移动数据流量卸载技术的比较研究[权威资料].doc

移动数据流量卸载技术的比较研究 【摘 要】首先描述了几种主要的移动数据流量卸载技术，包括Wi-Fi、Femtocell以及机会通信网络等，随后分别介绍了相应的网络架构，并分析了各种技术的优缺点，最后展望了今后移动数据卸载技术的重点研究方向。 【关键词】移动数据卸载 Wi-Fi Femtocell 机会通信 IP流移动性 doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2015.22.007 TP209 A 1006-1010（2015）22-0035-05 引用格式：沈海灵，冯捷，纪其进. 移动数据流量卸载技术的比较研究J. 移动通信， 2015，39（22）： 35-39. Abstract Several mainstream mobile data traffic offloading techniques were described firstly， including Wi-Fi， Femtocell and opportunistic communication network. Then， their corresponding network architectures， technical advantages and disadvantages were introduced and analyzed. Finally， key research directions of mobile data offloading techniques in the future were prospected. Key wordsmobile data offloading Wi-Fi Femtocell opportunistic communication IP flow mobility 1 引言 著名市场研究公司IDC估计，2014年全球智能手机出货量达到了13亿部，同比增长26.3%，与此同时，2014全年中国智能手机出货量达到4.2亿部，同比上升19.9%。智能移动设备保持不间断的因特网接入，并且具有各种多媒体信息的获取和回放能力。随着智能手机市场的迅猛发展，移动数据通信的数据量也随之出现了爆发式增长。互联网和经济学领域的研究人员表示，2014年平均每个用户每月消耗7GB数据流量，全球的移动数据流量每月达到3.6EB。巨大的移动数据量给蜂窝网络带来了很大的负载压力，同时，网络的拥塞也恶化了接入用户的服务体验。 根据传统的运营策略，解决这个问题的途径主要分为两种1：第一种办法是基础设施的升级，最常见的方法不外乎通过部署更多的基站等方式扩大网络的总带宽。但这种方式的资金投入巨大，建设周期很长，而且实际获得的效果是否理想还有待商榷。在一个平价的市场体系之下，单纯升级基础设施并不是一个好的策略。第二种方法是采用基于用量的定价方式来限制数据流量使用。虽然这种方式可以在一定程度上解决问题，但是有可能引起某些用户群的反感，特别是智能手机用户，而这部分用户正是运营商未来的利润增长点。移动数据流量卸载（Mobile data offloading）2是近年来出现的一种创新技术，即使用互补的网络技术承载原来加载在移动蜂窝网络上的数据流量，以缓解网络拥塞，并创造额外的收入来源。移动数据卸载的目标是保持用户的服务质量，同时降低移动网络上对带宽有大量需求的服务的成本和影响。目前，常见的互补网络技术包括Wi-Fi、Femtocell（微蜂窝）以及机会通信网络（利用终端之间的接触机会进行通信的网络）等。由于这些网络已经存在或者部署成本较低，相比较增设宏网基站、升级网络技术，移动数据卸载在人力、物力和时间成本方面都具有巨大的优势，目前已成为学术界和工业界共同关注的热点问题。 本文综述了几种主要的移动数据流量卸载技术，分别介绍了相应的网络架构，分析了各种技术的优缺点，最后总结全文并展望了未来移动数据卸载技术的重点研究方向。 2 基于Wi-Fi的流量卸载 根据流量卸载的位置，移动数据流量卸载可以在核心网络与接入网络中分别实施。相对而言，移动核心网的设备数量较少，且资源较为充裕，因而实现数据流量卸载的迫切性较小。另一方面，接入网涉及大量的以语音服务为主的基站设备，这些设备容量不足，部署困难，难以满足当前爆发式增长的数据服务流量需求。 Wi-Fi是基于IEEE 802.11系列标准的无线接入技术，具有接入速率快但是覆盖范围小的特点，主要运用于室内环境的宽带接入。现在的智能手机基本上都具备Wi-Fi网络接口，Wi-Fi热点在企业、家庭和众多公共场所的部署也较为普及，而且Wi-Fi的单位数据通信费用与3G、4G流量资费相比便宜很多，基于Wi-Fi的移动数据流量卸载具备了很好的现实条件。