移動互聯網崛起對移動網絡的影響及對策探討

周濤 ，邵震 ，韋樂平

（1.中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.中國電信集團公司 北京 100032）

移動互聯網崛起對移動網絡的影響及對策探討

周濤1，邵震1，韋樂平2

（1.中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.中國電信集團公司 北京 100032）

近年來，智能終端的快速普及和層出不窮的各類新應用成為移動互聯網迅猛發展的推動力。移動互聯網的迅速發展給電信運營商帶來了流量收益，也使得移動網絡遭遇了前所未見的挑戰和沖擊。本文從電信運營商的角度，對于移動互聯網崛起所引發的流量沖擊與信令風暴問題，剖析了其內在的機制，進行了量化分析，并探討了各種可能的應對策略。

移動互聯網；移動網絡；流量模型；信令

1 引言

智能終端的快速普及與應用多樣化成為移動互聯網迅猛發展的推動力。移動互聯網的迅速發展的確給運營商帶來了流量收益，但也使得移動網絡遭遇了前所未見的挑戰和沖擊，巨大的流量能否帶來相應的回報？眾多的應用能否帶來相應的附加值？新應用對移動運營商的量收“剪刀差”是緩解還是加劇？本文圍繞移動互聯網崛起所引發的流量沖擊與信令風暴問題進行了深入的剖析，重點對移動互聯網應用基礎的互聯網與移動網絡的天然不匹配所引發的“移動網絡承載效率”降低問題進行了解讀，并探討了各種可能的應對策略，試圖提供一些有價值的大的思路和方向。

2 移動互聯網時代移動網絡面臨的挑戰

以智能手機為代表的移動互聯網的爆發式發展，為移動網絡帶來了急劇增長的新流量。據美國思科VNI預測，全球未來5年移動互聯網流量的年增長率高達80%，接近固定寬帶網流量增速的3倍。

面對洶涌而來的移動互聯網流量，移動網絡面臨的挑戰主要來自兩個層面：一個層面是移動數據總體流量的快速增長，第二個層面是移動互聯網新業務的流量模型帶來的單位流量對移動網絡無線資源消耗的增長。面對總體流量增長的問題，一方面，由于空口技術改進的速度趕不上流量增加的速度，只能依靠加大投入來滿足流量增長的要求，使得流量與成本幾乎同步快速上升，甚至有些區域已經無法進行載波（頻率受限）與基站站址（基站密度受限）的擴容；另一方面，由于以往針對數據卡所采用的時長計費和包月的流量計費等模式造成了用戶對流量的過度消費，使得數據業務收入的增長遠遠趕不上流量的快速增長，這就給運營商帶來了十分糾結的增量不增收的“剪刀差”現象，甚至還出現了增量減收的現象。應該說，隨著運營商逐步推廣按流量計費的模式，這一情況會有所緩解，按照IP流量而非聯網時長進行計費抑制了部分不必要的上網卡流量，更重要的是，改變了用戶的消費觀念，讓用戶逐步認識和適應“移動網絡的流量與固網流量是不同的”這一基本概念。

第二個層面的問題則更為棘手，也是本文探討的重點，即移動互聯網新業務的流量模型的變化所帶來的以“信令風暴”為代表的移動網絡承載效率下降的問題。由于移動互聯網新業務的流量模型相比于傳統業務，以“短連接、小流量”為特征，表現為頻繁的空口連接建立與釋放，其所需的信令交互造成了控制信道與接入信道負荷的大幅提高，甚至部分地區和時段會發生網絡擁塞現象。當信令成為瓶頸時即成為“信令風暴”，其對業務信道的消耗也是十分巨大的。它不僅在對網絡的壓力方面有倍增的效果，更無法用流量計費的方式進行遏制，而且會進一步消耗資源而不增加收入，可謂給運營商的“剪刀差”之痛雪上加霜。

移動通信網絡所面臨的上述挑戰，在有些網絡中表現得十分突出，部分地區與時段甚至會發生網絡擁塞現象。對中國電信的移動網絡而言，盡管目前移動互聯網新業務的影響還僅是局部性和趨勢性的，尚未成為主要的網絡瓶頸,但發展勢頭及潛在的風險是令人擔憂的。

