接入网络发现与选择技术的研究

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摘要：主要针对一种基于3GPP标准的ANDSF网络选择技术进行深入研究，并探讨了ANDSF和PCRF联动的建设思路，这不仅为网络分流提供了一种有效方法，还将用户差异化服务融合进来，大大提升了用户感知。

关键词：接入网络，ANDSF，PCRF

1  引言

随着蜂窝网络的持续升级、WLAN热点的广泛部署，移动互联网用户数量迅速增长。根据Analysys International(2012年4月)报告，2011年底中国有4.31亿移动互联网用户，比2010年的2.88亿增长49.7%。随着价格的下降，移动网络流量使用到2017年有望增长20倍。网络接入方式的不断丰富，使用户可以根据需要灵活地选择2G、3G、4G、WLAN接入。

近年来移动网络流量一直保持稳步快速的增长，如图1所示。

其中，2011年二季度数据业务对比2010年二季度增长了一倍，2011年数据业务已占全部业务流量的60%～70%。一方面，数据业务所产生的流量增长快速，造成2G网络负荷过重，用户满意度快速降低；另一方面，3G网络室外高频信号穿透力不够，大量低价值数据流量耗尽了GERAN(GSM/EDGE无线接入网)的资源，影响具有高价值的语音业务。

为了合理利用现有网络资源、提升用户体验，选择合适的接入网显得尤为重要。智能手机、笔记本电脑等无线终端的普及和发展，使更多的终端拥有同时接入多个接入网的能力，而如何让用户在合适的时间、地点选择最合适的接入网，以便获得最优的网络体验是运营商急需关注的问题。ANDSF(Access Network Discovery and Selection Function，接入网发现和选择功能)技术弥补了2G、TD、LTE、WLAN等网络间的网络选择缺陷，将单卡多连接方案中的“手机终端主导资源选择”进一步优化为“网络侧指导手机终端选择最优资源”。



图1  移动网络流量增长情况

2  ANDSF

ANDSF是3GPP组织提出的一个选网策略单元，目的是将各种无线网络融合到一起为用户提供无缝服务。在R8阶段实现支持非3GPP接入方式连接EPC(Evolved Packet Core，移动核心网演进)核心网的方案；在R9阶段实现ISMP(Inter System Mobility Policy，系统间移动策略)帮助用户设备选择最优接入网络；在R10阶段实现ISRP(Inter System Routing Policy，系统间路由策略)帮助用户设备配置IFOM、MAPCON等方式指导流量分发。
ANDSF辅助终端进行接入网发现和选择，基于运营商策略，ANDSF提供给终端的信息类型可分为以下三类：
(1)系统间移动策略(ISMP)：根据接入技术、网络ID等提供指导；
(2)接入网发现信息：提供终端附近的接入网列表，包括接入技术、频率和有效条件(如位置信息等)；
(3)系统间路由策略(ISRP)：针对终端分组流量路由的per-flow或per-APN策略。

