WCDMA網(wǎng)絡(luò)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)模型影響的分析

摘 要： 由于分組網(wǎng)絡(luò)中，長期以關(guān)注數(shù)據(jù)流量為主，而忽視了信令問題對網(wǎng)絡(luò)的影響，一定程度上影響了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的準(zhǔn)確性和針對性。各種低速數(shù)據(jù)應(yīng)用的快速發(fā)展給網(wǎng)絡(luò)帶來了較大的影響，按照僅考慮流量需求的建設(shè)方式已不適合現(xiàn)階段的業(yè)務(wù)發(fā)展。從分析網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀入手，通過分析對比2G和3G在網(wǎng)絡(luò)流程方面的差異，以及終端因素在業(yè)務(wù)流程中的影響程度，找出3G網(wǎng)絡(luò)信令沖擊大的原因及信令沖擊的產(chǎn)生場景，最后通過修正網(wǎng)絡(luò)模型，增加網(wǎng)絡(luò)模型中新的模型參數(shù)，以指導(dǎo)后期網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)。

關(guān)鍵詞： WCDMA； 業(yè)務(wù)模型； 業(yè)務(wù)請求； 重定位

中圖分類號： TN914?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）22?0020?04

0 概 述

隨著3G用戶規(guī)模的增大和具體應(yīng)用的多樣性，分組域網(wǎng)絡(luò)建設(shè)出現(xiàn)了新的挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)瓶頸除原來的用戶容量、流量帶寬、激活PDP等參數(shù)外，信令負(fù)荷也逐漸成為新的網(wǎng)絡(luò)瓶頸，本文首先分析分組域信令負(fù)荷激增的現(xiàn)象及信令變化對網(wǎng)絡(luò)容量的影響，再分析分組域3G信令流程和出現(xiàn)瓶頸的原因，并在現(xiàn)有業(yè)務(wù)模型的基礎(chǔ)上，修正分組域業(yè)務(wù)模型，以指導(dǎo)后續(xù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 網(wǎng)絡(luò)問題現(xiàn)狀分析

分組域信令負(fù)荷問題在2012年逐漸成為網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸問題，而且將逐漸由個案變?yōu)橐粋€共性問題。以某省網(wǎng)絡(luò)為例介紹網(wǎng)絡(luò)問題現(xiàn)狀：

3G用戶發(fā)展和業(yè)務(wù)收入增長速率排在全國前列，自2012年6月份以來，雖然移動分組網(wǎng)用戶增長速度、忙時數(shù)據(jù)吞吐量增長速度保持月均增長10%左右，但設(shè)備信令負(fù)荷、內(nèi)存占用率、CPU利用率等指標(biāo)增速更快，造成了在網(wǎng)絡(luò)容量指標(biāo)均滿足需求的情況下，設(shè)備處理能力無法滿足網(wǎng)絡(luò)正常發(fā)展。

究其原因，主要與設(shè)備配置模型有關(guān)，在以往的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)中，IP網(wǎng)絡(luò)的信令負(fù)荷一般忽略不計，或按照業(yè)務(wù)負(fù)荷的1%～3%考慮。由于移動互聯(lián)網(wǎng)實時在線類應(yīng)用的普及，如微信、微博、QQ等業(yè)務(wù)流量小、使用頻次高、并不斷有推送類消息[1?2]。該部分業(yè)務(wù)并不帶來大流量需求，但影響了網(wǎng)絡(luò)中移動性管理：當(dāng)MS進(jìn)入Idle狀態(tài)， RNC會觸發(fā)Iu Release消息到SGSN。當(dāng)MS從Idle進(jìn)入Connect狀態(tài)， RNC會觸發(fā)Service Request信令到SGSN。這種頻繁的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，給SGSN帶來了大量的業(yè)務(wù)請求流程的處理，激增了信令處理的負(fù)荷開銷。

1.2 現(xiàn)狀分析量化數(shù)據(jù)

1.2.1 分組業(yè)務(wù)用戶發(fā)展情況

根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，2012年3G出賬用戶年增長107%，3G數(shù)據(jù)用戶增長103%，3G數(shù)據(jù)用戶出賬滲透率保持在80%左右，基本穩(wěn)定。如圖1所示。

1.2.2 分組業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量發(fā)展情況

從2012年1—8月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，3G數(shù)據(jù)流量發(fā)展良好，忙時數(shù)據(jù)流量增速較快，8月忙時流量速率超過5 Gb/s，3G附著用戶數(shù)達(dá)到57萬，3G用戶月均流量年均增速近30%。3G業(yè)務(wù)上下行比例較大，最高比例達(dá)到8.0，3G業(yè)務(wù)以下行數(shù)據(jù)為主。如圖2所示。