文献3考察了由一个全国范围的3G网络和城市规模的Wi-Fi网络组成的移动数据卸载场景，目标是把车联网的数据流量从3G网络卸载到Wi-Fi网络上。 图1为基于Wi-Fi的移动数据流量卸载的网络结构。用户终端设备分别通过蜂窝和Wi-Fi两条接入链路分别连接到因特网：终端可以依次经移动接入网和移动核心网最终连接到因特网，也可以首先连接到Wi-Fi接入网，然后经过多个路由节点抵达因特网。通过Wi-Fi接入网络传输的数据即是从蜂窝网络卸载的数据，通过将数据卸载到Wi-Fi网络，降低了整个蜂窝接入网络的负载。对利用Wi-Fi网络的移动数据卸载方案的性能研究表明，在没有引入任何延迟的情况下，大约65%的移动数据可被卸载，另外由于Wi-Fi网络缩短了传输时间，从而节省了约55%的电能1。 由于Wi-Fi网络已经被广泛部署，毫无疑问在普及率上具有无可比拟的优势。采用这项技术可以利用已经部署好的Wi-Fi热点，或者在需要时加以适当的扩充，几乎不会涉及大规模的硬件设备的投入，因而建设成本较低。根据两个接入网络整合的程度不同，运营商对于订阅内容的分发和控制程度也有所差异。在不受控移动数据流量卸载的网络架构下，两种接入方式从用户终端到因特网之间的链路相互独立，因而运营商对于Wi-Fi网络部分的数据无法感知和控制。在受控移动数据流量卸载和一体化移动数据流量卸载的方式中，网络架构在不同程度上能够支持两个网络的信息交互，因而蜂窝网络运营商对于Wi-Fi网络部分的数据有一定的感知和控制能力。 3 基于Femtocell的流量卸载 Femtocell是小型、廉价、低功耗的基站，通常部署在用户家中，连接到它们自己的有线回程线路4。在这些方面，Femtocell与Wi-Fi接入点很类似，但Femtocell基于商用蜂窝网络标准和授权频段。从移动基站的角度来说，因为它们具有所有的常用频段并且具备带内切换的功能，因此与传统基站没有什么区别。Femtocell最初被用来提高室内通话质量，当时很多移动用户在转投其它运营商时抱怨在家中语音通话信号质量很差。而现在Femtocell被看成是一种高性价比的宏蜂窝网络数据流量的卸载方式。 研究表明，大约55%的数据产生于家庭，26%的数据产生于办公场所5，在此场景下可以不考虑用户设备移动带来的接入点切换问题。由于Femtocell的用户接入设备产生的数据包无需通过宏网蜂窝基站传输，在家庭或办公场所部署Femtocell可以有效地降低了宏蜂窝网络的负载。Cisco公司研究了将宏蜂窝网数据卸载到Femtocell接入网络的不同技术，分析了其价值和缺点。 在Femtocell移动数据流量卸载环境中，数据请求经空中接口到达Femtocell，然后经过数据网达到运营商的核心网或者其它互联网目的地。基于Femtocell的移动数据流量卸载网络架构如图2所示。从图2可见，用户终端设备直接连接到Femtocell，Femtocell通过宽带连接接入到Femtocell网关，然后接入移动核心网，并由此连接到因特网。连接到宏蜂窝基站的用户设备则经过RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器）连接到移动核心网，最终接入因特网。宏蜂窝和Femtocell热点的接入数据在核心网部分汇集到一起。在这种数据流量卸载方案中，尽管核心网的数据负载并没有减小，但移动接入网的数据负载得以减轻。 Femtocell有效降低了宏蜂窝网络的数据负载压力，提高了宏蜂窝网络上其它用户的网络服务质量，同时，接入到Femtocell的用户由于更好的信号质量也有更好的网络访问质量。Femtocell轻便小巧，很容易快速部署，它由运营商部署和管控，对于用户来说是透明的，无需用户主动干预。对运营商而言，连接到Femtocell的用户设备数据达到Femtocell以后通过移动核心网再达到因特网，因而运营商对这些数据可控。 作为两种主要的移动数据流量卸载网络技术，Wi-Fi和Femtocell各有优缺点。Wi-Fi工作在非授权频段上，因而可选的频段较多；Femtocell工作在授权频段上，相应的频段是受到限制的。Wi-Fi数据卸载中，话音流量仍然要经过核心网，而Femtocell可以捕捉到包括话音在内的所有的数据。Femtocell是一个微型的蜂窝基站，不会造成用户终端的电池电量消耗，而Wi-Fi集成在智能手机设备上，具有额外的能耗要求。Wi-Fi的接入速率可以高达数百兆比特每秒，远远高于蜂窝网络的接入速率。Femtocell具备服务质量保障，Wi-Fi则不具备。 4 基于机会连接的流量卸载 机会连接是指利用移动终端之间的接触机会而建立的通信连接。基于机会连接构成的移动自组织网络又称DTN（Delay Tolerant Networks，时延容忍网络）7。