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聚合服务移动网络论文 篇1：
5G技术的发展及其在电视直播中的应用
摘 要：近年来，移动网络发展非常迅速，随着4K高清电视信号的出现，4G网络已经无法满足信号的传输要求，而5G在这方面已经取得了实质性的进展，并在2019年的一些电视直播领域首次进行了尝试，取得了不错的效果。由此，本文主要对5G的现状、关键技术和在电视直播中的应用进行探讨。
关键词：5G;通信网络;电视直播
与现有4G通信网络相比，5G移动通信网络速率得到明显提高，且在安全性、灵活性和覆盖性等方面都具有较大优势。可以说，5G通信是对4G网络的一次革命性提升，传输效率非常高。
1 5G的发展现状
移动通信技术发展多年，每一代差不多都有一个十年的发展周期[1]。目前，移动客户端的各种应用占用带宽越来越大，低频段已经太拥挤了。按频谱划分，频率越高，越容易找到连片的大带宽资源，带宽越大，同时使用更优的调制技术，数据传输速率就更快。与4G网络相比，5G通信将拥有更高的能效，更稳定快速的网络连接和更快的传输速率。目前，4G的传输速率仅为75Mbps，而5G将会突破这一传输速率，运用64个天线单元自适应阵列传输技术满足未来流量的大幅度增加，传输更高码率的数据，满足1 000倍以上的用户需求。移动通信技术的发展如图1所示。
2 5G的基本特点和关键技术
2.1 5G的基本特点
2.1.1 速度快。5G最直接的特点是速度快。4G与3G相比，传输速率有了大幅度提升。而5G与4G相比，不仅在速率上得到提升，连接功能也非常强大，可以实现网络的覆盖面更广泛，使用户体验更加方便，效果更佳。无论人们身处何方，都可以迅速地将使用的设备连接到5G网络中，如利用手机看视频几乎感觉不到卡顿和等待，使用舒适度大大提升。
2.1.2 功耗低。5G出现后，人们的生活可能会进入智能时代，佩戴智能产品、使用智能家居将成为常态。其中，人们最关注的问题是设备耗电问题，若耗电量较低，智能设备将被多数人所接受。而5G的使用具有低功耗的特点，耗电量相对较低，耗电每个比特相比4G下降了10倍，这为智能设备的推广使用奠定了基础。
2.1.3 高容量。5G的容量是4G的20倍，高容量的特点可以成功弥补4G技术由于流量需求大时传输速率大幅下降的缺陷。如果在人口密度相对较大的地方运用5G技术，可以将传输速率进行平均分配，人们在接收信息时就不会出现卡顿和消息滞后的现象，从而大大提升人们的使用效果。
2.1.4 低时延。5G由于速度非常快，所以时延较低，在实际使用中，延迟为1ms，而且稳定性和可靠度都非常高。将5G通信应用到对时延要求较高的企业和人工智能中，将会给人们生活带来革命性的变革，如无人驾驶技术、高精尖自动化技术和电视4K/8K的高清直播等。
2.1.5 万物互联。在过去的通信中，每个人使用的终端都非常有限，而5G的到来，将会给人们带来较大便利，人们能同时使用数个智能设备，这些设备可以相互连接，以为人们的生活提供便利。此外，也可以将5G网络应用到社会管理中，给城市管理和城市生活带来极大便利。
2.2 5G的关键技术
5G网络能力和网络结构与4G有很大不同，是新一代的移动通信技术，不仅整合了过去的一些先进技术，而且有自己的核心技术。其核心技术主要有以下几点。
2.2.1 基于OFDM优化的波形和多址接入。当前的4G LTE和Wi-Fi系统广泛采用了OFDM技术，而5G也采用基于OFDM化的波形和多址接入技术，主要是因为其可以扩充带宽应用，且具有较低的数据復杂性和高频谱效率，能较好地满足5G的一些要求[2]。OFDM技术家族可实现多种增强功能，例如，通过加窗或滤波增强频率本地化、在不同用户与服务间提高多路传输效率，以及创建单载波OFDM波形，实现高能效上行链路传输。
2.2.2 实现可扩展的OFDM间隔参数配置。为了支持更丰富的频谱类型/带和部署方式，5G将利用所有能利用的频谱，连接尽可能多的智能设备，5G NR将引入可扩展的OFDM间隔参数配置。LTE最高可支持20MHz的载波带宽，每个载波带宽为180kHz，1个载波在频域可分为12个子载波，每个子载波带宽为180kHz/12=15kHz，20M的带宽就可以支持 200个子载波。这一点至关重要，根据信道带宽，利用可变的快速傅氏变换算法（FFT），扩展为更大带宽时，可以保证不增加系统处理的复杂性。为了支持不同信道在多种模式下带宽的要求，5G NR采用不同的参数配置来提高多路传输的效率。
2.2.3 OFDM加窗提高多路传输效率。OFDM能实现波形后处理（post-processing），可实现多种增强功能，可以通过加窗或滤波增强频率本地化、在不同用户与服务之间提高多路传输效率，以及创建单载波OFDM波形，实现高能效上行链路传输[3]。将来5G若实现商用，就可能被应用于大规模物联网，那么就会有很多的设备进行相互连接，而5G此时必须要提高多路传输效率，以满足数亿计设备联网的需求。频带内和频带外信号辐射必须尽可能小，以保证相邻频带不相互干扰。
2.2.4 灵活的框架设计。设计5G NR的同时，采用灵活的5G网络架构，进一步提高5G服务多路传输的效率。这种灵活性不仅体现在时域上，也体现在频域，5G NR的框架能充分满足5G的不同服务和应用场景。
2.2.5 先进的新型无线技术。目前，用在4G LTE上的一些先进技术，也可以应用在5G上，如载波聚合、MIMO、非共享频谱等。这些通信技术主要有以下几个。
