LTE網(wǎng)絡(luò)端到端業(yè)務(wù)提速關(guān)鍵技術(shù)研究

李洪峰，王志會，赫 罡（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048）

0 前言

3G網(wǎng)絡(luò)的普及為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展提供了可靠的保障，而4G網(wǎng)絡(luò)的興起更是為其進(jìn)一步發(fā)展提供了助推器，網(wǎng)上購物、在線視頻等在移動(dòng)端的份額越來越大，傳統(tǒng)行業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)等紛紛加入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，競爭日益激烈，如何從中脫穎而出是每個(gè)企業(yè)都需要思考的問題。

一些數(shù)據(jù)提供商，如谷歌、百度，已經(jīng)意識到低時(shí)延是其用戶的一個(gè)關(guān)鍵需求，他們相信如果要提供滿意的用戶體驗(yàn)，網(wǎng)頁響應(yīng)時(shí)延應(yīng)在0.25 s的范圍內(nèi)；手淘和支付寶等阿里業(yè)務(wù)大多數(shù)據(jù)量較小、交互時(shí)間短，要求網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間快，雖然流量總量很小，但比特價(jià)值很高，是業(yè)務(wù)保障的關(guān)鍵所在。據(jù)Radward統(tǒng)計(jì)，頁面平均加載時(shí)間從6 s縮短到1.2 s，可以增加12%的收入和25%的頁面瀏覽；時(shí)延每提升100 ms，可以增加2.3%的流量以及1%的收入。由此可知，業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)間對用戶體驗(yàn)起到了十分重要的作用。

雖然LTE網(wǎng)絡(luò)大大提升了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的帶寬，進(jìn)一步擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)容量和規(guī)模，緩解了智能終端用戶對數(shù)據(jù)流量日益增長的需求，但隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶的不斷增長，移動(dòng)數(shù)據(jù)訪問需求迅猛增加，移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)中容量受限、S1接口壓力過大、傳輸受限等運(yùn)營問題逐漸顯現(xiàn)，使得移動(dòng)業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)延增大。如何降低時(shí)延、實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)提速、提高用戶體驗(yàn)是當(dāng)前急需解決的問題。

1 現(xiàn)狀分析

端到端訪問流程是移動(dòng)終端與內(nèi)容服務(wù)器的交互過程，終端用戶從無線接入網(wǎng)絡(luò)到達(dá)核心網(wǎng)，再通過防火墻接入到應(yīng)用內(nèi)容提供商在公網(wǎng)側(cè)架設(shè)的服務(wù)器，建立網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)的上傳和下載。由于公網(wǎng)資源有限，每個(gè)移動(dòng)終端用戶并不一定能夠無障礙地訪問和下載他所需要的內(nèi)容，加上4G網(wǎng)絡(luò)本身網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的原因，在某些熱點(diǎn)區(qū)域，用戶的網(wǎng)絡(luò)使用嚴(yán)重受限，用戶體驗(yàn)下降。移動(dòng)運(yùn)營商雖然可以通過擴(kuò)容等方式解決移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)容量的問題，但對公網(wǎng)帶寬和內(nèi)容服務(wù)器處理能力等卻無能為力，無法實(shí)現(xiàn)對端到端的整個(gè)流程業(yè)務(wù)的保障，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶上網(wǎng)體驗(yàn)。

如圖1所示，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)，可以將端到端的訪問流程劃分成3個(gè)部分，依次為無線接入側(cè)、核心網(wǎng)和Internet。產(chǎn)生的時(shí)延包括控制面時(shí)延、空口時(shí)延、傳輸及核心網(wǎng)時(shí)延、互聯(lián)網(wǎng)時(shí)延等幾個(gè)部分，而信令控制面較難對具體業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，且本身時(shí)延較小，因此時(shí)延優(yōu)化重點(diǎn)在承載面。

圖1 端到端網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)

