數據卸載功能幫大忙　Femtocell緩解3G網絡負荷

Femtocell已成為補強3G網絡覆蓋率的重要利器。過往電信業(yè)者依賴擴增基地臺或骨干網絡頻寬來改善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，且其數據卸載功能，更可進一步提升3G網絡使用體驗。

近年來傳統語音服務的成長幅度已遠不如數據服務，目前3G核心網絡(Core Network, CN)上頻寬負荷已由新興的數據服務主導，包括3G(或3.5G/3.75G)數據卡(Data Card)的盛行，以及智能型手機、平板裝置的流行，在在顯示出數據傳輸的重要性。

由于過往電信業(yè)者依賴增建基地臺或骨干網絡(Backhaul)頻寬的改善方式，不僅推動不易且成本昂貴，亦無法滿足數據量快速成長的需求，甚至成為3G網絡負載的瓶頸；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網絡的數據傳輸覆蓋率。 

分散3G核心網絡負荷　Femtocell導入數據卸載功能　

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

數據卸載包含兩種技術，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技術的出現，使手機能透過HNB存取連上如打印機、網絡附加儲存(NAS)、多媒體服務器等，而3GPP目前對3G的LIPA結構與規(guī)格亦已大致底定(圖1)。 

圖1支持LIPA的網絡結構圖

為實現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(UMTS)網絡里各有定位，如Gn系基于IP的接口，連接著整體封包無線電服務支持節(jié)點(Serving GPRS Support Node, SGSN)與GPRS網關支持節(jié)點(GGSN)；Gi則是連接GGSN與公眾因特網的接口。在概念上，要支持LIPA需在Femtocell內實作出本地GGSN的功能，3GPP將其稱為本地網關器(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HNB檢查該手機是否有權限存取資源，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聯機，即需在GMM Activate PDP Context Request里攜帶與LIPA相關的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功能的權限，且手機要求的存取點(APN)為LIPA，SGSN將根據無線存取網絡應用部分(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SGSN要求，建立PDP Context，同時在HNB直接建立一個內部通道，讓手機的數據封包可直接從L-GW的Gi接口送出，不須再傳送至核心網絡。 

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據，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聯機，讓使用者可開始透過HNB存取內部網絡資源。 

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第十版協議，協助在Initial UE Message與Direct Transfer訊息中攜帶L-GW IP地址；以及SGSN，根據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并不支持行動應用，亦即當Handout到其它HNB時，LIPA聯機就會中斷。對于一般家庭，局域網絡的范圍與HNB服務范圍相當，因此當手機Handout時，表示使用者已離開局域網絡范圍；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HNB換手(Handover)到另一個HNB時，所處的局域網絡仍然有效。 

礙于3GPP第十版規(guī)范中的LIPA并不支持行動功能，使手機與局域網絡的聯機須中斷重連。針對此一問題，目前3GPP第十一版規(guī)范正在制訂一個新結構，如圖4所示，L-GW從HNB內部組件移出來，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網絡結構圖

至于另一項對紓解3G網絡負載頗有幫助的技術為RAB Modification，其指在數據傳輸時，Femtocell可依據新的服務質量(QoS)參數設定，調整數據的傳輸速率，達到更有效率運用資源區(qū)塊RB(Resource Block, RB)的目的。 

彈性調整QoS參數　RAB Modification加分效率 

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

有關QoS參數的設定，就會讓人聯想到PS Domain的PDP Context的相關程序；在3G UMTS的協議中NAS層的議程管理(Session Management, SM)模塊負責PDP Context的Activation、Modification及Deactivation等相關程序的執(zhí)行，其中QoS參數在客戶端(UE)及核心網絡之間的協調是主要執(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，在數據下行傳輸階段時，Femtocell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參數設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，調整QoS參數以降低下行速率。一般所調整的QoS參數，在此處以最大傳輸率(Maximum Bit Rate)及保證傳輸率(Guaranteed Bit Rate)為主要調整對象，此兩項參數均將影響傳輸速率的快慢。