①频谱共享。用非授权频谱和共享频谱，能将5G扩展到多个维度，以支持新的部署场景、使用更多频谱、实現更大的容量。这不仅可以使拥有授权频谱的移动运营商受益，而且还可以为没有授权频谱的厂商创造机会，如物联网相关行业、企业和有线运营商等，让他们能够充分利用5G NR技术。
②大规模MIMO。利用MIMO技术可以提高信道的容量，也可以提高信道的可靠性，降低误码率。从2×2提高到了目前4×4MIMO。更多的天线也意味着占用更多的空间，要在空间有限的设备中容纳进更多天线显然不现实，只能在基站端叠加更多MIMO。从目前的理论来看，5G NR可以在基站端最多使用256根天线，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，成倍提高系统信道容量。
③毫米波。全新5G技术正首次将频率大于24GHz以上频段（通常称为毫米波）应用于移动宽带通信。大量可用的高频段频谱可以提供大容量、高速数据传输，这将使人们对移动互联网有一个更好的体验。但是，毫米波频段传输的信号由于信号衍射能力有限，无法穿透墙体，会造成传输路径受阻，面临着波形和能量消耗等问题。
3 5G在电视直播当中的应用
5G带宽的能量非常大，可以制作、传输效果更佳的高清视频内容，支持4K、8K及VR等全新的视频展现形式。在2019年的春节晚会中，中央电视台首次使用5G网络进行4K+VR超高清直播，给观众带来了视觉上的震撼感受，也是5G技术在媒体融合中的一次展示，标志着5G时代的来临。
2019年4月7日，拜祖大典在新郑举办，郑州电视台也采用5G网络对现场进行了一次电视直播尝试。直播开始前，郑州电视台技术人员和相关公司的技术团队制定了详细的网络保障方案，移动公司部署了多个5G无线网络站点，技术人员在直播开始前反复对整个5G网络系统进行调试和实验，并对现场不同地点和位置进行了“地毯式”测试，对现场的各项网络指标进行排查，发现问题，及时调整。
以前在电视上看到的现场直播，主要是通过导播切换到平面画面，而这次直播采用的是高清摄像机拍摄的4K+VR高清画面，其像素约是全高清视频像素1080P的4倍，网络上行速率高于50Mbps。而且现场摄像机拍摄的信号必须使用线缆进行回传，机位相对固定，或者在一个小范围移动。有了5G网络，那么对4K信号的传输就显得很轻松，而且还可以不受回传方式的限制和位置限制，实时传输至移动直播车的播控平台，经过画面选取、编辑、叠加字幕后，经由光纤和5G网络到达观看端，同时也解决了以往卫星+光缆的回传限制问题，大大降低远程直播的成本。人们在家通过电视可以看到不一样的直播画面，更具有真实感、现场感和沉浸感。在拜祖大典现场，人们拿出手机点开“看郑州”客户端中的现场直播链接，从手机中看到的画面和现场看到的画面能基本保持一致，甚至能看到手机画面中镜头较近的人脸上的皱纹，随着镜头的移动，手机里呈现的画面也非常清晰，犹如身临拜祖大典现场。
与以往的4G直播相比，这次直播活动抗干扰性更强，时延有所降低，视频信号传输更稳定，清晰度也有了质的提升。过去使用4G无线传输高清4K信号可能会出现延时和卡顿，而这次使用5G网络，整个直播过程十分流畅、无卡顿、无中断。这次超高清电视直播是郑州电视台第一次使用“5G+4K”，是对5G信号的一次尝试，也是我们下一步探索媒体融合的一项重要举措。
4 5G未来的前景
与4G相比，“高性能、低延时、大容量”的5G并不只有网速的跨越式提升，更能带来全行业数字化的变革，与大数据、人工智能、云计算等技术协同发展，将会使人们的生活水平有一个质的提升。除电视直播外，5G网络会带人类进入“万物互联”时代，信号传输几乎无延时，可以使无人驾驶、VR体验等技术得到进一步发展。
2019年，全国各地电视台都在陆续尝试使用5G进行直播，但这只是5G应用的冰山一角。今后，5G还将给人们的日常生活带来巨大的变革：如智慧交通将给人们的生活带来更加便利的出行方式;智慧家居将会给人们的生活带来更加舒适的生活体验;智慧医疗将会给患者提供更多的医疗资源保障等。相信在今后5G的发展过程中，会有越来越多的智能科技为人们所利用，让人们的生活和工作变得更加方便、智慧。
参考文献：
[1]余莉， 张治中， 程方，等. 第五代移动通信网络体系架构及其关键技术[J]. 重庆邮电大学学报（自然科学版），2014（4）：427-433.
[2]项立刚.5G的基本特点与关键技术[J].中国工业和信息化，2018（5）：36-43.
[3]苏青霄.浅谈5G移动通信发展走势和关键技术[J].信息通信，2018（5）：248-249.
作者：李超锋
聚合服务移动网络论文 篇2：
移动互联网中的网络技术
从移动性管理、轻量级IP协议适配、多接口异构网络接入等方面入手，对传统IP网络的发展策略进行了探讨。针对造成移动通信网“信令风暴”的原因，提出了从移动终端、无线接入网、核心网等层面共同解决“信令风暴”的对策。
移动互联网；IP网络；移动通信网；业务
This paper discusses the development strategy for traditional IP networking in terms of mobility management， lightweight IP protocol adaptation， and multiple interface access. It discusses the reasons for signaling storm and proposes solutions at the mobile terminal， radio access network， and packet core network levels.