信息傳輸如同郵政系統(tǒng)，距離越長，中轉(zhuǎn)單元越多，所消耗的時(shí)間也會越長，想要縮短時(shí)延，進(jìn)行業(yè)務(wù)提速，一般有2種方式——改良傳輸過程或者縮短傳輸距離，前者是減少每個(gè)環(huán)節(jié)消耗的時(shí)間，后者則是減少中間環(huán)節(jié)。而移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提速的方法也是如此，主要有網(wǎng)絡(luò)保障和內(nèi)容前置2種方式。

網(wǎng)絡(luò)保障通過提升用戶優(yōu)先級，使用戶優(yōu)先享有網(wǎng)絡(luò)資源，通過核心網(wǎng)側(cè)選取優(yōu)先級較高的QoS參數(shù)，建立專有承載，使業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)資源緊張時(shí)優(yōu)先被無線側(cè)調(diào)度，保證業(yè)務(wù)時(shí)延維持在較低水平。然而QoS網(wǎng)絡(luò)保障并不會改變業(yè)務(wù)訪問流程，雖然可以防止時(shí)延增加，但在網(wǎng)絡(luò)資源空閑時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)提速的效果。

內(nèi)容前置是在網(wǎng)絡(luò)中靠近用戶的位置放置內(nèi)容源（可以直接緩存Cache也可以通過調(diào)度得到），內(nèi)容源對移動(dòng)數(shù)據(jù)流進(jìn)行暫時(shí)存儲，包括HTML網(wǎng)頁、圖片和視頻等，降低網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)延和服務(wù)器負(fù)荷，提高網(wǎng)絡(luò)效率，提供更好的用戶體驗(yàn)。內(nèi)容源距離用戶越近，業(yè)務(wù)提速的效果就越明顯。

在互聯(lián)網(wǎng)側(cè)，為了解決傳輸時(shí)延長的問題，通常是內(nèi)容提供商就近架設(shè)服務(wù)器，或者利用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）將內(nèi)容調(diào)度到本地節(jié)點(diǎn)，CDN由分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣的應(yīng)用服務(wù)器群組成，通過應(yīng)用層的內(nèi)容智能路由，靠近用戶，自動(dòng)保證用戶實(shí)現(xiàn)就近訪問，很多互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)如阿里、騰訊等均有自建的CDN，其發(fā)展已經(jīng)相對成熟。由于其分布在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)之外，運(yùn)營商不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行統(tǒng)一管理。

Layer 2業(yè)務(wù)加速是在PGW后增加Cache網(wǎng)元進(jìn)行業(yè)務(wù)提速，如圖2所示。Cache網(wǎng)元可以將熱點(diǎn)內(nèi)容存儲在緩存設(shè)備中，用戶再次訪問時(shí)，可以直接從Cache網(wǎng)元中讀取內(nèi)容，從而將核心網(wǎng)到服務(wù)器的時(shí)延省去，消除了互聯(lián)網(wǎng)側(cè)的不確定延遲，較大程度減少了業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)間。不過由于Cache一般容量有限，只能對部分業(yè)務(wù)進(jìn)行緩存加速，欠缺靈活性。還有一種方案是將CDN節(jié)點(diǎn)從IDC機(jī)房下沉到核心網(wǎng)機(jī)房，這種方法也可以縮短內(nèi)容源與核心網(wǎng)的距離，但這種方法涉及大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)改造，因此并未被推廣使用。

圖2 核心網(wǎng)側(cè)業(yè)務(wù)提速架構(gòu)圖

在業(yè)務(wù)訪問中，主要的瓶頸在無線側(cè)的時(shí)延和互聯(lián)網(wǎng)傳輸時(shí)延，雖然上述2種方法可以減少互聯(lián)網(wǎng)傳輸時(shí)延，但并不能解決無線側(cè)存在的問題，因此業(yè)務(wù)提速效果有限，如果想要進(jìn)一步對業(yè)務(wù)提速，需要內(nèi)容源距離用戶更近一步。