1.2.3 智能終端統(tǒng)計

智能終端統(tǒng)計結(jié)果表明：

（1）3G終端占比近26%，使用3G終端的3G出賬用戶占比偏低，僅為10%，即10%的3G用戶既帶來了數(shù)據(jù)流量和信令負(fù)荷的增長翻倍。

（2）隨著3G終端的普及，現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)模型將明顯增大，業(yè)務(wù)流量變化會較大，后期業(yè)務(wù)模型變化會較明顯。

1.2.4 分組業(yè)務(wù)信令處理能力負(fù)荷變化統(tǒng)計

根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，SGSN的信令總數(shù)為激活類消息的70倍，為附著類消息的20倍。也就是說SGSN總信令負(fù)荷是處理附著和路由更新的信令負(fù)荷的20倍，是處理激活類消息的70倍。或者說SGSN信令負(fù)荷90%以上是用戶狀態(tài)變化引起的，而非承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)引起的。

1.3 現(xiàn)網(wǎng)分組域性能參數(shù)

現(xiàn)網(wǎng)分組域瓶頸主要體現(xiàn)在Iu接口方向的業(yè)務(wù)請求增大，帶來的系統(tǒng)處理能力的緊張，其他參數(shù)基本正常。隨著3G業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，SGSN的信令負(fù)荷增速較快，但SGSN的信令負(fù)荷相對3G流量增速更快，增速達(dá)到177%。SGSN的信令處理能力問題，將超過網(wǎng)絡(luò)容量和流量等因素，成為制約網(wǎng)絡(luò)容量的第一瓶頸因素。

1.4 分組域流程分析

3G信令負(fù)荷的快速增長問題要3G規(guī)范和業(yè)務(wù)流程上分析，由于3G網(wǎng)絡(luò)和2G網(wǎng)絡(luò)在承載面差別不大，主要是提供更高的數(shù)據(jù)速率，主要差別在2G網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)在信令方面上。主要體現(xiàn)在移動性管理功能上，從用戶終端和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的移動性管理狀態(tài)，到流程定義均有差異。這就帶來了3G網(wǎng)絡(luò)信令負(fù)荷與2G網(wǎng)絡(luò)的差異，出現(xiàn)了新的網(wǎng)絡(luò)瓶頸點，本文主要在有差異的地方進(jìn)行專項分析。

在移動性管理狀態(tài)方面，2G網(wǎng)絡(luò)分為空閑狀態(tài)（Idle）、就緒狀態(tài)（Ready）、備用狀態(tài)（Standby）等3種狀態(tài)，分別標(biāo)識于終端側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)。

3G網(wǎng)絡(luò)分為空閑狀態(tài)（PMM?Idle）、連接狀態(tài)（PMM?Connected）、分離狀態(tài)（PMM?Deatched）等3種狀態(tài)[3]。

PMM?Idle狀態(tài)下，SGSN知道MS的位置（路由區(qū)），但需要尋呼。與PMM?CONNECTED相比，pdp上下文都可能建立，但PMM?IDLE狀態(tài)不會建立Iu連接或無線的連接。當(dāng)信令連接建立時，狀態(tài)變?yōu)镻MM?CONNECTED。當(dāng)GPRS去附著時，狀態(tài)變?yōu)镻MM?Deatched。

PMM?Connected狀態(tài)下，MS和SGSN有信令交互，用戶狀態(tài)在MS和SGSN中同為PMM?CONNECTED。當(dāng)信令連接被RNC釋放或連接中斷，狀態(tài)變?yōu)镻MM?IDLE；當(dāng)信令連接超時，SGSN釋放信令連接，狀態(tài)變?yōu)镻MM?IDLE；當(dāng)GPRS去附著時，狀態(tài)變?yōu)镻MM?Deatched。

PMM?Deatched狀態(tài)下，該狀態(tài)指MS與SGSN無任何連接，MS不可達(dá)SGSN，SGSN不知ms的存在。當(dāng)兩者之間有信令交互以建立附著時（附著請求時），用戶狀態(tài)在MS和SGSN中同時變?yōu)镻MM?CONNECTED，信令消息包括：RRC鏈路建立（MS和RNC之間）和Iu連接建立（MS和SGSN之間）。

即2G和3G的移動性管理狀態(tài)對比除狀態(tài)名稱變化外，在狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程上也有新定義，3G支持在連接狀態(tài)的RNC重定位，而2G網(wǎng)絡(luò)無此狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程。

根據(jù)3GPP TS23.060的定義，綜合對比分組域的業(yè)務(wù)流程，2G中不發(fā)生的流程有：業(yè)務(wù)請求、RNC重定位等。其中業(yè)務(wù)請求流程中，包含鑒權(quán)過程、加密過程和完整性過程等子流程。 2G和3G網(wǎng)絡(luò)的流程差異對比如表1所示。