mobile Internet； IP network； mobile communication network； service
移动互联网是互联网技术与移动通信技术融合的产物，移动终端的迅速普及以及移动应用广泛流行促进了移动互联网产业的发展、壮大和繁荣。据统计中国国家工业和信息化部2013年6月发布的统计数据，2012年全国智能手机出货量累积达到2.58亿，同比增长166.8%[1]。移动互联网的用户规模也在急速扩张。截至2012年6月，中国国内的移动互联网用户数达到3.88亿之多，甚至超过了传统PC互联网用户数[2]。与此同时，移动互联网应用的数量与下载量也呈现增长的势头，以苹果公司的App Store为例，目前已有77.5万应用，下载量达到了400多亿次[3]。而移动互联网的业务形态也从短信息、数据上网等拓展到移动即时通信、微信、微博等具有社交元素的业务类别。移动终端与移动应用的增长直接拉动了移动互联网流量的爆发式增长，据爱立信2013年6月发布的流量与市场数据报告显示，从2012年第一季度到2013年第一季度，数据流量增加了一倍，而语音增长率仅4%[4]，如图1所示。该报告据预测，受视频类应用和移动社交类应用的推动，在2012年到2018年期间，移动数据流量仍将以50%的复合年增长率增长，而到2018年底，数据流量将增加大约12倍。
移动互联网在用户规模和接入终端数量的增长态势以及业务形态的多样化趋势，给现有的网络基础设施，包括以第二代、第三代移动通信制式为主的蜂窝网络以及传统的IP网络都带来了新的挑战。本文分别从移动互联网的发展对IP网络以及移动通信网络带来的影响出发，分析了在两种网络体系中为了应对移动互联网的冲击应运而生的新技术、新架构。
1 移动互联网对IP网络的
影响及其技术特征
在移动互联网飞速发展的浪潮中，传统IP网络的体系架构及移动性管理方案随之发生着丰富而深刻的变化。接入网络的多样性、终端设备的异构性是移动互联网发展中IP网络所面临的重要挑战。接入网络的多样性表现在网络体系结构、网络接口协议、对移动性的支持能力等方面存在差异。而终端设备的异构性反映在终端的传输效率、对IP协议的支持能力以及多网络接入能力等方面的差异。在传统IP网络所面临的众多挑战中，移动性管理、面向终端的IP协议适配、异构网络的多接口接入问题是影响移动互联网业务性能及用户体验的重要方面，本文将针对上述3个方面进行阐述。
1.1 移动性管理
移动性是移动互联网最重要的特征，而移动性管理对确保网络运行效率以及上层业务的连续性具有全面的影响。Mesh网络、PMIPv6等网络体系架构及异构移动终端的涌现对移动性管理在性能、鲁棒性、可拓展性以及针对不同应用的灵活性上提出了新的要求。移动性管理包含两个方面的内容：位置管理和切换控制。位置管理旨在实现对移动终端位置信息的跟踪、存储、查找及更新。其执行策略会直接影响系统容量、服务质量及移动终端的功耗。移动互联网对位置管理带来的新问题表现在两个方面：首先，种类繁多的终端对位置管理策略存在迥异的要求。其次，移动互联网中终端设备“永远在线”的工作模式以及基于推送（Push）的信息方式在很大程度上加剧了对位置管理效率的压力，也对传统位置管理方案的有效性产生了无法回避的挑战。切换控制旨在提供合理的机制保证当某个移动终端移动到一个新的位置区域时仍然能够保持与网络的连接，这一点对确保数据的无缝不间断传输至关重要。在移动互联网的应用场景下，保证业务不会因为网络连接的切换而中断是衡量用户体验好坏的重要标准。除了位置管理和切换控制，移动性管理还对移动服务质量、资源管理以及安全性等提出了要求。
目前，包括国际电信联盟（ITU）、第三代移动通信合作伙伴计划（3GPP）以及因特网工程任务组（IETF）等国际标准化组织均对移动性管理进行了分析研究，并从不同的侧面发布了一系列的建议和草案。ITU从IP地址分配、用户信息管理、用户环境管理、身份认证、接入控制及鉴权等方面定义了NGN中的位置管理问题。而3GPP也将移动性管理作为LTE/SAE系统的技术需求以支持不同接入系统的无缝移动性和业务连续性。在其规范中明确规定了对通用分组无线业务隧道协议（GTP）、MIPv4、DSMIPv6和PMIPv6协议的支持。IETF对移动性管理的研究最为全面，提出了MIPv4、MIPv6、PMIPv6以及HIP等主流技术。下面是其中的代表性协议：
（1）移动IPv6协议
移动IP是在网络层解决终端移动性问题的方案，具有高扩展性、高可靠性以及高安全性的特点，同时该协议与底层的传输介质无关，并对上层应用透明，能够保证移动终端携带某个固定IP地址跨越不同网段时实现数据的无缝不间断传输，对业务的连续性有较高保障。
移动IPv6协议（MIPv6）是基于IPv6协议，对MIPv4协议的升级。MIPv6定义了3类功能实体：移动节点（MN）、对端节点（CN）以及家乡代理（HA），如图2所示。MIPv6通过提供快速切换和平滑切换提供对移动性的支持。快速切换能够减小移动节点建立新的通信路径时的延迟时间。目前，有多种关于快速切换的建议，比如通过预测移动节点移动，提前发送数据包的多个副本到移动节点可能的移动目的地。也有基于分层MIPv6的移动管理模型，这种模型对移动IP的切换进行了改善，提供了移动锚点（MAP）功能。此外，一些比较新的切换方法采用了小组广播（SGM）的明确组播技术（Xcast），利用基站将接受到的控制/用户数据报以组播的形式发送到基站和移动节点之间的无线链路上[5]。平滑切换则旨在减小切换过程中的丢包率，MIPv6提供了缓存机制，移动节点能够要求当前子网的路由器缓存其数据包，直到完成其向新子网内路由器的注册过程。
（2）代理移动IPv6协议（PMIPv6）
代理移动IPv6协议（PMIPv6）旨在优化移动节点在移动过程中的网络开销，它不需要移动节点参与移动性管理[6]。PMIPv6协议引入了移动接入网关（MAG）和本地移动锚点（LMA）两个功能实体，为移动节点提供基于网络的区域性移动性支持。MAG代表所有附着在其上的移动节点向本地移动锚点发送绑定更新，而跨MAG的移动节点的移动性则由LMA管理，其网络结构如图3所示。
（3）HIP协议