2 基站業(yè)務(wù)提速

無線調(diào)度壓力大的問題一直以來困擾著運(yùn)營商，在忙時(shí)由于流量激增，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增大，導(dǎo)致業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)間變長，時(shí)延增加。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在用戶訪問的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中很大一部分是重復(fù)性較高的熱點(diǎn)內(nèi)容，如熱點(diǎn)新聞、視頻等，它們吸引用戶重復(fù)大量訪問，造成在很短時(shí)間內(nèi)流量達(dá)到峰值，S1-U接口對相同資源的反復(fù)傳輸，造成了無線側(cè)不必要的帶寬浪費(fèi)。

2.1 基站業(yè)務(wù)提速解決方案

為了解決這一問題，提出LTE網(wǎng)絡(luò)邊緣部署內(nèi)容源的解決方案，即將內(nèi)容服務(wù)器安置在基站側(cè)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，這種方案基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，結(jié)合私有云的概念在基站側(cè)增加云存儲和處理器，將移動(dòng)數(shù)據(jù)內(nèi)容從遠(yuǎn)端備份到接入端，最大程度地靠近用戶，并可以基于當(dāng)前條件、訂閱者位置和需求進(jìn)行內(nèi)容分發(fā)。用戶發(fā)出業(yè)務(wù)請求后，基站緩存模塊直接與CDN服務(wù)器進(jìn)行交互，節(jié)約移動(dòng)回傳的傳輸時(shí)延，減少對傳輸帶寬和公網(wǎng)帶寬的依賴，提高了網(wǎng)絡(luò)速度和用戶體驗(yàn)。

圖3 無線側(cè)業(yè)務(wù)加速方案架構(gòu)

方案中CDN服務(wù)器也可以用緩存服務(wù)器代替，通過私有云的概念對緩存服務(wù)器進(jìn)行管理，但CDN服務(wù)器擁有成熟完善的內(nèi)容調(diào)度技術(shù)，并且CDN對大量資源均是合法調(diào)度，因此不需要擔(dān)心內(nèi)容版權(quán)的問題。此外，基站業(yè)務(wù)加速平臺還可以引入云計(jì)算的概念，進(jìn)行DNS緩存、重編碼等操作，實(shí)時(shí)對無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況進(jìn)行分析，提高調(diào)度效率，具有很廣泛的應(yīng)用前景。

2.2 應(yīng)用場景

基站業(yè)務(wù)提速平臺可以對熱點(diǎn)資源進(jìn)行本地存儲，提供最好的用戶體驗(yàn)和最大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，還可以對特定內(nèi)容進(jìn)行加速，根據(jù)不同用戶的需求提供個(gè)性化服務(wù)。

2.2.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)內(nèi)容分發(fā)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過屏幕顯示將虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界相嵌套的新興技術(shù)。目前已經(jīng)開發(fā)了很多基于智能手機(jī)、平板電腦的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，可以利用手機(jī)攝像頭通過圖像識別等方法，下載相關(guān)信息，呈現(xiàn)出虛擬世界的效果。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方案架構(gòu)如圖4所示。

圖4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方案架構(gòu)

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，且所需數(shù)據(jù)量較大，采用原來的訪問方式會有明顯的遲滯感，而基站業(yè)務(wù)提速的方案可以在基站處安裝的服務(wù)器上進(jìn)行本地AR內(nèi)容緩存，以及提供本地對象跟蹤。該解決方案可以實(shí)現(xiàn)AR內(nèi)容往返訪問時(shí)延最小化和吞吐量最大化，可以將相關(guān)信息，如旅游信息、廣告等，通過AR的方式呈現(xiàn)給消費(fèi)者。

2.2.2 大型活動(dòng)全新體驗(yàn)

在大型賽事、演唱會等場所，大量觀眾同時(shí)訪問網(wǎng)絡(luò)容易造成網(wǎng)絡(luò)擁擠，上網(wǎng)速度慢，用戶體驗(yàn)大大降低，基站業(yè)務(wù)提速技術(shù)可以通過數(shù)據(jù)挖掘等方式，將觀眾經(jīng)常訪問的內(nèi)容調(diào)度到基站側(cè)，緩解S1-U接口的壓力，改善用戶體驗(yàn)。此外，運(yùn)營商還可以通過與賽事轉(zhuǎn)播方等合作，提取現(xiàn)場多角度攝像頭的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，傳送到基站數(shù)據(jù)處理模塊，用戶通過手機(jī)等終端設(shè)備進(jìn)行觀看，享受到全方位視覺體驗(yàn)。