3 移動互聯網新業務流量模型對網絡承載效率的影響

總數據流量的增加對移動網絡的壓力比較直觀，而新的業務模型對網絡的影響則比較復雜，涉及多個網絡受限因素，因此本文將重點評估新業務模型對移動網絡無線資源的消耗。

根據基于測試數據報文日志（user trace）的計算機仿真，對即時通信和微博等典型移動互聯網業務與FTP等傳統互聯網業務進行仿真分析，結果見表1。

表1 基于Ev-Do通信系統的仿真結果

仿真結果顯示，在單一業務極限容量仿真場景下，信令容量不會受限，系統主要受限于反向干擾攀升。同樣傳送1 bit，用于QQ聊天業務的1 bit所消耗的關鍵移動網絡無線資源大約是用FTP傳送1 bit的20倍以上（反向鏈路），也就是說，網絡承載QQ業務流量的效率要遠遠低于承載FTP業務流量的?？梢姡簧僖苿踊ヂ摼W新業務對于移動網絡無線資源的過度消耗是十分驚人的。

4 問題探源

上面的仿真清楚地展示了問題的基本現象。如果把來自IP層的數據比作乘客，把移動承載連接比作車輛，把移動網絡空口比作道路，這就好像在移動互聯網時代到來之前，乘客是成批排隊登上公交車后在路上通行，而在移動互聯網時代涌現了大量私家車，乘客隨心所欲地各自駕車出行，道路的利用率自然下降，道路也就更容易擁堵了。換言之，在移動互聯網新業務的流量模型條件下，移動網絡對于IP層的流量的承載效率大大降低了。

從根源來說，移動網絡承載效率的降低來源于互聯網業務與移動網絡的不匹配。現有的移動網絡空口接入技術，其設計完成于約10年前（公交車時代），無法提前考慮到近幾年才涌現出來的移動互聯網業務的承載需求；而移動互聯網業務很多是從互聯網上平移過來，在其設計原則上普遍采用傳統的源于有線網的IP技術，并未主動考慮移動網絡“資源受限”的特性。移動網絡出于無線資源的有限性，采用的是集中調度進行資源分配的原則，而互聯網的設計思想是節點對帶寬的占用是相對平等的，兩者完全不同。因此，互聯網業務與移動網絡不是天然匹配的，根源在“基因”層面，難以“根治”。兩者都已經廣泛使用，目前已難以做出大的適應性修改。更為嚴峻的是，移動互聯網新業務流量的拉升來源于終端與應用的發展及普及，主要是由無線上網越來越方便快捷、手機屏幕越來越大、智能手機等新終端迅速普及、“永遠在線”等新應用不斷涌現的趨勢所激發的，這種持續增長的趨勢在相當長一段時間內是難以遏制的，因此，這種“不匹配”有愈演愈烈的趨勢。

同時，測試表明，同樣提供類似功能的移動互聯網新業務，各自對移動網絡無線資源的消耗也是有很大區別的。本文選取了3種移動即時通信類業務和3種視頻，分別進行無線資源消耗的評估測試和比對（空口連接次數、空口占用時長、流量3個指標），其結果見表2、表3。

測試結果表明：在開放式的移動互聯網環境下，不同業務開發者在面向用戶提供相同功能應用時，由于業務應用流程設計、承載協議使用以及優化工作的差異，在無線空口側的表現是不同的。如果依然借用人、車、路的比喻，各種業務就好像是電商的物流公司，業務所需要傳遞的有效信息就是電商的貨物。管理得好的物流公司，通過合理安排郵件和線路，不需要太多的快遞員就可以完成所需要的郵件傳遞量；而管理得不好的物流公司，完成同樣的郵件傳遞任務量就需要往路上派更多的快遞員，不僅浪費了人力，而且無謂地占用道路資源。實際上，用戶對上述3種IM類業務的感知是差不多的，也就是說，這3種IM類業務的有效信息傳遞是基本一致的，但分析上面的測試結果可以得到，IM#3的關鍵無線資源占用是最高值的20%，數據流量更是只有最高值的2%，同類業務的不同流程設計，差別可以如此之大，因此，好的業務設計能夠提升“數據流承載有效信息”的效率。如果再次回到人、車、路、物流公司、郵件的比喻來說，可以認為，要緩解道路交通壓力，僅靠提升道路利用率是不夠的，還需要全社會的共同努力，提升管理水平，降低不必要的交通出行，從源頭上進行疏導。