为了增强对移动性的支持，解决IP地址既被用作主机标识，又被用于提供路由信息的困境，IETF为网络层IP协议关联了新的HIP子层，该子层介于IP层之上，传输控制协议/数据报协议（TCP/UDP）层之下，在和上层的通信过程中可替代IP地址的作用，而IP地址则可专注于路由寻址[7]。HIP协议的使用能够在主机间提供快速的身份交换，一旦两个主机间完成身份交换，则建立起一对安全连接，大幅提高数据交互的安全性。此外，由于IP地址的主机标识与位置标识功能实现了分离，多家乡、IP地址动态分配以及不同网络区域之间的互访问题均得到较好的支持。
1.2 轻量级IP协议适配
移动应用的快速普及，尤其是移动互联网向物联网的延伸和拓展使得大量移动终端设备需要通过IP数据通道与网络和应用进行信息交互。未来的移动互联网不仅仅需要支持人与人的通信，还需要支持人与机器、机器与机器之间的通信需求。然而，移动终端普遍计算能力受限，并且不同类型的终端所具备的计算能力参差不齐，它们对IP协议栈的支持程度各不相同，现有的终端设备往往都对IP协议栈进行了不同方式的剪裁，这就给不同类型的终端设备互联互通带来了困难，亟需统一的轻量级协议来规范设备间的互通问题。
轻量级IP协议描述的是传输控制协议/网间协议（TCP/IP）簇的轻量级实现，其标准主要在IETF完成，然后在IPSO、ZigBee、ISA等标准组织中应用。目前，轻量级IP技术协议需要解决3个层面的问题。首先是协议栈方面，IPv6协议如何适配到移动互联网接入终端的链路层和物理层，其次是路由问题，如何针对轻量级IPv6节点设计路由协议，最后是应用层问题，即如何设计一个能在能力受限节点上运行的应用层协议，承载各种不同的业务。IETF的4个工作组共同承担了上述任务：
（1）LWIG工作组
该工作组目标是收集在受限设备中IP协议栈实现经验，以输出一份描述降低复杂性、内存占用以及耗电量的轻量级IP协议实现技术相关的指导文档。
（2）CoRE工作组
受限IP网络上的数据包大小有限，且容易出现高丢包率，网络中的移动设备会在任何时间点关机，也会在短暂的时间内定期“苏醒”。这种严重受限于吞吐量、可用功率以及节点的有限内存的网络被称为“受限网络”。CoRE[8]正是致力于为受限IP网络上运行面向资源的应用提供统一的框架。作为构建应用程序的框架的一部分，CoRE定义了一个受限应用协议——轻量级应用层协议（CoAP），用以操作设备中的资源。
（3）6LowPan工作组
该工作组的任务在于定义如何利用IEEE 802.15.4链路支持基于IP的通信，同时遵守开放标准以及保证与其他IP设备的互操作性。目前，IETF 6loWPAN[9]工作组正计划将IEEE 802.15.4完善为支持IP通信连接，使其成为一类真正开放的标准，最终完全实现与其他IP设备之间的互操作。
（4）ROLL工作组
该工作组的目标是使得公共的、可互操作的第三层路由能够穿越任何数量的基本链路层协议和物理媒体。为了满足低功耗松散网络中的路由机制的需求，在路由需求、链路选择定量指标等工作的基础上，ROLL[10]工作组研究制订了低功耗有损网络路由协议（RPL）协议。这个协议提供了一种新的路由机制，这种机制支持低功耗松散网络中的内部设备和中心控制节点之间的多点到点的通信，同时也支持中心控制节点和低功耗松散网络中的内部设备之间的点到多点的通信。
1.3 异构网络的多接口接入
网络技术的发展为用户提供了多种不同的无线接入方式，包括以太网、通用分组无线业务（GPRS）网络、3G网络、LTE网络、Wi-Fi以及WiMax等。而芯片技术的进步使得一个移动终端同时具备多种无线网络的接入能力成为现实，具备这种多网络接入能力的终端即多接口终端，例如内置了无线网卡、以太网卡以及3G数据卡槽的笔记本电脑，具备连接多种制式移动网络及支持Wi-Fi连接功能的智能手机。在需要获得多种网络特性支持的移动应用场景下，终端多连接能够为不同的应用所产生的数据包寻求最适合的网络，也可以在离开某个服务网络的覆盖区域时，通过其他接入方式继续保持网络连接，实现永远“IP在线”。
异构网络的多接口接入，需要消除多种网络接入方式带来的潜在冲突，利用多个接口的传输能力、可接入性、安全性等能力实现接口信息及控制流的融合，对上层应用屏蔽多接口带来的操作复杂性，将终端的多接口特性转换为综合优势。目前，多个国际标准化组织在地址选择机制、流重定向、负载均衡以及带宽聚合等方面开展了部分研究。
IETF提出了多接口主机和多家乡主机的概念[11]。使用不同的接口同时连接到不同类型的接入网络，每个接口对应一个连接，这样的主机称为多接口主机。IETF主要关注于多接口主机中多个接口的使用问题。而拥有多个IP地址的节点被IETF定义为多家乡节点，这些节点可以同时使用多个IP地址，并且每个IP地址对应一个连接。3GPP将PDN连接定义为由IPv4或IPv6地址表示的UE和有APN表示的PDN之间的关联[12]。在3GPP的体系架构中，基于PMIP和基于GTP的接口上支持多个PDN连接，3GPP分别定义了不同组合场景的多PDN连接问题。
目前，关于多接口连接的研究集中在以下方面：
（1）地址选择
对拥有多个地址的多家乡节点而言，在建立通信连接是需要根据用户喜好、出口过滤、链路特征、接口类型等指定合适的地址选择策略。
（2）负载均衡/流分配
在有多个接入点时，选择负载较小的连接进行流传输，或者根据流与端口的映射规则选择合适的流传输接口。
（3）聚合带宽
将连接到不同链路或网络的多个接口所提供的带宽进行合并，为应用提供更多的带宽。
2 移动互联网对通信网络
带来的影响及其技术特征
移动智能终端的迅速普及以及微博、微信、移动QQ、移动视频等OTT业务的流行，对移动通信网络基础设施的服务能力以及传统的以运营商为主导的商业模式带来了巨大的冲击。首先，“永远在线”和“快速休眠”的移动互联网应用模式造成了信令流量对网络控制的巨大冲击，“信令风暴”的风险严重威胁着网络的正常运转；其次，大量用户同时在线的移动互联网应用吞噬了大量的无线资源，对网络服务质量造成了不小的冲击，而话音通话所必需的无线带宽被占用的情况越来越普遍；再次，移动运营商占主导地位的传统利益分配格局在移动互联网时代被打破，数据流量的增长并没有提升运营商的数据业务盈利能力，相反“剪刀差”效应愈加明显，而移动终端制造商和互联网企业则凭借强大的创新能力和资源整合能力，在移动互联网的产业链中占尽先机。移动互联网的繁荣，一方面对传统的通信网络带来了挑战，另一方面在客观上也促进了通信网的基础设施和网络体系架构的演进升级以及商业应用模式的创新。
