LTE网络端到端业务提速关键技术研究

李洪峰，王志会，赫 罡（中国联通网络技术研究院，北京100048）

0 前言

3G网络的普及为移动互联网的快速发展提供了可靠的保障，而4G网络的兴起更是为其进一步发展提供了助推器，网上购物、在线视频等在移动端的份额越来越大，传统行业、互联网企业等纷纷加入移动互联网行业，竞争日益激烈，如何从中脱颖而出是每个企业都需要思考的问题。

一些数据提供商，如谷歌、百度，已经意识到低时延是其用户的一个关键需求，他们相信如果要提供满意的用户体验，网页响应时延应在0.25 s的范围内；手淘和支付宝等阿里业务大多数据量较小、交互时间短，要求网络响应时间快，虽然流量总量很小，但比特价值很高，是业务保障的关键所在。据Radward统计，页面平均加载时间从6 s缩短到1.2 s，可以增加12%的收入和25%的页面浏览；时延每提升100 ms，可以增加2.3%的流量以及1%的收入。由此可知，业务响应时间对用户体验起到了十分重要的作用。

虽然LTE网络大大提升了移动网络的带宽，进一步扩大了网络容量和规模，缓解了智能终端用户对数据流量日益增长的需求，但随着移动互联网用户的不断增长，移动数据访问需求迅猛增加，移动宽带网络中容量受限、S1接口压力过大、传输受限等运营问题逐渐显现，使得移动业务响应时延增大。如何降低时延、实现业务提速、提高用户体验是当前急需解决的问题。

1 现状分析

端到端访问流程是移动终端与内容服务器的交互过程，终端用户从无线接入网络到达核心网，再通过防火墙接入到应用内容提供商在公网侧架设的服务器，建立网络连接，进而完成数据的上传和下载。由于公网资源有限，每个移动终端用户并不一定能够无障碍地访问和下载他所需要的内容，加上4G网络本身网络负荷的原因，在某些热点区域，用户的网络使用严重受限，用户体验下降。移动运营商虽然可以通过扩容等方式解决移动网络容量的问题，但对公网带宽和内容服务器处理能力等却无能为力，无法实现对端到端的整个流程业务的保障，进而影响网络质量和用户上网体验。

如图1所示，根据网络传输的结构，可以将端到端的访问流程划分成3个部分，依次为无线接入侧、核心网和Internet。产生的时延包括控制面时延、空口时延、传输及核心网时延、互联网时延等几个部分，而信令控制面较难对具体业务进行优化，且本身时延较小，因此时延优化重点在承载面。

图1 端到端网络传输架构

信息传输如同邮政系统，距离越长，中转单元越多，所消耗的时间也会越长，想要缩短时延，进行业务提速，一般有2种方式——改良传输过程或者缩短传输距离，前者是减少每个环节消耗的时间，后者则是减少中间环节。而移动互联网业务提速的方法也是如此，主要有网络保障和内容前置2种方式。

网络保障通过提升用户优先级，使用户优先享有网络资源，通过核心网侧选取优先级较高的QoS参数，建立专有承载，使业务在网络资源紧张时优先被无线侧调度，保证业务时延维持在较低水平。然而QoS网络保障并不会改变业务访问流程，虽然可以防止时延增加，但在网络资源空闲时，不能实现业务提速的效果。

内容前置是在网络中靠近用户的位置放置内容源（可以直接缓存Cache也可以通过调度得到），内容源对移动数据流进行暂时存储，包括HTML网页、图片和视频等，降低网络响应时延和服务器负荷，提高网络效率，提供更好的用户体验。内容源距离用户越近，业务提速的效果就越明显。

在互联网侧，为了解决传输时延长的问题，通常是内容提供商就近架设服务器，或者利用内容分发网络（CDN）将内容调度到本地节点，CDN由分布在网络边缘的应用服务器群组成，通过应用层的内容智能路由，靠近用户，自动保证用户实现就近访问，很多互联网企业如阿里、腾讯等均有自建的CDN，其发展已经相对成熟。由于其分布在运营商网络之外，运营商不能够对其进行统一管理。

Layer 2业务加速是在PGW后增加Cache网元进行业务提速，如图2所示。Cache网元可以将热点内容存储在缓存设备中，用户再次访问时，可以直接从Cache网元中读取内容，从而将核心网到服务器的时延省去，消除了互联网侧的不确定延迟，较大程度减少了业务响应时间。不过由于Cache一般容量有限，只能对部分业务进行缓存加速，欠缺灵活性。还有一种方案是将CDN节点从IDC机房下沉到核心网机房，这种方法也可以缩短内容源与核心网的距离，但这种方法涉及大规模网络改造，因此并未被推广使用。

图2 核心网侧业务提速架构图

在业务访问中，主要的瓶颈在无线侧的时延和互联网传输时延，虽然上述2种方法可以减少互联网传输时延，但并不能解决无线侧存在的问题，因此业务提速效果有限，如果想要进一步对业务提速，需要内容源距离用户更近一步。

2 基站业务提速

无线调度压力大的问题一直以来困扰着运营商，在忙时由于流量激增，网络负荷增大，导致业务响应时间变长，时延增加。经统计发现，在用户访问的业务数据中很大一部分是重复性较高的热点内容，如热点新闻、视频等，它们吸引用户重复大量访问，造成在很短时间内流量达到峰值，S1-U接口对相同资源的反复传输，造成了无线侧不必要的带宽浪费。