5 應對策略的探討

盡管目前解決移動互聯網新業務對網絡壓力的問題已經有了一些對策，但由于移動網絡與IP技術的天然不匹配，各類對策基本上都是治標的方法，目前尚無治本的方法。但是，盡管無法“根治疾病”，依然可以選用能夠改善癥狀，避免“病?！钡膽獙Υ胧?。這些對策可以分為“調整網絡以適應業務需求”和“調整業務以適應網絡能力”兩大類：前者是面向新的業務模型，做一些網絡參數的優化與承載容量的提升；后者是想方設法讓業務應用的流程能考慮移動網絡無線資源的有限性與分配機制而做適度優化，以減輕對網絡的壓力。前者相當于“開源”，后者相當于“節流”。

（1）采用各種新技術，包括CDMA的無線增強技術和LTE等新一代無線技術

CDMA無線增強技術和LTE技術都能提升頻譜利用率和網絡容量，降低單位比特成本。這一對策類似于“拓寬主干道路，增加道路容量”，但由于調制技術發展的速度遠遠趕不上業務流量增長的速度，這一對策的效果難以滿足長期的需求。

（2）分流技術的應用，采用小基站或Wi-Fi在熱點地區對流量進行分流

利用小基站或者Wi-Fi分擔熱點地區的移動網絡流量壓力，相當于“建設新道路，分流主干道路壓力”，這是目前所知唯一的在容量預估上有可能滿足發展趨勢的一種解決方案。但小基站的建設需要解決異構網絡協同的復雜問題；而Wi-Fi分流又將面臨Wi-Fi與移動網絡難以無縫銜接，公用頻段的干擾無法根治，用戶體驗不夠好等固有問題。

表 2 即時通信應用的測試結果（掛起狀態，無用戶間主動的信息交互，以心跳行為為主）

表 3 視頻類應用的測試結果（相同高清視頻內容）

（3）無線參數優化及采用多播等技術緩解無線通道上的流量和信令壓力

通過對休眠定時器時長、反向鏈路控制等參數進行調整，可提升業務信道的承載能力。通過快速分層尋呼等信令優化技術能夠提升網絡的尋呼與接入性能，控制“信令風暴”的影響程度。這相當于“優化信號燈設置、增設轉彎與直行等待區域，挖潛提升道路通行能力”。

但無線參數本身不是針對具體業務特征設計的，任何調整必定是“有得必有失”，難以應對多業務場景。多播技術從理論上可以節約在同一個小區內用于傳送相同內容所消耗的帶寬，但由于移動互聯網業務的多樣性和用戶在地域與時域分布上的隨機性，其節約帶寬的效果有可能并不明顯。

（4）實施網絡級智能管道，調控流量的同時提供差異化業務，提升流量的價值

通過在相應環節部署分級服務的策略，使移動網絡能夠區分不同的用戶、業務，對流量做出優先級和流量流向的調整，提供差異化服務，是近期智能管道的重要應用方式，最終則希望形成基于應用環境、所用資源和相應價格的新商業模式。這有點像“細分快慢車道，增加警力根據道路情況靈活指揮交通”。例如，為解決“信令風暴”問題，可以在“流量擁塞”的情況下，也確保小流量、高價值業務優先分配資源，同時對大流量、低價值業務，分時段和區域進行控制，避免對網絡造成沖擊。然而，流量管控中可調度的層次與維度過多，其調度的效果又相互依賴，復雜度很高，存在失控甚至綜合調控結果相反的潛在風險。此外，現有的分段管理的體制及與之相適應的人才能力結構在適應智能管道的智能所要求的系統思維方面，還存在很大的差距，分段智能疊加帶來的有可能并非系統的智能，而是系統的紊亂，乃至系統的動蕩，這些都是需要在實踐中深入觀察、分析和防范的。簡言之，智能管道盡管存在不確定的風險，依然是可預見的未來運營商應對流量沖擊的重要對策。