2.1 移动互联网应用对网络资源的
抢占
虽然移动通信和互联网在各自领域都取得了巨大的成功，但是他们在终端形态、网络架构、应用类型和用户行为等方面都存在很大差异性。当以数据通信为基础的移动互联网业务承载在主要为语音业务设计的移动通信网上时，对网络的资源效率、容量和信令等都产生了巨大的冲击。
移动互联网的主流业务类型和特征与传统的互联网存在着很大的不同，网页浏览，流媒体以及社交网络服务（SNS）类业务是当前的主要业务类型。用户喜好通过文字、语音甚至视频进行实时通信，而网络访问行为因此更加频繁和短暂。这些应用每次所产生的数据量并不大，数据流在时间分布上呈现出一定的周期性和突发性，通常把这类应用所对应的业务定义为小包业务，SNS、IM、VoIP是其主要业务形式。小包业务发送的信息具有总流量少、IP数据包少、数据传输持续时间短、交互频繁的特点。这就导致了无线连接状态频繁迁移（RRC状态从IDLE/PCH迁移至FACH/DCH），网络连接频繁建立和释放（Service Request和IU Release），对网络设备（RAN和PS）造成了巨大的信令冲击。
造成“信令风暴”的另一个原因在于移动终端需要“永远在线”，但是为了节电，终端厂家普遍采用了“快速休眠”机制，一旦屏幕关闭，终端则会在3～5 s内强行拆除终端与基站之间建立的无线数据链路。这就导致了在一个业务过程中，移动智能终端会不断地进行“休眠-激活”，在业务激活失败的情况下，移动终端会持续尝试激活。而激活失败多数情况是由终端配置错误、没有业务签约或者话费不足等非网络故障原因造成的。重复激活信令在网络中大量长期存在将对网络产生各种无谓的信令负担。
此外，大量的推送类移动应用带来的寻呼信令也是造成网络信令压力的重要原因。寻呼是在一个较大的区域内完成的，由于涉及到数十个甚至上百个基站，这些寻呼信令给无线网络带来了严重的负担。
“信令风暴”本质上是有限的无线资源与应用程序之间的大量信令交互之间的矛盾。因此，需要智能终端厂商、网络设备厂商和网络运营商多方协作，共同解决这一难题。智能终端厂商应该从芯片、智能终端操作系统级别提供对“网络友好”的信令协议的支持，尽量减少不必要的信令开销。移动应用开发者在开发程序时需要优化合理的“心跳机制”，减少频繁的“心跳”。网络设备商应该提高网络设备的信令面容量，增强设备的稳定性，并且通过软硬件升级降低信令负载。而网络运营商，则需要对网络运行状态和网络容量进行评估及预测，根据移动互联网的话务模型调整网络规划和运营策略。
从技术层面来分析，信令风暴问题需要从移动终端、无线接入网、核心网多个层面来协同解决。针对移动互联网应用大量采用心跳机制以维持和服务器之间的连接，以及快速休眠特性对网络带来巨大信令负担这一状况，可以通过PCH状态控制及快速休眠（Fast Dormancy）机制来减少大量的RRC接入信令。使用Fast Dormancy机制后，RNC在接收到移动终端发送的SCRI信令后，不必释放RRC连接，只需将移动终端的状态驻留在CELL_FACH/PCH态，从而最大限度减少RRC信令。此外，为了提升CELL_FACH状态下数据传输的效率，3GPP R7和R8提出了增强型公共信道（HS_FACH/HS_RACH以及CELL_FACH_DRX）。基于此种技术，移动互联网应用所产生的大量小数据包能够在CELL_FACH上传输，移动终端无需在RRC态和下行链路空闲（IDLE）态之间切换，节省了由于状态切换引入的信令资源浪费。
对于重复激活信令现象，移动终端厂商应该规范终端行为，对网络下发的拒绝原因做出合理的处理。而3GPP R10引入的T3446定时器可以作为退避计时器（Backoff Timer），进一步规范网络对终端的控制策略，一旦探测到终端的重复激活行为，网络侧可以启动Backoff Timer定时器控制移动终端的等待时间。在现网尚不支持3GPP R10的情况下，核心网可以通过构造虚假激活避免大量重复激活信令对网络造成的冲击。
通过引入智能寻呼，缩小寻呼范围以及空口寻呼量。在UMTS网络中，寻呼信令对无线接入网络（RAN）造成了严重的负荷。若用户处于IDLE/URA_PCH状态之下，寻呼信令会下发到整个LA/RA/URA区中的所有用户。为此，在UMTS网络中需要引入分级寻呼机制，根据用户的移动规律，先在用户经常活动的小区范围内寻呼，寻呼失败再在整个LA/RA/URA区内进行寻呼。
LTE提供了更有效的智能寻呼解决方案，能够根据移动终端的移动性选择不同范围的寻呼控制，对于低速移动的移动终端，启用单一基站（eNodeB）寻呼，而对于移动性较高的终端，则可以进行基于跟踪区（TA）或者跟踪区列表（TA List）的寻呼控制，以此达到寻呼开销与寻呼效率之间的平衡。
2.2 推进网络体系架构向LTE演进
和升级
LTE以正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）无线接入技术为基础，采用扁平化的全IP架构，相对于2G/3G网络，LTE能够为移动互联网提供更强大的业务支撑能力。其技术优势体现在：
（1）OFDM、MIMO技术的使用能够大大提升频谱效率，为用户提供更高的无线接入速率。在4×4 MIMO及64QAM的条件下，其上行速率可达170 Mb/s，下行速率高达300 Mb/s，分别为3GPP R8 HSPA的8～9倍和3～4倍。具有高速率、高频谱利用率、高吞吐率特点的LTE网络完全能够承载移动电视高清视频类移动互联网应用。
（2）LTE支持对称及非对称的带宽分配策略，运营商能够灵活设置载频。视频电话、UGC等对上行带宽有较高要求的移动应用能够从中获益。
（3）更短的网络时延，控制平面的时延不超过100 ms，而用户平面单向时延不到5ms。交互式应用，尤其是互动类网络游戏能够获得与有线网络相当的高质量用户体验。
（4）LTE各基站之间建立的X2接口支持高速移动条件下的无缝切换。上述特性保证了LTE网络对移动互联网业务具有更强的适配性。
目前，3GPP组织在其LTE计划中提出了演进的分组系统（EPS）系统，以构建一个简单通用，能够集成现有业务和应用的网络系统，为用户提供丰富、高质、无缝业务体验及灵活可靠的业务体验，为运营商提供可管、可控的运营能力[13-14]。EPS系统架构包括演进的分组核心网（EPC）和演进的通用移动通信系统陆地无线接入网（E-UTRAN），如图4所示。
