本地IP接入和IP数据分流技术的需求与六种解决方案介绍

1 引言

本地IP 接入（Local IPAccess，LIPA）和IP 数据分流（Selected IP Traffic Offload，SIPTO）技术最初是基于家庭基站（Home （enhanced）Node B， 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。

IP是英文Internet Protocol（网络之间互连的协议）的缩写，中文简称为“网协”，也就是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。在因特网中，它是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则，规定了计算机在因特网上进行通信时应当遵守的规则。任何厂家生产的计算机系统，只要遵守 IP协议就可以与因特网互连互通。IP地址具有唯一性，根据用户性质的不同，可以分为5类。另外，IP还有进入防护，知识产权，指针寄存器等含义。IP是怎样实现网络互连的？各个厂家生产的网络系统和设备，如以太网、分组交换网等，它们相互之间不能互通，不能互通的主要原因是因为它们所传送数据的基本单元（技术上称之为“帧”）的格式不同。IP协议实际上是一套由软件程序组成的协议软件，它把各种不同“帧”统一转换成“IP数据包”格式，这种转换是因特网的一个最重要的特点，使所有各种计算机都能在因特网上实现互通，即具有“开放性”的特点。

如果通信系统中部署了H（e）NB，对于H（e）NB 的用户来说，除了可以使用公众的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。

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。

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。无线接入技术RIT（radio interface technologies） 无线接入技术（也称空中接口）是无线通信的关键问题。它是指通过无线介质将用户终端与网络节点连接起来，以实现用户与网络间的信息传递。无线信道传输的信号应遵循一定的协议，这些协议即构成无线接入技术的主要内容。无线接入技术与有线接入技术的一个重要区别在于可以向用户提供移动接入业务。无线接入网是指部分或全部采用无线电波这一传输媒质连接用户与交换中心的一种接入技术。在通信网中，无线接入系统的定位：是本地通信网的一部分，是本地有线通信网的延伸、补充和临时应急系统。典型的无线接入系统主要由控制器、操作维护中心、基站、固定用户单元和移动终端等几个部分组成。

与所有的IP 数据包都路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位置（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路由。

2 技术需求分析

在3GPP标准制定过程中，最初的H（e）NB 需求文稿（3GPP TS 22.220）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。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。

●用于宏网络中的SIPTO，终端可以通过宏基站直接访问互联网。

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。LIPA/SIPTO 的架构如图1 和图2 所示，图1 描述的是H（e）NB 的应用场景，图2 描述的是3G/LTE 宏网络的应用场景。

图1 用于家庭基站的LIPA/SIPTO

图2 用于宏网络的LIPA/SIPTO

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TR 23.829 中对这两个技术进行了集中分析和研究。

（1） LIPA 技术的需求

●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。

●LIPA 仅用于在UE，H（e）NB 和家庭/ 企业网间进行业务路由。

●使用LIPA 的UE 也必须有合法的签约数据，通过了运营商网络的鉴权。

●UE 能通过漫游协议在拜访网络中使用LIPA。

●UE 漫游到特定VPLMN 的时候，HPLMN 能够关闭LIPA。

●LIPA 的使用， 不应该影响UE其他并行的业务。

●如果家庭/ 企业网能够提供LIPA 技术，应能通知UE。

●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H（e）NB 和UE 关闭/ 开启LIPA。

●LIPA 的使用不能减弱运营商网络的安全性。

（2） 用于H（e）NB 的SIPTO 技术需求

●可以在靠近UE 附着到接入网络的位置， 对特定的业务进行分流。

●运营商可以针对用户开启/ 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 的使用不应减弱移动运营商的安全性。

●无须用户的参与，就能执行SIPTO。

●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。

（3） 用于宏网络的SIPTO 技术需求

●运营商可以对网络中特定区域进行SIPTO 的开启/ 关闭。

●SIPTO 不能减弱所分流出去的业务的完整性和保密性。

（4） LIPA/SIPTO 技术中需要解决的关键问题

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

●基于什么的原则对业务进行分流，即什么样的业务需要分流？

●分流后的业务，该怎么实现计费？ 怎么上报计费信息？ 由哪个网元上报？

●是否需要支持合法监听？ 如果要支持，其合法监听点在什么位置？

●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。

——移动性管理信令由运营商核心网处理。

——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。

3 解决方案

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。

（1） 方案1

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） 的位置是在家庭/ 企业网的， 比如在H（e）NB 中。

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 业务的会话管理。

（2） 方案2

该方案可用于H（e）NB，但不能用于宏网络。其思路是通过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 来实现业务流的路由。终端仅采用一个PDN 连接在家用基站子系统中增加NAT 和路由策略的功能以实现数据分流。

（3） 方案3

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，由无线侧网元上报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，根据分流点的位置不同，选择合适的GGSN，进行业务疏导或分流。

（4） 方案4

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，TrafficOffload Function）。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。

（5） 方案5

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，要考虑用户的位置，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；EPS就是英文Electric Power Steering的缩写，即电动助力转向系统。电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。

（6） 方案6

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。

4 结束语

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SA2 78 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。3GPP的目标是实现由2G网络到3G网络的平滑过渡，保证未来技术的后向兼容性，支持轻松建网及系统间的漫游和兼容性。 其职能： 3GPP主要是制订以GSM核心网为基础，UTRA（FDD为W-CDMA技术，TDD为TD-CDMA技术）为无线接口的第三代技术规范。

3GPPCT 组刚刚通过该项目的立项，计划2010 年底完成项目相关的STAGE3 工作。

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。