（5）基于綜合平臺，提供新業務和創新商業模式，創新流量經營策略，提升流量價值

對移動互聯網帶來的新流量，除了想方設法緩解其對網絡的壓力外，很重要的是如何通過提升流量的價值來增加收入。可想而知，通過增加業務應用收入，將業務應用流量轉化為數據流量的附加值收入，彌補流量單價的下降，是逐漸縮小量收“剪刀差”的最佳辦法。但是運營商的體制機制和基因又難以在這一快速更新的領域大有作為。

同時，也要通過各種新的收費乃至商業模型的建設，逐步建立用戶對移動網絡無線資源使用的感知，摒棄無償濫用流量的習慣。這方面，按流量計費和高流量限速在國內外運營商中都得到廣泛應用，中國電信也已開展相關應用。另外，通過綜合平臺，對不同流量提供差異化策略的服務也是比較簡單有效的手段。

（6）采用多種應用層優化技術，從源頭上減少網絡的無效流量和信令，降低網絡壓力

①從業務設計源頭，對業務應用流程進行優化，減少“流量”與“信令”的影響

移動互聯網提供了一個開放的環境，吸引了越來越多的業務開發者參與其中，而其結果卻是造成了很多應用對于網絡容量和信令資源的過度占用。如果能從業務應用設計源頭就控制流量與信令的消耗，其改進空間將更大并且更有效，但難點在于完全依賴于應用開發者，運營商影響力有限。如何有效地與開發者溝通和協同，是運營商要研究的新課題，也是產業鏈需要共同研究、商討和解決的大課題。

②重新定義業務實現架構，實現對“流量”與“信令”的端到端控制

目前國際標準組織正在開發一種面向互聯網應用開發商服務的AOI(always online infrastructure，永遠在線架構)標準，從而可望實現實時在線類業務對移動網絡無線資源消耗的規范化。但是標準化進度較慢，運營商所推動的平臺在產業鏈上可能不具有決定性的地位和影響力。

③從終端角度，統一對應用的心跳行為進行管控，應對信令負荷提升

在終端上加入控制層，將原來多種應用造成的空口連接建立時間統一到某一時刻，實現一次空口連接發送多個業務所需的交互消息，從而降低空口連接次數。但該方案尚處于技術驗證階段，其部署會增加對終端定制化的要求，將面臨終端產業鏈的協調難題。

綜合考慮實施難度、預期效果、技術成熟度等因素，筆者認為，其中的無線參數優化、移動智能管道、業務應用流程優化等方式，相對是比較現實的，近期可行的對策，其他的新技術也需要密切跟蹤研究，適時選用。

6 建設監控體系，前瞻研究，積極應對新挑戰

除了采取以上各有利弊的對策外，就像病人需要隨時監測病情變化一樣，需要建立起面向移動互聯網應用的端到端監控體系和分析系統，能夠采集分析終端分布、業務分布、信令模型、流量模型、無線資源等多維度的信息，提煉出發展趨勢，采用仿真和實驗室測試等分析手段做前瞻預測。這樣既能夠提前預知“流量擁塞”與“信令風暴”發生的時間和程度，做出預警，又能夠抓住目前網絡整體尚未不堪重負的時間窗口期，主動分析并量化評估各種對策的效果，有時間實施更有效的對策。同時，在努力疏通流量的同時，協助前端部門通過積極的市場和戰略手段提升流量的價值。

7 結束語

移動互聯網新業務對網絡的挑戰可能還僅僅是開始，隨著智能終端的進一步普及，這個問題必將越來越凸顯。在此，站在移動網絡運營商的角度，筆者提出了一些新的觀點和建議，供業界參考。

一是探討衡量移動通信網絡容量的新方式。正如前文所述，不同業務模型下，空口能夠承載的數據流量差別很大，僅用流量不足以合理地表征網絡的容量，也無法準確反映對網絡成本的消耗，從技術上來說，不指明業務模型的網絡容量是缺少指導意義的，也容易誤導市場前端和消費者。