在接入网E-UTRAN一侧，eNodeB节点包含了UMTS网络中NodeB节点的所有功能，并部分集成了RNC的功能，网络结构更趋扁平化。由于信令处理流程大幅简化，呼叫建立时延及数据传输时延缩短，提升了移动互联网应用的用户体验。此外，由于eNodeB节点之间通过X2接口相连，并且采用IP技术传输，终端设备在移动过程中能够保持无缝切换，从而有效提升业务的移动性。eNodeB节点与EPC中的多个移动性管理实体（MME）和信令网关（S-GW）通过S1-MME和S1-U接口建立连接，这样终端在移动过程中能够始终与驻留在相同的MME/S-GW上，由此减少了接口间的信令交互。
EPC是LTE的核心网，在EPC中网络控制平面与用户数据平面分离，同时其用户平面更趋向与扁平化，能够应对网络流量的迅速增长。EPC系统采用全IP化的传输技术，移动终端即使在不同的接入技术之间进行切换也能保持业务的连续性。在EPC系统中，移动终端一旦接入系统，便会被分配一个IP地址以建立默认承载，该承载在移动终端接入网络的整个过程永久存在，通过这种方式用户在任何时刻均IP可达，移动应用能够真正实现“永久在线”。S-GW和公用数据网网关（P-GW）是用户平面的主要网关设备，而信令处理功能则从3G网络中的服务通用分组无线业务支持节点（SGSN）节点分离出来，单独构成一个新的功能实体MME，这种控制平面与用户平面相分离的结构使得MME只需要负责用户及会话管理的相关控制，如NAS信令、移动性管理、切换控制、核心网节点选择，而S-GW则专注于用户数据传输与路由切换。
2.3 异构接入网络的融合
多种移动网络趋向融合是移动互联网发展的必然要求，EPC架构既支持3GPP标准的UMTS、LTE接入方式，同时也支持CDMA、WLAN、WiMax等非3GPP标准的接入能力，能够实现对2G/3G/LTE/WLAN等异构网络的融合。构建融合分组域是提供数据业务的关键，为此可以分阶段实施融合。前期可以采用独立建设方案，后期随着用户及业务量的增长，完成对不同分组域的融合。在实施融合的过程中，可以优先完成2G/3G与EPC的融合，后续实施无线局域网（WLAN）等非3GPP标准与蜂窝网间的融合，提升WLAN业务访问体验，分流运营商自有数据业务和提供更高的接入带宽，最终实现2G/3G/LTE/WLAN的共核心网建设。
3 结束语
移动智能终端的快速普及，使得移动互联网正以更加神奇的速度渗透进人们生活的方方面面。作为移动应用的基础承载网络，移动互联网对传统的IP网络在移动性管理、轻量级IP协议适配、异构网络多接口接入等方面提出了一系列新的要求。而基于移动智能终端的应用在继承传统互联网开放创新特性的同时，也产生了不同于传统互联网应用和话音业务的话务模型，这对按照长连接/峰值吞吐量设计的移动通信网体系结构提出了严峻的挑战。
以IPv6为基础的移动性管理方案对移动互联网的可用性、效率和可扩展性具有重要价值。而随着移动互联网向纵深的发展，未来的移动互联网会出现更多能力受限的终端节点存在IP通信的需求，为存在能力差异的终端节点设计规范的轻量级IP协议是保证移动互联网与物联网逐步融合的基础要求。网络技术的发展为用户提供了多种可供选择的无线接入方式，通过多接口实现异构网络技术的融合，能够为移动应用提供更多的带宽资源和更可靠的网络传输保障。
小包比例、短连接以及信令/流量比显著增加是移动互联网话务模型的典型特点，这给移动通信网络造成了严重的威胁，并影响着网络进一步的流量承载和长期盈利能力。对于“信令风暴”给网络带来的巨大冲击，需要终端厂商、设备商、网络运营商共同努力，从设备，网络两个方面协同解决。而LTE作为第四代移动通信网络的主要标准，采用全IP、扁平化的体系架构，并且支持2G/3G/LTE/WLAN等异构网络的融合，能够为移动互联网提供强大的业务支撑。
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作者：田野 王文东
聚合服务移动网络论文 篇3：
EPS服务质量决策机制研究
摘 要：目前，移动网络运营商具备提供多样化移动通信服务的能力。在此背景下，要改进LTE网络服务质量决策机制，提高移动通信的服务质量，优化用户体验。本文概述了服务驱动下的PCC决策运行机制，通过研究EPS服务质量控制模块间的交互机制，重点分析PCRF和DPI的交互能力。同时，研究PCRF与无线资源调度器的交互，分析出PCRF与无线资源调度器的间接交互机制是影响QoS控制时延的重要原因。
关键词：LTE;服务质量;PCC规则;EPS承载
Study on Service Quality Decision Mechanism in LTE/EPC Networks
WU Yuhui ZHU Shutao
（Anshun University，Anshun Guizhou 561000）
近年来，LTE（Long Term Evolution）凭借高吞吐率、低延时、高服务质量等优点，得到多数移动网络运营商的青睐。为保障移动数据传输质量，3GPP LTE标准使用策略与计费子系统（Policy and Charging Control，PCC）感知应用层业务。PCC使用PCRF（The Policy and Charging Rules Function）作为执行引擎，负责QoS（Quality of Service）策略控制。目前，多数移动网络运营商都在网络中部署了对用户业务数据进行监控、收集和分析的工具，如深度包检测工具（Deep Packet Inspector，DPI）。然而，这些工具与PCC的关系以及它们之间的协同关系有待更深入的研究[1]。
在移动通信技术的演进中，LTE无线接入由EUTRAN实现，非接入方面由EPC（Evolved Packet Core）实现。EPS（Evolved Packet System）由Evolved-UTRAN和EPC构成，使用EPS承载将IP数据包从PDN网关（P-GW）傳输到UE[2]。PCEF（Policy and Charging Enforcement Function）、EUTRAN根据PCRF QoS参数对EPS承载实现服务质量控制。因此，创建、释放EPS承载，保障业务数据的传输质量，需要EUTRAN和EPC协同工作。
