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數(shù)據(jù)卸載功能幫大忙　Femtocell緩解3G網(wǎng)絡(luò)負荷

Femtocell已成為補強3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的重要利器。過往電信業(yè)者依賴擴增基地臺或骨干網(wǎng)絡(luò)頻寬來改善3G訊號覆蓋率的作法，不僅成效不彰且成本昂貴,；反觀Femtocell布建成本則相對較低,，且其數(shù)據(jù)卸載功能，更可進一步提升3G網(wǎng)絡(luò)使用體驗,。

近年來傳統(tǒng)語音服務(wù)的成長幅度已遠不如數(shù)據(jù)服務(wù)，目前3G核心網(wǎng)絡(luò)(Core Network, CN)上頻寬負荷已由新興的數(shù)據(jù)服務(wù)主導,，包括3G(或3.5G/3.75G)數(shù)據(jù)卡(Data Card)的盛行,，以及智能型手機,、平板裝置的流行，在在顯示出數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾浴?/p>

由于過往電信業(yè)者依賴增建基地臺或骨干網(wǎng)絡(luò)(Backhaul)頻寬的改善方式,，不僅推動不易且成本昂貴,，亦無法滿足數(shù)據(jù)量快速成長的需求，甚至成為3G網(wǎng)絡(luò)負載的瓶頸,；因此,，毫微微型蜂巢基地臺(Femtocell)或稱為家用基地臺(HNB)的概念遂被提出，用以輔助3G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸覆蓋率,。 

分散3G核心網(wǎng)絡(luò)負荷　Femtocell導入數(shù)據(jù)卸載功能　

數(shù)據(jù)量爆增對3G核心網(wǎng)絡(luò)的負擔確實是一大困擾,，為此，近來快速發(fā)展的Femtocell便提出數(shù)據(jù)卸載(IP Offload)功能,，目的是讓上行(UL)或下行(DL)傳輸可不經(jīng)3G核心網(wǎng)絡(luò),，而是導向另一個出入口，以減輕主要后端網(wǎng)絡(luò)的負擔,。 

數(shù)據(jù)卸載包含兩種技術(shù),，分別為本地IP存取(Local IP Access, LIPA)及選擇IP流量卸載(Selected IP Traffic Offload, SIPTO)。特別是LIPA技術(shù)的出現(xiàn),，使手機能透過HNB存取連上如打印機,、網(wǎng)絡(luò)附加儲存(NAS)、多媒體服務(wù)器等,，而3GPP目前對3G的LIPA結(jié)構(gòu)與規(guī)格亦已大致底定(圖1),。 

圖1支持LIPA的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

為實現(xiàn)LIPA功能，HNB除原有的Iuh接口外,，另新增Gn與Gi接口,，兩款新接口在通用行動通訊系統(tǒng)(UMTS)網(wǎng)絡(luò)里各有定位，如Gn系基于IP的接口,，連接著整體封包無線電服務(wù)支持節(jié)點(Serving GPRS Support Node, SGSN)與GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(GGSN),；Gi則是連接GGSN與公眾因特網(wǎng)的接口。在概念上,，要支持LIPA需在Femtocell內(nèi)實作出本地GGSN的功能,，3GPP將其稱為本地網(wǎng)關(guān)器(Local-Gateway, L-GW)(圖2)。 

圖2具備LIPA功能的HNB示意圖

LIPA搭建手機與HNB溝通橋梁　 

LIPA運作流程如圖3所示,，首先為手機發(fā)起RRC Connection建立,，再經(jīng)HNB檢查該手機是否有權(quán)限存取資源，若通過檢查,，HNB就會向HNB-GW發(fā)起手機注冊流程,。接著手機藉由RRC Initial Direct Transfer訊息攜帶GMM Service Request傳給HNB，并由HNB向SGSN發(fā)送RANAP Initial UE Message訊息，若該HNB支持LIPA功能,，則需在RANAP Initial UE Message訊息里面攜帶L-GW的IP地址,。 

圖3 LIPA運作流程示意圖

與此同時，LIPA運作也須執(zhí)行手機和SGSN之間執(zhí)行認證與加密的流程,。當手機藉由RRC Uplink Direct Transfer傳送GMM Activate PDP Context Request時,，若手機想建立LIPA聯(lián)機，即需在GMM Activate PDP Context Request里攜帶與LIPA相關(guān)的APN(Access Point Name),；當HNB收到訊息后,，向SGSN發(fā)送RANAP Direct Transfer訊息，若HNB支持LIPA功能,，則需在RANAP Direct Transfer訊息里攜帶L-GW的IP地址,。 

至于SGSN收到GMM Activate PDP Context Request后，若用戶具有使用LIPA功能的權(quán)限,，且手機要求的存取點(APN)為LIPA,，SGSN將根據(jù)無線存取網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部分(Radio Access Network Application Part, RANAP)訊息提供的L-GW IP地址，向L-GW發(fā)出GTP Create PDP Context Request,。如此一來,，L-GW即可根據(jù)SGSN要求，建立PDP Context,，同時在HNB直接建立一個內(nèi)部通道,，讓手機的數(shù)據(jù)封包可直接從L-GW的Gi接口送出，不須再傳送至核心網(wǎng)絡(luò),。 

