移动互联网发展对无线网络的影响及对策

移动互联网对无线网络的影响

    移动互联网的爆发式增长在意料之中，也在意料之外。在3G发展之初，运营商普遍希望能有“杀手级应用”推动3G业务的发展。希望通过刺激需求而推动3G业务的发展，尤其是分组业务的应用。

    但是运营商却并没有真正为移动互联网的大发展做好准备，移动互联网真正开始爆发式增长时，却又让运营商恐惧，甚至出现灾难性后果。比如新西兰电信在2009年末到2010年初的3个月时间里，出现了4次由于业务过载而导致的网络瘫痪现象。

    目前由于终端配套以及商用网络较少等原因，LTE网络还较少，因此我们主要分析移动互联网对3G网络的影响，主要是对频谱资源需求、回程传输、移动网络设备和网络架构的影响。

频谱资源需求

    虽然目前3GPP在不断提升单小区的容量和吞吐率，但还远远满足不了移动互联网增长的需求。因此运营商普遍希望采用多载波技术提升移动网络的容量。但频谱是稀缺资源，购买频谱资源是一笔巨额开销。因此频谱资源丰富的运营商将会有一定优势，能够比其他运营商提供给用户更好的服务。

回程传输

    从基站到无线网络控制器的回程传输一直以来都是非常昂贵的资源，尤其在欧美国家。移动互联网爆发式增长使得运营商必须大幅提升回程传输的带宽。早期2G时代，也许2M的回程带宽已经足够，而现在及将来可能需要100M甚至1G的回程才能满足需求。

    随着竞争的加剧，运营商不断降低与用户签约的流量比特价格，而其成本却在增加。运营商普遍抱怨目前的移动互联网“增量不增收”，很大一部分原因就是回程传输成本的提升。

移动网络设备

    随着处理器技术的发展以及内存技术的提升，目前移动网络里的各个网元的处理能力都大幅提升。但是就目前来看依然无法满足移动互联网爆发式增长带来的冲击，新西兰电信网络瘫痪就是典型案例。巨大的数据流量使得移动网络中的网络设备处于高负荷状态，极易出现过载。

    最近很多运营商非常关注的信令风暴问题也是一个典型现象。图1是不同终端移动互联网流量统计和预测，我们看到由智能手机带来的增幅显著。


    由于业务模型的差异，智能手机产生同样流量的情况下，其信令量约为数据卡用户的40倍。大量的智能手机普及，使得无线网络信令量爆发式增长，对无线网络的信令处理能力提出了挑战。据了解，大量运营商的控制面负荷高于用户面负荷，也就是信令处理压力大于分组数据业务的处理压力。

   这些都体现出移动互联网业务的发展给网络设备处理能力带来了巨大的压力。

移动网络架构

    移动互联网的快速增长困扰着运营商，仅通过3G技术的演进很难满足业务发展的需求，运营商要另辟蹊径。也就是说运营商要对整个网络架构进行调整，引入其他技术。目前讨论较多的Small Cell就是一个有效的办法。在现有网络中引入微蜂窝网络，从而将流量从宏蜂窝网络中分流，降低宏蜂窝网络的压力。还有其他一些技术可以一定程度分流移动互联网的流量，将在下一个章节讨论。

应对挑战

    移动运营商如何应对移动互联网的爆发式增长？我们认为主要从两个方面演进来解决当前的困境。

    首先，要让移动网络更为智能，针对不同业务采取不同的策略，提供差异化的QoS服务；另外，网络架构演进，以提供更好的网络质量，提供给用户更好的业务体验，降低网络负荷。

智能化移动网络演进方向

    ●   引入DPI（Deep Packet Inspection），业务QoS差异化

    移动互联网中的业务类型很多，但并不是每一种业务对QoS都敏感，比如后台推送业务对时延不敏感，而在线视频通话则对时延很敏感。当网络资源在业务之间竞争时，为了保证用户体验，应优先保证高价值业务的QoS。比如Web业务的优先级必然高于P2P（Peer to Peer）下载业务。

    但是目前的移动网络还无法实现上述功能，尤其在无线侧。移动网络中主要的带宽瓶颈在无线网络，而无线侧目前仅作为传输管道，无法识别应用业务的类型，也就无法针对不同业务提供差异化的资源及QoS保证。