过去，相关研究主要集中于研究PCC体系结构以及如何演进PCC以支持LTE。黄韬等人描述了EPS承载控制[3];Loureiro P等描述了如何使用PCC管理IP流的移动性[4];Gómez G等人描述了基于会话的端到端策略控制[5];Jpastor J描述了LTE网络中PCC的业务保障能力和机制[6]。本文将研究通过加强策略控制来提高LTE的服务质量，详细分析PCRF与DPI、无线资源调度器的交互，并通过PCC的一个应用场景来研究应用级数据流QoS参数要求如何转换成传输网络级承载的QoS参数要求。
1 PCC及其体系结构
PCC模块完成网关控制和QoS控制。PCRF做出网关控制决策，由PCEF执行该决策，完成网关控制;PCEF根据PCRF为PCEF提供授权的QoS参数，创建相应的EPS承载，执行PCRF的QoS决策，完成QoS控制。PCC的逻辑结构如图1所示[7]。
SPR用于存储签约用户使用网络资源的策略。SPR能给出授权用户、授权用户的类别、授权用户各种授权业务的QoS参数等。PCRF可将SPR提供的信息作为生成策略控制和计费决策的基础。
AF代表了通过Rx接口与PCRF通信的网络模块。AF模块将从业务信令中提取到的业务相关的动态信息提供给PCRF。在IMS网络中，AF可以是P-CSCF平台的AF模块;在非IMS网络中，AF可以是视频流服务器。
2 服务质量控制模块间的交互
2.1 PCRF与DPI的交互
深度包检测模块（Deep Packet Inspector，DPI）部署在P-GW和S-GW之间，支持检测、收集和分析同时在线的上百万用户的数据连接。移动网络运营商可通过DPI识别用户的不同业务。DPI实时检测业务数据流，为PCC执行QoS策略实现如下功能提供了基础。
一是流量高峰时期，为了提供更好的QoS管理，控制消耗宽带过高的用户数量，聚合传输流量。例如，为了始终保障VoIP业务的QoS，当检测到拥塞时，限制每个用户的P2P或者非实时性业务。二是提供差异化服务，为不同的业务流提供不同的服务优先级。当发生拥塞时，为优先级更高的业务提供更好的服务。
部署DPI可以为QoS控制带来便利，人们应考虑如下几点：网络拥堵时，被少数用户占用的多数资源将重新分配给其他用户，从而提高整体用户的体验，但需考虑服务的公平性;在不影响服务质量的前提下，应实现网络运行吞吐率最大限度地接近系统的最大值，从而降低运营商扩充网络容量的成本，提高网络的效率;应实现实时优化，通过实时更改网络QoS参数，提高多数用户的网络服务质量。
依据3GPP对LTE PCC体系结构的描述，直到3GPP Rel11版本，人们才能对DPI功能进行标准化。Rel11引入了业务流检测（Traffic Detection Function，TDF）概念。下面将讨论Rel8、Rel9、Rel10中DPI和PCRF的交互以及Rel11中PCRF与TDF的交互。
2.1.1 Rel8、Rel9、Rel10中PCRF和DPI的交互。PCRF作为决策点（Policy Decision Point，PDP），根据接收、关联到的来自Rx、Sp、Gxx、Gx、Sd接口的信息进行决策。PCRF决策被传送到决策执行点（Policy Enforcement Points，PEPs）。DPI决策执行点，检测流量，执行策略，管理大量的业务流。在3GPP中使用Gx接口（Simple Object Access Protocol interface或者API）對PCRF和DPI进行了标准化的整合。图2展示了Rel8、Rel9、Rel10中PCC的体系结构[8-9]。
Gx和Gxx是用户面实体之间的标准接口。Gxx接口部署在PCRF与BBERF之间，用于提供、更新和删除QoS规则，传输PCRF与BBERF之间的事件消息;Gx参考点部署在PCRF和PCEF之间，用于为PCEF提供PCC规则，传输PCRF和PCEF之间的事件消息;Gx接口以键值对的形式为相关业务提供策略控制参数。DPI以键值对形式通过Gx接口给PCRF报送QoS主要参数。
3GPP Rel8、Rel9、Rel10中PCRF和DPI的交互流程如图3[8]所示。
用户通过一个活动的会话发送或者接收业务数据流;DPI执行实时流监控，检测到业务数据流;DPI决定是否触发重配IP-CAN会话，并给PCRF发送重配IP-CAN会话请求标志，如果PCEF存在限制或终止传输资源的PCC规则，P-GW（PCEF）将PCC规则报告给PCRF;PCRF可能需要给AF发送传输资源相关的事件报告，然后，AF确认事件报告并将PCRF请求的信息发给PCRF;PCRF做出决策;PCRF给PCEF回复重配IP-CAN会话的请求，P-GW（PCEF）执行PCRF的决定，DPI（PCEF）存储PCC规则以备后用;P-GW加载PCC规则并绑定承载，通过修改现有承载参数，以确保此业务能获得恰当的服务质量。
2.1.2 Rel11 PCRF和DPI的交互。从3GPP Rel11开始，通过TDF来感知业务、执行业务检测。PCRF通过Sd接口与TDF交互，实现如下功能：动态建立或者删除TDF和PCEF之间的TDF会话;TDF执行业务检测，执行PCRF提供的控制策略;TDF向PCRF报告检测到的业务信息。
TDF为检测到的业务执行网关、重定向和带宽限制等策略，但不能给PCRF报送修改承载、更改策略或者网关的事件。在PCRF动态制定决策时，需要为PCEF或者TDF设置相关门限值。达到这一门限值时，PCEF或者TDF将给PCRF报告累计使用情况。在执行基于整个网络实时运行情况的控制策略时，PCRF需要检测每个IP-CAN会话或者用户面使用的资源。TDF实现业务流检测的操作如图4所示[9]。
用户发起一个业务数据流;TDF检测到用户发起的新业务，并将该服务相关的信息报送给PCRF;PCRF可能向SPR要用户签约相关的信息;PCRF使用收集到的业务信息、服务商预先定制的服务策略、用户签约等信息，生成PCC规则;PCRF将PCC规则发送给PCEF执行;P-GW加载PCC规则并绑定承载，通过修改现有承载，以确保此业务能获得恰当的服务质量;之前的步骤可能引发新建承载或者修改承载等流程;PCEF检测业务数据流。
2.2 PCRF与无线资源调度器的交互
在LTE系统中，eNodeB在端到端的QoS保障和策略执行中扮演着非常关键的角色。eNodeB负责上、下行速率控制和无线资源调度。eNodeB无线资源调度算法的执行效率是决定网络服务质量和影响系统整体网络性能的关键因素。有大量的研究试图通过PCC来提高无线资源调度的效率[10]。