2.1 基站业务提速解决方案

为了解决这一问题，提出LTE网络边缘部署内容源的解决方案，即将内容服务器安置在基站侧，其网络结构如图3所示，这种方案基于现有网络架构，结合私有云的概念在基站侧增加云存储和处理器，将移动数据内容从远端备份到接入端，最大程度地靠近用户，并可以基于当前条件、订阅者位置和需求进行内容分发。用户发出业务请求后，基站缓存模块直接与CDN服务器进行交互，节约移动回传的传输时延，减少对传输带宽和公网带宽的依赖，提高了网络速度和用户体验。

图3 无线侧业务加速方案架构

方案中CDN服务器也可以用缓存服务器代替，通过私有云的概念对缓存服务器进行管理，但CDN服务器拥有成熟完善的内容调度技术，并且CDN对大量资源均是合法调度，因此不需要担心内容版权的问题。此外，基站业务加速平台还可以引入云计算的概念，进行DNS缓存、重编码等操作，实时对无线网络负荷情况进行分析，提高调度效率，具有很广泛的应用前景。

2.2 应用场景

基站业务提速平台可以对热点资源进行本地存储，提供最好的用户体验和最大的网络带宽，还可以对特定内容进行加速，根据不同用户的需求提供个性化服务。

2.2.1 增强现实内容分发

增强现实（AR）是以虚拟现实技术为基础，通过屏幕显示将虚拟世界与现实世界相嵌套的新兴技术。目前已经开发了很多基于智能手机、平板电脑的增强现实应用，可以利用手机摄像头通过图像识别等方法，下载相关信息，呈现出虚拟世界的效果。增强现实方案架构如图4所示。

图4 增强现实方案架构

由于增强现实需要通过网络进行数据下载，且所需数据量较大，采用原来的访问方式会有明显的迟滞感，而基站业务提速的方案可以在基站处安装的服务器上进行本地AR内容缓存，以及提供本地对象跟踪。该解决方案可以实现AR内容往返访问时延最小化和吞吐量最大化，可以将相关信息，如旅游信息、广告等，通过AR的方式呈现给消费者。

2.2.2 大型活动全新体验

在大型赛事、演唱会等场所，大量观众同时访问网络容易造成网络拥挤，上网速度慢，用户体验大大降低，基站业务提速技术可以通过数据挖掘等方式，将观众经常访问的内容调度到基站侧，缓解S1-U接口的压力，改善用户体验。此外，运营商还可以通过与赛事转播方等合作，提取现场多角度摄像头的实时数据，传送到基站数据处理模块，用户通过手机等终端设备进行观看，享受到全方位视觉体验。

2.2.3 精准位置服务

基站业务提速技术在基站获取到用户的位置，并能够根据位置分布，提供智能导航，信息植入、消息提醒等功能。

2.2.4 无线流量监控

基站数据处理模块可以实时监控基站的负荷情况，通过云计算对包括空口在内的网络资源得以有效利用，避免单个基站负荷过大。

2.3 关键技术挑战

基站业务提速可以最大程度拉近与用户的距离，使用CDN可以动态实现，解决了网络资源的问题。但也存在着本身的不足，因为服务器安装在基站侧，覆盖范围有限，需要对每个基站都进行升级改造，通过云管理平台对各基站进行统一管理。并且在进行网络部署时应结合实际网络，例如由于中国联通的IP-RAN采用的是私有地址网络，没有与城域网等（公有地址）直接连通，将CDN服务器放到基站需要对网络做很多改造，可以将CDN服务器放到核心网前端（S1-U接口附近），RACS模块依然安放在基站，通过IP路由与CDN本地服务器相连接，从而降低工程量。

另外，由于基站业务提速省去了与SAE-GW、BSS等网元的交互，无法进行常规计费，目前主要是按照后向计费或者在核心网后流量同步计费的方式进行，未来规模化使用如何进行计费以及安全保障都是需要进一步思考的问题。

3 端到端业务提速策略建议

前面对端到端业务提速的主要方式进行了介绍，基站业务提速技术能够直接从网络的边缘对内容、服务和应用进行加速，提供最佳的网络时延和最大的网络带宽，同时还可以实现很多个性化的服务，符合未来网络虚拟化和扁平化发展的要求。但越靠近用户，网络节点就越分散，管理难度增大，这与运营商希望可以统筹运营的初衷相违背，然而越来越多的互联网企业利用CDN对资源进行调度，网络碎片化、分散化的趋势不可避免，运营商需要顺势而为，充分考虑市场需求，合理地开展业务加速。有针对性地对高比特价值的特殊场景进行加速，与网络保障、核心网加速相结合以多级联合加速的方式缩短时延。

4 结束语

端到端业务提速对移动互联网有着十分重要的作用，越来越受到OTT企业、运营商和设备厂商的重视，基站CDN业务提速方案可以在LTE网络边缘对内容、服务和应用等加速，缩短响应时间，改善用户体验，还可以提供开放接口给第三方，开展个性化业务，形成独特的价值和创业收入。运营商可以利用网络优势在业务提速方面与互联网企业开展合作，与应用服务提供商共同创建一个新的价值链和生态系统，创造新的营收点，让更多的用户受益。

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