2.2.3 精準(zhǔn)位置服務(wù)

基站業(yè)務(wù)提速技術(shù)在基站獲取到用戶的位置，并能夠根據(jù)位置分布，提供智能導(dǎo)航，信息植入、消息提醒等功能。

2.2.4 無線流量監(jiān)控

基站數(shù)據(jù)處理模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)控基站的負(fù)荷情況，通過云計(jì)算對包括空口在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)資源得以有效利用，避免單個(gè)基站負(fù)荷過大。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

基站業(yè)務(wù)提速可以最大程度拉近與用戶的距離，使用CDN可以動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)，解決了網(wǎng)絡(luò)資源的問題。但也存在著本身的不足，因?yàn)榉?wù)器安裝在基站側(cè)，覆蓋范圍有限，需要對每個(gè)基站都進(jìn)行升級改造，通過云管理平臺對各基站進(jìn)行統(tǒng)一管理。并且在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)，例如由于中國聯(lián)通的IP-RAN采用的是私有地址網(wǎng)絡(luò)，沒有與城域網(wǎng)等（公有地址）直接連通，將CDN服務(wù)器放到基站需要對網(wǎng)絡(luò)做很多改造，可以將CDN服務(wù)器放到核心網(wǎng)前端（S1-U接口附近），RACS模塊依然安放在基站，通過IP路由與CDN本地服務(wù)器相連接，從而降低工程量。

另外，由于基站業(yè)務(wù)提速省去了與SAE-GW、BSS等網(wǎng)元的交互，無法進(jìn)行常規(guī)計(jì)費(fèi)，目前主要是按照后向計(jì)費(fèi)或者在核心網(wǎng)后流量同步計(jì)費(fèi)的方式進(jìn)行，未來規(guī)?；褂萌绾芜M(jìn)行計(jì)費(fèi)以及安全保障都是需要進(jìn)一步思考的問題。

3 端到端業(yè)務(wù)提速策略建議

前面對端到端業(yè)務(wù)提速的主要方式進(jìn)行了介紹，基站業(yè)務(wù)提速技術(shù)能夠直接從網(wǎng)絡(luò)的邊緣對內(nèi)容、服務(wù)和應(yīng)用進(jìn)行加速，提供最佳的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和最大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)很多個(gè)性化的服務(wù)，符合未來網(wǎng)絡(luò)虛擬化和扁平化發(fā)展的要求。但越靠近用戶，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就越分散，管理難度增大，這與運(yùn)營商希望可以統(tǒng)籌運(yùn)營的初衷相違背，然而越來越多的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)利用CDN對資源進(jìn)行調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)碎片化、分散化的趨勢不可避免，運(yùn)營商需要順勢而為，充分考慮市場需求，合理地開展業(yè)務(wù)加速。有針對性地對高比特價(jià)值的特殊場景進(jìn)行加速，與網(wǎng)絡(luò)保障、核心網(wǎng)加速相結(jié)合以多級聯(lián)合加速的方式縮短時(shí)延。

4 結(jié)束語

端到端業(yè)務(wù)提速對移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)有著十分重要的作用，越來越受到OTT企業(yè)、運(yùn)營商和設(shè)備廠商的重視，基站CDN業(yè)務(wù)提速方案可以在LTE網(wǎng)絡(luò)邊緣對內(nèi)容、服務(wù)和應(yīng)用等加速，縮短響應(yīng)時(shí)間，改善用戶體驗(yàn)，還可以提供開放接口給第三方，開展個(gè)性化業(yè)務(wù)，形成獨(dú)特的價(jià)值和創(chuàng)業(yè)收入。運(yùn)營商可以利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢在業(yè)務(wù)提速方面與互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)開展合作，與應(yīng)用服務(wù)提供商共同創(chuàng)建一個(gè)新的價(jià)值鏈和生態(tài)系統(tǒng)，創(chuàng)造新的營收點(diǎn)，讓更多的用戶受益。

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