二是關注移動互聯網新業務流量模型的發展動向并研究更加新型業務的流量模型。移動互聯網新業務日新月異，流量模型還在不斷變化的過程中；同時，移動物聯網、移動云計算等新型業務也在涌現，其流量模型對業界而言更沒有經驗。所以，持續觀察和前瞻研究十分必要，可以及時總結積累，做好應對。

三是網絡容量的提升與網絡的繼承性之間的取舍。從空口技術的提高速度來看，寄希望于某一種新的空口技術來滿足業務的需求是不現實的，網絡容量的根本提升還在于網絡形態的改變，這其實也是近期無線異構網絡成為熱點話題的基本動因。但帶來的復雜性決定了異構網絡難以實現原來移動通信網絡所能夠提供的平滑的移動性。

四是充分重視與移動互聯網業務產業鏈各方的溝通，如前文所述，同類業務的不同產品給網絡帶來的壓力可能大不相同，業務流程的設計對網絡的影響很大，優化業務流程的設計也可以提升用戶體驗，本質上是運營商和業務提供商共贏的；但由于運營商在產業鏈中處于以管道的角色為主的地位，而業務提供商往往對移動通信網絡了解不夠，因此運營商與產業鏈的有效溝通、理解和協同十分重要。

總體來說，無線資源的有限性決定了移動通信技術將長期需要不斷追趕業務的發展，無論現網情況如何，居安思危、未雨綢繆、深入洞察，是網絡健康發展的長期保證。

1 周濤，周峰，張玉平.從手機微博看移動互聯網業務的信息流、數據流、承載流.電信科學，2011（7）

2 德內拉·梅多斯著.邱昭良譯.系統之美——決策者的系統思考.杭州：浙江人民出版社，2012

3 Michael F.Emerging smart phone trends:the next wave in the data tsunami.http://www.arieso.com，2010

4 Advancing 3GPP Networks: Optimisation and Overload Management Techniques to Support Smart Phones.GSM Association Application Network Efficiency Task Force White Paper，2012

5 Managing Background Data Traffic in Mobile Devices.Qualcomm Incorporated，2012

6 Impact of Smart phones and Computers on cdma2000 Networks.CDMA Development Group，2011

7 The impact of mobile computers and smartphones on cdma2000 networks.http://www.signalsresearch.com，2011

8 3GPP2.C.S0024-A v3.0.cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification,2006

9 3GPP2.C.R1002-B.cdma2000 Evalution Methodology Revision B，2009

10 OMA-REQ-AOI-2012-0001-INP_Kick_off_Presentation，AOIWI Champion，2012

Analysis and Strategies for the Impacts of the Rising of Mobile Internet Service on the Mobile Network

Zhou Tao1，Shao Zhen1，Wei Leping2
（1.Shanghai Research Institute of China Telecom Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China;2.China Telecom Corporation,Beijing 100032,China）

In recent years,the popularity of intelligent terminals and diversification of data applications become a great impetus to the development of mobile internet.Undoubtedly,the success of mobile internet brings traffic benefit to operators,but it makes the wireless network encounter the unprecedented challenges and impacts.The internal mechanism of the traffic surge and signaling storm triggered by the rise of the mobile internet was analyzed from the operator’s point of view,quantitative analysis was made,and a variety of possible strategies was discussed.

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10.3969/j.issn.1000-0801.2013.03.001

周濤，女，中國電信股份有限公司上海研究院總工程師、教授級高工，兼任OMA董事會董事、中國電信科學技術委員會無線組委員、上海市通信學會理事、上海浦東移動通信協會理事長，主要研究方向為無線通信業務與網絡。

邵震，男，中國電信股份有限公司上海研究院工程師，長期從事移動前沿技術研究、測試及應用工作。

韋樂平，男，工業和信息化部通信科學技術委員會常務副主任，中國電信集團公司科學技術委員會主任，主要研究方向為傳送網、接入網、承載網、三網融合和網絡發展戰略。

2012-02-25）