目前，3GPP体系不支持PCRF与eNodeB直接通信。PCRF与eNodeB交互需要通过非直接的通信来实现。某些情况下，无线资源调度器能从一些标准的流程中（如IP-CAN会话初始或者修改流程）收到某些QoS信息。当前，LTE协议不支持无线资源调度器给PCRF进行反馈（如触发修改会话等）。
如果在每个eNodeB上部署一个包括PCEF的相关功能模块（如DPI模块），可实现PCRF与eNodeB直接通信。这种直接通信方式对提高无线资源的使用效率效果明显。显然，这种方案将需要巨大的新投资。为了提高无线资源的使用效率，有研究提出了通过优化操作策略的解决方案，在这种情形下，为了决策，人们需要一个中心数据库来获得无线网络信息[11]。
PCRF和eNodeB之間的相互，其作用有两方面：eNodeB在拥塞发生前可能会促使PCRF为了更好地调整承载的结构，而更改承载的参数，如果eNodeB检测到某个GBR服务的服务质量急剧降低，那么调度器就应向PCRF要求提高相关的GBR参数;网络不拥塞的情况下，在某些特定情景，无线调度器可能要求PCRF提高某些承载的QCI优先级。
上述两种情况都要求eNodeB和EPC有紧密的交互，但是这种交互在目前的LTE体系中是不支持的。因此，只有EPC承载重配流程中PCRF、PCEF、P-GW、eNodeB之间能够快速交互才能够适应多样化的小区信号状况。这样的快速交互有两个好处：一是通过实时的反馈机制能够更好地实现QoS的目标，例如，改变eNodeB和EPC业务流的优先级;二是通过某些合适的机制，eNodeB可以评估用户体验，如果用户体验不满足要求，可以对承载进行适当的修改。PCRF为eNodeB提供QoS信息的标准流程如图5所示[11]。
PCRF策略控制器决定需要处理的业务数据，为其生成PCC规则，并将该规则发送到P-GW;P-GW根据接到的PCC规则新建承载或者修改已有承载，并通过UL/DL包过滤器（DPI/TDF）识别不同的业务数据流，然后承载的级别要求等信息（包括QoS信息）将被进一步转发到E-UTRAN、UE终端;E-UTRAN使用接收到的QoS信息完成相关功能。
当eNodeB接收到来自P-GW的QoS信息，将执行如下QoS相关的功能：对业务用户面数据按照QCI参数进行处理;对业务控制面数据按照ARP参数进行处理;确保服务按照指定的最大比特率发送数据，并确保网络不过载;参考QCI等参数值，为空口的无线承载分配无线资源（每个QCI值代表一组QoS特性）;为确保满足无线承载QoS特性（PDB和PELR要求），L1/L2需要修改差错控制协议、调制、编码和链路层重传等配置，使其与承载的QoS特性相一致。
根据3GPP协议，下面举例对上述流程进行分析，即在具备PCC能力的网络上通过SIP协议发起VoIP业务。首先，AF模块处理业务信令，并通过获取的QoS参数发起会话;然后，PCRF利用AF发起的会话信息、运营商预先制定的服务策略、客户信息等相关数据生成PCC规则，这个PCC规则包含用于用户过滤器的信息，也包含QoS授权、QCI1传输速率（QIC1 GBR和MBR的值代表了端到端承载传输VoIP业务数据的比特率，GBR传输速率的大小与具体的应用层的承载类型有关）;生成PCC规则后，PCRF将触发，为VoIP业务建立QCI1专有承载的流程。
PCRF做出的这个决策（PCC规则）将由PCRF发送给部署在P-WG上的PCEF。然而，发送到PCEF的QoS参数是针对IP承载（EPS承载）而言的。因此，在PCRF将PCC规则发送给PCEF之前，需要将AF模块提供的端到端承载的比特率转换为EPC承载的比特率。这个转换过程需要考虑协议栈中从应用层到IP层转变的影响。例如，假设VoIP业务的应用层AMR传输率是12.2kb/s，这个转换将可以加上RTP/UDP/IP包头（RTP：12 Bytes，UDP：8 Bytes，IPv4：20 Bytes），假设VoIP包大小平均是60 Bytes，由于业务层端到端的比特率是12.2kb/s，因此EPS承载的比特传输率应该是20.3kb/s。PCRF需要使用协议模型将业务层端到端的比特率转换为EPS承载的比特率。
完成第一步转换之后，PCC规则就将从PCRF传送到PCEF。PCEF加载该PCC规则并使用该PCC规则指定的GBR和MBR比特率为该VoIP业务创建EPS承载。在建立新专有承载或者修改承载参数时，还需将QoS信息（QCI、modifed GBR、MBR values和ARP）从PCEF传送到eNodeB。
由于eNodeB与UE终端之间是由无线承载传输数据包，所以需要将EPS承载的QoS需求转换为无线承载的QoS需求发送给eNodeB和UE终端。这第二步的转换在PCEF模块中执行。但是，这部分内容在3GPP协议中没有规定。转换不同类型承载的GBR和MBR比特率需要考虑封装数据包使用的协议情况。由于EPS承载是针对IP层而言的，所以在将EPS承载转换为无线承载时要考虑IP协议之下的协议（PDCP，RLC，MAC）的影响，这种转换处理还需要考虑QCI1的无线协议配置（PDCP的头压缩、RLC的验证模式等）。总之，在转换时需要对数据包使用的协议栈进行逐层分析。关于3GPP协议标准，建议业务数据包转换为底层数据包的延时不大于20ms[12]。
3 结语
本文对LTE PCC体系的能力进行了分析，从不同场景分析了PCC的体系结构，重点分析了如下两点。一是PCRF与DPI的交互：R8、R9和R10中DPI通过请求-应答机制与PCRF交互，达到了PCRF策略控制的目的。从R11起引入了TDF，允许TDF给PCRF传输用户面应用相关的信息。因此，网络能够感知服务和定制业务服务策略，提高了用户的体验。二是PCRF与无线资源调度器的交互：3GPP协议不支持PCRF与无线资源调度器的直接交互。为实现对空口资源的调度控制，PCRF可以通过IP-CAN的初始化、会话重配信令流程与无线资源调度器间接地交换协商的QoS信息。此外，为了提供优质的业务服务，不同的网元需要不同的QoS参数，不同承载类型的QoS参数需要进行转换。所以，PCRF与无线资源调度器的间接交互时延较长。
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作者：吴育辉 朱书涛