装置（MME）该需求（步骤1）。接着，MME会居中协调为S-GW与L-GW建立属于该UE的S5承载（步 骤2至5）。步骤613是为了建立

11、E-RAB承载。在这里要注意的是，为了让 HeNB与L-GW可以建立直接承 载，MME在步骤6会将L-GW端的承载数据传送给HeNB。1 PON ConneaLG申vitv Request Well 曲iimed APM or LIPAServing GW2 Create Session3 Create &ess«yi Request4 Qreate Sess on ResponseG Biarr Setup Request(S5 PGW TOD)亠 5 crea【E Session 凤 PCN Connectivity AtCfrpt5 Create SesResponse

12、7 RRCConnedon ficanftguidiionRRCnntton Recci时iqjion9 Sparer Setup RefcponseConleW Di red Tranter1- RON CarinedNly Compl etc12 Modify 0edTe( R*j-quest十 心一 Modrf* Be型创 R&spwige数据源：3GPP图4 UE为本地IP存取和选择IP流量卸除发起的PDN连结要求另外，L-GW与UE之间会存在两个承载：第一个承载是由 L-GW经由HeNB至UE的本地IP存取和选择IP 流量卸除专用承载；第二个承载是传统 LTE网络中的EPS承

13、载，由L-GW经由S-GW与HeNB至UE。在执 行本地IP存取和选择IP流量卸除时，UE与L-GW间的数据是经由第一个承载传送。第二个承载平时备而不 用，当UE处于休眠模式且有数据要接收时，才会经由第二承载传送。为了让IP存取和选择IP流量卸除支持闲置模式，3GPP也修改原有的S1释放流程(S1 Release Procedure)与服务需求流程。首先，修改后的 S1释放流程与一般S1释放流程不同的地方是，HeNB在执行完该流程后 必须通知L-GW该UE的E-RAB承载已不存在，以便让L-GW在收到UE数据后可以触发修改后的服务需求 流程。图5所示为L-GW发起之服务需求。首先L-GW会传送

14、一个虚设数据(Dummy)封包给S-GW(步骤2)并暂存 其他封包。接着，S-GW会要求MME寻呼(Paging)该UE(步骤35)。当UE发现自己被核心网络寻呼时，就 会执行UE发起的服务需求(步骤6)以回复图4中之第一及第二承载。数据源：3GPP图5 应用于本地IP存取和选择IP流量卸除中的L-GW发起之服务需求最后，该Dummy封包会经由第二承载传送至HeNB（随即被丢弃），而L-GW要传给UE的封包会经由第一 承载（直接通道）传送到HeNB后送给UE。接下来介绍如何在 Macrocell中选择IP流量卸除。图6为3GPP网络中利用连接存取网络之本地网关实现 Macrocell网络的选择

15、IP流量卸除。MME在进行P-GW选择的时候，要考虑用户的位置，选择一个在地理 / 逻辑上靠近用户的网关来执行选择IP流量卸除（本地S-GW和本地P-GW可合设）。MME判断UE是否可以 使用选择IP流量卸除的方法可分为以下三种：StPTO Traffic数据源：3GPP图6 利用连接存取网络之本地网关实现Macrocell网络的选择IP流量卸除第一种方法是，在用户服务器（HSS）中的UE用户数据中新增选择IP流量卸除启动旗标（SIPTO_EnableFlag）。该旗标记录该UE在该APN中是否可以使用选择IP流量卸除，当UE要求连结到该APN时，MME可 以根据该旗标决定是否为该UE选择一个本地网关以执行选择IP流量卸除。第二种方法则是，使用本地设置(Local Configuration) 让MME可以判断UE所要连结到的APN是否支持选 择IP流量卸除。其实现方法可以利用类似域名(Domain Name) 的APN，并在域名服务器(DNS)中设定该APN 是否可以支持选择IP流量卸除。当UE要求连结到某个APN时，MME就可以利用DNS查询的方法判断该 UE是