数据卸载功能帮大忙　Femtocell缓解3G网络负荷

Femtocell已成为补强3G网络覆盖率的重要利器。过往电信业者依赖扩增基地台或骨干网络频宽来改善3G讯号覆盖率的作法，不仅成效不彰且成本昂贵；反观Femtocell布建成本则相对较低，且其数据卸载功能，更可进一步提升3G网络使用体验。

近年来传统语音服务的成长幅度已远不如数据服务，目前3G核心网络(Core Network, CN)上频宽负荷已由新兴的数据服务主导，包括3G(或3.5G/3.75G)数据卡(Data Card)的盛行，以及智能型手机、平板装置的流行，在在显示出数据传输的重要性。

由于过往电信业者依赖增建基地台或骨干网络(Backhaul)频宽的改善方式，不仅推动不易且成本昂贵，亦无法满足数据量快速成长的需求，甚至成为3G网络负载的瓶颈；因此，毫微微型蜂巢基地台(Femtocell)或称为家用基地台(HNB)的概念遂被提出，用以辅助3G网络的数据传输覆盖率。 

分散3G核心网络负荷　Femtocell导入数据卸载功能　

数据量爆增对3G核心网络的负担确实是一大困扰，为此，近来快速发展的Femtocell便提出数据卸载(IP Offload)功能，目的是让上行(UL)或下行(DL)传输可不经3G核心网络，而是导向另一个出入口，以减轻主要后端网络的负担。 

数据卸载包含两种技术，分别为本地IP存取(Local IP Access, LIPA)及选择IP流量卸载(Selected IP Traffic Offload, SIPTO)。特别是LIPA技术的出现，使手机能透过HNB存取连上如打印机、网络附加储存(NAS)、多媒体服务器等，而3GPP目前对3G的LIPA结构与规格亦已大致底定(图1)。 

图1支持LIPA的网络结构图

为实现LIPA功能，HNB除原有的Iuh接口外，另新增Gn与Gi接口，两款新接口在通用行动通讯系统(UMTS)网络里各有定位，如Gn系基于IP的接口，连接着整体封包无线电服务支持节点(Serving GPRS Support Node, SGSN)与GPRS网关支持节点(GGSN)；Gi则是连接GGSN与公众因特网的接口。在概念上，要支持LIPA需在Femtocell内实作出本地GGSN的功能，3GPP将其称为本地网关器(Local-Gateway, L-GW)(图2)。 

图2具备LIPA功能的HNB示意图

LIPA搭建手机与HNB沟通桥梁　 

LIPA运作流程如图3所示，首先为手机发起RRC Connection建立，再经HNB检查该手机是否有权限存取资源，若通过检查，HNB就会向HNB-GW发起手机注册流程。接着手机藉由RRC Initial Direct Transfer讯息携带GMM Service Request传给HNB，并由HNB向SGSN发送RANAP Initial UE Message讯息，若该HNB支持LIPA功能，则需在RANAP Initial UE Message讯息里面携带L-GW的IP地址。 

图3 LIPA运作流程示意图

与此同时，LIPA运作也须执行手机和SGSN之间执行认证与加密的流程。当手机藉由RRC Uplink Direct Transfer传送GMM Activate PDP Context Request时，若手机想建立LIPA联机，即需在GMM Activate PDP Context Request里携带与LIPA相关的APN(Access Point Name)；当HNB收到讯息后，向SGSN发送RANAP Direct Transfer讯息，若HNB支持LIPA功能，则需在RANAP Direct Transfer讯息里携带L-GW的IP地址。 

至于SGSN收到GMM Activate PDP Context Request后，若用户具有使用LIPA功能的权限，且手机要求的存取点(APN)为LIPA，SGSN将根据无线存取网络应用部分(Radio Access Network Application Part, RANAP)讯息提供的L-GW IP地址，向L-GW发出GTP Create PDP Context Request。如此一来，L-GW即可根据SGSN要求，建立PDP Context，同时在HNB直接建立一个内部通道，让手机的数据封包可直接从L-GW的Gi接口送出，不须再传送至核心网络。 

不过，这也意味着手机、HNB与SGSN之间须建立无线承载(Radio Bearer)与无线存取承载(Radio Access Bearer, RAB)用来传送接收使用者数据，方可在SGSN向手机传送GMM Activate PDP Context Accept，手机收到此讯息后完成LIPA联机，让使用者可开始透过HNB存取内部网络资源。 

透过上述流程说明，可归纳出支持LIPA所需元素包含L-GW，用以支持GGSN的功能；RANAP第十版协议，协助在Initial UE Message与Direct Transfer讯息中携带L-GW IP地址；以及SGSN，根据LIPA APN与L-GW IP地址，选择L-GW做为GGSN。 

3GPP第十一版规范催生LIPA行动支持　 

在3GPP第十版规范中，LIPA并不支持行动应用，亦即当Handout到其它HNB时，LIPA联机就会中断。对于一般家庭，局域网络的范围与HNB服务范围相当，因此当手机Handout时，表示使用者已离开局域网络范围；但对于大型企业而言，单一HNB无法涵盖整个企业，须藉多个HNB相互交迭，从而让手机从企业内HNB换手(Handover)到另一个HNB时，所处的局域网络仍然有效。 

碍于3GPP第十版规范中的LIPA并不支持行动功能，使手机与局域网络的联机须中断重连。针对此一问题，目前3GPP第十一版规范正在制订一个新结构，如图4所示，L-GW从HNB内部组件移出来，变成一个独立的单一节点，HNB群组共享一个L-GW，在此一HNB群组内支持行动LIPA。惟详细流程尚在研拟中，须待标准底定方能明朗。 

图4支持行动LIPA网络结构图

至于另一项对纾解3G网络负载颇有帮助的技术为RAB Modification，其指在数据传输时，Femtocell可依据新的服务质量(QoS)参数设定，调整数据的传输速率，达到更有效率运用资源区块RB(Resource Block, RB)的目的。 

弹性调整QoS参数　RAB Modification加分效率 

RAB Modification功能是提供通用地面无线接取网络(UTRAN)重新根据新的QoS参数来设定RAB，使无线接口(Radio Interface)更有效率的运用RB资源，而3G Femtocell可视为无线网络控制器(RNC)与基地台部分功能的结合，使其可同步支持RAB Modification功能。 

有关QoS参数的设定，就会让人联想到PS Domain的PDP Context的相关程序；在3G UMTS的协议中NAS层的议程管理(Session Management, SM)模块负责PDP Context的Activation、Modification及Deactivation等相关程序的执行，其中QoS参数在客户端(UE)及核心网络之间的协调是主要执行部分，PDP Context Modification程序则是在用户端正常连通(User Plane)情形下，更改QoS参数的程序。 

其中，包括客户端、GGSN、SGSN或RNC均可发起Modification程序，而在本文所讨论的3G Femtocell的RAB Modification的定位属于RNC所发起的Modification程序，亦即由Femtocell(HNB)发起。当Femtocell侦测到与客户端之间的无线环境改变时，例如对PS Domain而言，在数据下行传输阶段时，Femtocell的下行准备存储区(Buffer)通常处于满载状态，代表客户端的下行速率不够快，因而触发Femtocell发起RAB Modification，改变QoS参数设定用以提升传输速率。 

此外，客户端增加也将迫使Femtocell发动RAB Modification，调整QoS参数以降低下行速率。一般所调整的QoS参数，在此处以最大传输率(Maximum Bit Rate)及保证传输率(Guaranteed Bit Rate)为主要调整对象，此两项参数均将影响传输速率的快慢。