DTN采用存储-携带-转发的方式进行数据分发，由于终端间的接触机会具有时间上的不确定性，基于机会连接的数据传输不能保证结点间的转发时延。 大多数在移动网络上传输的数据，如多媒体新闻、手机视频等具有一定的时延容忍性，服务提供商可以先把这些信息发送给部分用户（目标用户），当目标用户和其它用户处于互相能够通信的范围时，再由目标用户通过Wi-Fi或蓝牙等通信接口进一步将这些数据扩散到邻近的用户，这些用户接下来可以采用类似的方式继续将数据分发给其它用户。图3为基于机会通信的数据流量卸载的网络结构图。利用机会连接以及DTN进行移动数据流量卸载的方案已经引起了人们的关注8-9，除了Wi-Fi、蓝牙、红外等短距离通信技术以外，基于授权频段的D2D通信方式也可以用于实现这种机会式流量卸载10。文献11针对时延容忍流量卸载提出了一个排队分析模型，考虑数据的不同延迟时间，分析延迟、数据卸载效率和其它一些因素，定量地考察延迟数据卸载的收益。 因为几乎没有经济成本，通过机会通信方式卸载移动数据流量是一种很有潜力的应对流量增长问题的解决方法。然而该方式也存在一些明显的局限性，机会通信实现的基础是移动终端在时间与空间上的相互接触，在城市环境中，移动结点的密度较高，结点之间接触机会相对较多，有利于机会通信的实现，但结点移动的随机性更强，运动速度较快，因而结点之间接触关系具有更大的不确定性。此外，数据内容的差异性（能够容忍的延迟和文件大小）对于数据分发有很大的影响。时间特性比较敏感的数据需要快速得到传输，难以通过机会通信实现，过大的数据不仅对于终端设备的存储空间造成负担，持续传输还会大量的消耗设备电能。用户的内容需求差异可能导致某些用户不愿意转发特定的内容，数据的安全性和用户隐私等问题也有待解决。 5 基于IP流移动性的数据流量卸载 IP流移动性12允许运营商无缝且有选择地将一个独立的IP流切换到另一个不同的无线连接上，同时维持其它正在进行通信的连接，并且不影响其它的用户。该技术已经被3GPP采纳为一项无缝数据流量卸载技术，典型的应用场景如图4所示。用户的终端设备连接到一个蜂窝网络基站，且同时有多个数据流（例如语音通信和文件下载）进行传输。在某个时间点，用户回到了家中，用户终端设备发现有可用的无线局域网接入点，于是决定把文件下载的流量卸载到无线局域网络，以便减轻基站的资源竞争和获得更好的下载体验。当用户移动到无线局域网信号覆盖范围之外时，文件下载又无缝地切换到移动网络继续进行，以便维持正在进行的通信。 基于IP流移动性的流量卸载方案正由IETF进行标准化。目前主要有两种技术：一种是扩展基于客户端的IP流移动性方案，在此方案中终端完全介入移动的过程；另一种是扩展当前基于网络的IP移动性方案，在此方案中终端无需感知移动性。IETF扩展了移动IPv6的双协议栈技术用于支持基于客户端的IP移动性，这些扩展包括12：多个临时转交地址（care-of address）注册支持、流绑定支持以及流量选择器定义。 基于网络的IP流移动性方案在网络中实现终端的移动性管理。在这种方式中，终端移动性对终端的IP协议栈透明，因而终端无需执行任何信令响应网络接入点的变化。IETF NETEXT工作组正在扩展代理移动IPv6协议以支持基于网络的IP流移动性。 IP流移动性技术具有以下优点：（1）允许用户始终能连接到因特网，同时体验到接近于无线网络连接带宽的速率；（2）允许运营商管理带宽资源；（3）允许运营商针对不同的用户、收费和特定的流量类型制定不同的策略，从而提供不同层次级别的服务。然而实现IP流移动性需要修改终端软件或网络协议，具有较高的时间和经济成本。 6 结论 本文介绍了几种主要的移动数据流量卸载的方案。在各种用于移动数据卸载的互补网络技术中，Wi-Fi接口最为普遍，目前部署最为广泛，有望成为移动数据卸载的主流方式。Femtocell技术使运营商对于卸载数据可感知可控制，价格在100美元以内的全功能低功耗的基站也成为可能。基于机会连接的移动数据卸载成本最低，但应用场景受限，性能难以保证，可以在特定的场合下作为补充。IP流移动性则提供了一种支持移动性的细粒度数据卸载技术。 D2D通信是第五代移动通信网络的关键技术之一，可以有效地提升网络的容量，D2D通信技术与流量卸载相结合是下一步研究的重点。当前的移动数据卸载主要考虑的是在室内无线网络覆盖范围内，而终端在室外环境中大范围移动时的流量卸载技术还需要进一步研究。此外，数据流量卸载涉及第三方网络或终端，需要设计必要的激励机制促进网络提供者及终端的合作。 参考文献： 1 K Lee， J Lee， Y Yi， et al. 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