2.1  系统间移动策略
系统间路由策略信息是由按照运营商规则定义的一组或多组规则组成。每个接入点依据每组规则的优先级，将具有最高优先级的规则标记为“active”状态。为防止处于“active”状态的规则失效，终端需要定期重新评估ANDSF策略。当更新后的策略中存在优先级更高的规则时，尽管正在使用的规则仍处于“active”状态，终端依然会选择更优网络，因此终端始终会根据优先级的高低进行网络选择。
ANDSF向用户提供的详细策略信息包括规则优先级、优先接入网络信息、有效区域信息、漫游信息、PLMN代码以及TOD。
(1)规则优先级是为了确定潜在的可接入网络，避免因网络故障而导致策略失效，以及出现更优网络时，提供更好的用户体验；(2)优先接入网络信息包括接入技术(3GPP、WLAN、WiMAX)、Access ID(如WLAN的SSID、WiMAX的NAP-ID)、Secondary Access ID(仅连接WLAN时使用的HESSID)、接入网络优先级，优先接入网络信息是每组规则为终端推荐的接入网络名称；(3)有效区域信息包括RAT(1X/HRPD)、SSID(SID/NID)和地理位置，是对推荐接入网络的位置描述；(4)漫游信息定义了终端漫游时，该规则是否可用；(5)PLMN代码是推荐接入网络所属的运营商；(6)TOD是推荐规则的时间限制，包括开始时间、结束时间、开始日期、结束日期。
2.2  接入网发现信息ANDSF向终端发送的接入网发现信息主要有接入网络类型、接入网络区域和PLMN。接入网络类型明确了该接入网络是3GPP、WLAN或WiMAX；接入网络区域信息包括3GPP、3GPP2、WiMAX、WLAN、位置信息等，ANDSF根据用户所在位置与接入网络类型，向终端发送接入网发现信息。
2.3  系统间路由策略系统间路由策略由一组或多组规则组成，每组规则包括流量信息、服务信息、流量卸载、漫游、PLMN、策略更新等信息，定义了流量如何分发。每个接入点依据每组规则的漫游、PLMN、规则优先级等信息选择一组，同时将该组规则标记为“active”状态。当终端漫游时，来自Visited
ANDSF(终端用户访问的PLMN)的下发规则优先级高于Home ANDSF(终端用户归属的PLMN)。
2.4  接入过程
3GPP ANDSF策略信息是运营商根据终端位置信息制定的。终端与ANDSF之间通过PULL与PUSH方式实现信息交换，终端在ANDSF指导下由3GPP转换为非3GPP的接入过程如图2所示：


图2  接入网络切换流程

(1)终端所在位置只存在单一的3GPP网络，即使终端预先配置的静态策略里指定非3GPP为首选接入网络，终端也只能连接3GPP网络；
(2)因终端位置改变等触发条件导致静态配置的策略开始使用，检测到存在3GPP与非3GPP接入网络；
(3)按照静态配置的策略，启动ANDSF客户端的发现过程，将终端位置信息通过PULL方式推送给ANDSF；
(4)ANDSF服务器收到终端推送信息，根据制定的策略更新该终端的策略信息，以PUSH方式推送给终端；
(5)终端接受更新策略信息后，评估是否有ISMP策略为“active”状态，如有就发起接入网络信息请求，没有则仍使用3GPP网络；
(6)终端向ANDSF发送接入网信息请求，获取对接入网络更详细的描述信息，如网络类型、识别码、位置信息等；
(7)ANDSF响应终端的请求，发送接入网发现信息；
(8)终端根据接受的ISMP与本地静态配置的策略，按照优先级高低选择接入网络；
(9)基于策略信息选择最优网络；
(10)启动网络更改程序，接入非3GPP网络。

2.5  部署
ANDSF技术通过网络侧部署ANDSF服务器和手机终端侧安装客户端软件，帮助手机终端发现和接入2G、3G、LTE、WLAN等网络，并结合对网络带宽、拥塞状态等信息的分析，向终端提供接入网络的策略，实现了用户终端实时接入最佳网络，享受最优体验。
ANDSF采用C/S架构，但在具体应用上还是存在一定差异。服务器端有两种部署方式：采用软件集成方式与其他设备结合部署或设备独立部署；客户端也有两种部署方式：智能手机终端软件或独立硬件设备。

3  ANDSF与PCRF协同
为加强ANDSF对业务的网络发现和选择功能，本文提出ANDSF服务器端与PCRF(Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功能单元)合设，获取业务信息、用户签约信息，为终端提供动态的选择策略。ANDSF与PCRF的合设不仅能完善网络选择的依据，还可以提升PCRF性能，弥补PCC技术局限于某个无线网络内提供差异化服务，无法实现2G、3G、LTE、WLAN网络间选择的缺陷，实现了针对用户、业务、流量、时段等策略的网络发现和选择功能。
ANDSF和PCRF协同架构如图3所示：