不過,，這也意味著手機、HNB與SGSN之間須建立無線承載(Radio Bearer)與無線存取承載(Radio Access Bearer, RAB)用來傳送接收使用者數(shù)據(jù),，方可在SGSN向手機傳送GMM Activate PDP Context Accept,，手機收到此訊息后完成LIPA聯(lián)機，讓使用者可開始透過HNB存取內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)資源,。 

透過上述流程說明,，可歸納出支持LIPA所需元素包含L-GW，用以支持GGSN的功能,；RANAP第十版協(xié)議，協(xié)助在Initial UE Message與Direct Transfer訊息中攜帶L-GW IP地址,；以及SGSN,，根據(jù)LIPA APN與L-GW IP地址，選擇L-GW做為GGSN,。 

3GPP第十一版規(guī)范催生LIPA行動支持　 

在3GPP第十版規(guī)范中,，LIPA并不支持行動應(yīng)用，亦即當Handout到其它HNB時，LIPA聯(lián)機就會中斷,。對于一般家庭,，局域網(wǎng)絡(luò)的范圍與HNB服務(wù)范圍相當，因此當手機Handout時,，表示使用者已離開局域網(wǎng)絡(luò)范圍,；但對于大型企業(yè)而言，單一HNB無法涵蓋整個企業(yè),，須藉多個HNB相互交迭,，從而讓手機從企業(yè)內(nèi)HNB換手(Handover)到另一個HNB時，所處的局域網(wǎng)絡(luò)仍然有效,。 

礙于3GPP第十版規(guī)范中的LIPA并不支持行動功能,，使手機與局域網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)機須中斷重連。針對此一問題,，目前3GPP第十一版規(guī)范正在制訂一個新結(jié)構(gòu),，如圖4所示，L-GW從HNB內(nèi)部組件移出來,，變成一個獨立的單一節(jié)點,，HNB群組共享一個L-GW，在此一HNB群組內(nèi)支持行動LIPA,。惟詳細流程尚在研擬中,，須待標準底定方能明朗。 

圖4支持行動LIPA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

至于另一項對紓解3G網(wǎng)絡(luò)負載頗有幫助的技術(shù)為RAB Modification,，其指在數(shù)據(jù)傳輸時,，F(xiàn)emtocell可依據(jù)新的服務(wù)質(zhì)量(QoS)參數(shù)設(shè)定，調(diào)整數(shù)據(jù)的傳輸速率,，達到更有效率運用資源區(qū)塊RB(Resource Block, RB)的目的,。 

彈性調(diào)整QoS參數(shù)　RAB Modification加分效率 

RAB Modification功能是提供通用地面無線接取網(wǎng)絡(luò)(UTRAN)重新根據(jù)新的QoS參數(shù)來設(shè)定RAB，使無線接口(Radio Interface)更有效率的運用RB資源,，而3G Femtocell可視為無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)與基地臺部分功能的結(jié)合,，使其可同步支持RAB Modification功能。 

有關(guān)QoS參數(shù)的設(shè)定,，就會讓人聯(lián)想到PS Domain的PDP Context的相關(guān)程序,；在3G UMTS的協(xié)議中NAS層的議程管理(Session Management, SM)模塊負責PDP Context的Activation、Modification及Deactivation等相關(guān)程序的執(zhí)行,，其中QoS參數(shù)在客戶端(UE)及核心網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)調(diào)是主要執(zhí)行部分,，PDP Context Modification程序則是在用戶端正常連通(User Plane)情形下，更改QoS參數(shù)的程序,。 

其中,，包括客戶端,、GGSN、SGSN或RNC均可發(fā)起Modification程序,，而在本文所討論的3G Femtocell的RAB Modification的定位屬于RNC所發(fā)起的Modification程序,，亦即由Femtocell(HNB)發(fā)起。當Femtocell偵測到與客戶端之間的無線環(huán)境改變時,，例如對PS Domain而言,，在數(shù)據(jù)下行傳輸階段時，F(xiàn)emtocell的下行準備存儲區(qū)(Buffer)通常處于滿載狀態(tài),，代表客戶端的下行速率不夠快,，因而觸發(fā)Femtocell發(fā)起RAB Modification，改變QoS參數(shù)設(shè)定用以提升傳輸速率,。 

此外,，客戶端增加也將迫使Femtocell發(fā)動RAB Modification，調(diào)整QoS參數(shù)以降低下行速率,。一般所調(diào)整的QoS參數(shù),，在此處以最大傳輸率(Maximum Bit Rate)及保證傳輸率(Guaranteed Bit Rate)為主要調(diào)整對象，此兩項參數(shù)均將影響傳輸速率的快慢,。