    通过在移动网络中（核心网或无线侧）引入DPI后，DPI可以通过解析用户报文而分析出用户使用的业务，从而实现针对不同业务提供差异化的QoS和资源分配。

    另外，引入DPI后，移动网络可以根据实际的应用业务采取不同的状态迁移策略，可以提高用户的业务体验，也可以提高无线资源的利用率。

    引入DPI技术可以针对不同业务提供差异化的QoS，从而更为合理地分配紧张的无线网络资源。

    ●   引入层次化Cache功能

    在一些特定场所，如咖啡馆、会场、商务写字楼等区域，多个用户会同时访问同样的媒体，比如社交网络或热点新闻。同样的数据要在无线网络中传输多次，占用较多的传输资源。而且每次访问这些数据都要从远端服务器上获取数据，使得所有用户的时延都较大，业务体验较差。

    在移动网络中引入Cache功能实体，将热点数据缓存在移动网络内部。当用户访问这些数据时由Cache功能实体将数据推送给用户，可以降低业务时延，提高用户体验。

    另外，为了降低对回程传输以及核心网的传输资源占用，可以让Cache功能实体实现层次化部署。在核心网引入一个大型的Cache设备，在无线网络控制器引入中型的Cache设备，而在基站引入小型的Cache设备。基站Cache实体仅缓存最热门的少量数据，而控制器Cache实体则缓存中等数量的数据，仅核心网的Cache实体缓存最大量的热门数据。

网络架构演进

    ●   业务向网络边缘节点延伸

    3G移动网络上下行速率是不对称的，比如下行最大速率可能为42Mbps，而上行可能仅5.76Mbps。目前随着社交网络的发展，很多用户随时随地分享照片或者视频到社交网站中。这种应用主要是上行传输，而上行带宽较低，使得传输较慢。

    运营商可以和社交网站合作，由社交网站开发小型程序并分层次地发布在移动网络的基站、控制器和核心网。这些程序实现上载代理，当用户向社交网络发布视频或照片时，这些文件到达基站后即反馈给手机，表征上载已经完成。但实际上此时这些文件还仅保存在基站中，基站内的软件再根据网络负荷逐步上载到真正的社交网络服务器。

    该方案可以降低用户发布文件的时延，提升用户的业务体验。而且可以优化对传输资源的分配，社交网络代理软件可以在传输资源有空闲的时候将文件发布到社交网络服务器。

    ●   层次化分流

    如前文所述，随着移动互联网的爆发式增长，移动网络中的网元设备负荷越来越高，固然可以通过扩容以及提升设备能力解决，但是这受限于成本和技术。

    通过在基站及控制器中实现分流（offload），可以将部分移动互联网业务流量旁路到控制器或者核心网，减少对这些网络设备的资源消耗，降低其负荷。基站或者控制器可以使部分移动互联网流量直接进入互联网，而无需流经核心网，从而降低核心网或控制器的负荷。

    本质上说，基站的分流也就意味着基站必须实现扁平化，将控制器的大部分功能下移到基站。但传统意义上的扁平化仅实现将控制器的功能下移到基站，移动互联网流量依然从核心网进入互联网。该网络架构并没有降低移动网络的流量压力，尤其对核心网。因此只有基站扁平化并结合分流才能为核心网减压。

    基于目前的网络架构，基站分流会带来移动性问题，当用户移动到其他基站时将发生一次掉话，因此基站分流不适合手机用户，但是对大部分不移动的数据卡用户是有效的。可以针对部分区域市场开展，或者通过用户识别，仅针对数据卡激活基站分流。

    也可以在移动网络中引入集中的移动性管理网元解决基站分流的问题，从而实现在基站间的移动性。采用该策略，则将3G网络向类LTE网络演进，其网络架构和LTE网络架构极其相似。该移动性管理网元扮演类似LTE的MME功能实体。

    从长远来看，移动互联网还将高速发展，无论是流量还是用户数都将增速极快。目前智能手机的渗透率只有30%左右，这个比例会随着智能手机的发展不断提高，最终实现所有手机智能化，功能型手机将彻底退出市场。在这个过程中，移动互联网的流量将一直保持高速增长。另外，随着物联网的发展，大量的物联网设备将接入网络，这意味着移动网络的用户数也将保持高速增长。

    面对如此快速发展的移动互联网业务，运营商和设备供应商都面临着严峻的挑战，如何满足业务发展的需求需要双方共同研究和探索。