图3  ANDSF和PCRF协同架构图
PCRF是策略与计费控制决策点，为PCEF(Policy and Charging Enforcement Function，策略与计费执行功能单元)选择及提供可用的策略和计费控制决策。它不能自动生成信息，而是从AF、SPR、PCEF获取信息。PCRF通过Rx口从AF获取业务信息，从SPR(BOSS系统)获取用户等级信息；PCRF通过Gn口从PCEF获取终端信息、网元KPI等信息。PCRF仅实现策略下发功能，而不能自动生成策略，策略信息是依赖于运营商制定的规则人为分析所制定。
PCEF完成业务数据流的探测，执行PCRF下发的策略、基于流的计费以及用户和业务的识别功能。它在3GPP(2G、3G、LTE)网络中的实体是GGSN/SAE-GW；在non-3GPP网络中的实体是xDSL网络的BRAS/BNG或WLAN网络的ePDG。
SPR(Subscription Profile Repository，用户签约数据库)拥有用户签约信息，实现用户策略数据管理。
AF(Application Function，应用功能)主要与PCRF进行通信，提供应用功能并发送动态会话信息向PCRF请求决策。运营商自有业务或者有合作关系的第三方业务对无线接入的业务带宽、QoS如有特殊要求，可以通过Rx标准接口向PCRF发送命令，要求PCRF分配专门的无线资源。
ANDSF本身只定义了终端和ANDSF服务器之间交互的接口及流程。因此，ANDSF服务器需要获取散布在网络不同节点、系统中的各种有用信息来决定向用户提供的策略信息。一方面，通过S14接口获取终端信息型号、地址位置、小区ID、周围基站场强、SSID；另一方面，从SPR、AF获取用户和业务信息。ANDSF与PCRF的交互过程如下：
(1)SPR、AF将用户签约信息和业务信息发送给ANDSF，PCEF通过S14接口向ANDSF传送终端信息(如终端型号、地址位置、小区ID、周围基站、SSID等详细信息)，ANDSF综合SPR、AF、PCEF、PCRF的信息生成适配终端的接入网策略；
(2)终端位置信息通过PULL方式传送给PCEF，PCEF通过S14接口将信息转发给ANDSF；
(3)ANDSF通过PUSH方式将策略信息发送给终端；
(4)终端对下发策略进行评估，进行网络选择；
(5)终端选择最优接入网连接。
ANDSF与PCRF结合部署既实现了最优网络选择，也实现了用户差异化服务。综合网络服务质量、网元的利用率、用户的优先级、运营商的业务规则等信息来制定策略，灵活性会更大，极大地提升了用户体验。

4  结论
ANDSF在网络侧指导终端选择最优资源，弥补了2G、TD、LTE、WLAN网络之间的网络选择缺陷；ANDSF与PCRF的融合，进一步实现了针对不同用户、不同业务、不同时段等多种策略的网络选择。但从整体上看，相关技术还面临很多问题，需要更深入的研究才能不断完善、成熟。

作者简介

邱岭：工学硕士，现任职于中国移动通信集团广东有限公司，主要研究方向为IP网络及传输网络规划。
彭钦：工学学士，现任职于华信邮电咨询设计研究院有限公司，主要研究方向为移动通信数据业务。
赵俊钰：工学博士，现任职于华信邮电咨询设计研究院有限公司，主要研究方向为物联网、互联网QoS。
参考文献：
[1]3GPP TS 23.402 V10.8.0. Architecture enhancements for non-3GPP accesses (Release 10)[S].2012.

[2]3GPP TS 24.302 V10.7.0. Access to the 3GPP Evolved Packet Core (EPC)via non-3GPP access networks; Stage3 (Release 10)[S].2012.

[3]3GPP TS 24.312 V10.6.0. Access Network Discovery and Selection Function (ANDSF)(Release 10)[S].2012

作者： 中国移动通信集团广东有限公司 邱岭 华信邮电咨询设计研究院有限公司 彭钦 赵俊钰
黄剑琪  来源： 《移动通信》2013年第06期