業(yè)務(wù)請求流程僅在3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)生，主要作用為：IDLE狀態(tài)的MS向SGSN請求建立一條連接，用于發(fā)送上行鏈路信令消息或用戶數(shù)據(jù)；MS在CONNECTED狀態(tài)時，也可為已激活的PDP 上下文請求資源預(yù)留。

2 分組域主要性能參數(shù)解析

2.1 SGSN的主要性能參數(shù)

影響SGSN的主要性能參數(shù)有以下6類，具體如下：

（1）附著用戶數(shù)。影響該參數(shù)的變化，最主要的是用戶的行為及終端支持情況，但去附著周期、位置更新周期、用戶附著率等參數(shù)的變化也會影響該參數(shù)。

（2）業(yè)務(wù)請求。主要指3G的各類業(yè)務(wù)請求，包括信令（路由更新）、數(shù)據(jù)請求和廣播通知等，最大可使信令面處理能力下降60%。

（3）池組化實施。由于NNSF功能需要在RNC側(cè)實現(xiàn)，所以對SGSN網(wǎng)絡(luò)瓶頸基本無影響。

（4）內(nèi)容計費。該部分對SGSN影響較大，是否開內(nèi)容計費影響處理能力近50%，按照100%內(nèi)容計費考慮，對后續(xù)無大的影響。

（5）IP包長。IP包長影響開銷字節(jié)的占比，對系統(tǒng)有影響；若增大包長，相應(yīng)處理負(fù)荷會有下降。

（6）上下行數(shù)據(jù)量比例。集采建議1∶6，省內(nèi)目前為1∶5.也就是在下行不是瓶頸是，上行帶寬可能會提前出現(xiàn)瓶頸。后期配置需要考慮上行帶寬的影響。

2.2 GGSN的主要性能參數(shù)

影響GGSN的主要性能參數(shù)有以下5類，具體如下：

（1）吞吐量。PFU最高40 Gb/s；GSU：6個CPU，每CPU支持10萬PDP及0.8 Gb/s。

（2）激活用戶。GGSN激活用戶是個代名詞，本身沒有實際意義，主要是按照激活PDP算，前期因為每用戶只有一個激活PDP，因此激活用戶和激活PDP是一致的，并激活用戶是集采單價的單位，便于核算。

（3）內(nèi)容計費。該部分對SGSN影響較大，是否開內(nèi)容計費影響處理能力近50%，按照100%內(nèi)容計費考慮，對后續(xù)無大的影響。

（4）IP包長。IP包長影響開銷字節(jié)的占比，對系統(tǒng)有影響；若增大包長，相應(yīng)處理負(fù)荷會有下降。

（5）上下行數(shù)據(jù)量比例。集采建議1∶6，省內(nèi)目前為1∶5。也就是在下行不是瓶頸是，上行帶寬可能會提前出現(xiàn)瓶頸。后期配置需要考慮上行帶寬的影響

2.3 分組域模型矯正

由現(xiàn)狀分析章節(jié)，網(wǎng)絡(luò)瓶頸主要出現(xiàn)在SGSN的信令處理能力方面，而信令處理能力增長趨勢與用戶容量、吞吐量不一致的地方即為3G特有流程帶來的，即業(yè)務(wù)請求、RNC重定位等流程為信令負(fù)荷增長的主要原因。綜合分析信令負(fù)荷增加的現(xiàn)象及網(wǎng)管統(tǒng)計，分析原因為：

（1）3G業(yè)務(wù)流程與2G業(yè)務(wù)流程的差異帶來的影響。3G業(yè)務(wù)特有流程：Service Request，包括MS側(cè)發(fā)起的業(yè)務(wù)請求和網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)期的業(yè)務(wù)請求。

（2）用戶使用行為帶來的影響。3G智能終端和具體應(yīng)用帶來的影響異，智能手機會帶來額外的信令負(fù)荷，如用戶在發(fā)送消息后會迅速進(jìn)入Idle狀態(tài)，下次快速進(jìn)入到Connect狀態(tài)，這樣就會不斷的在Idle與Connect狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換；部分永遠(yuǎn)在線（always on）的應(yīng)用會增加終端不斷在Idle和Connect狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。核心網(wǎng)在大量的業(yè)務(wù)請求流程中，激增了信令處理的負(fù)荷開銷。

經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，分組域瓶頸主要體現(xiàn)在Iu接口方向的業(yè)務(wù)請求增大，帶來的系統(tǒng)處理能力的緊張，如圖6所示，平均每一次PDP激活（可視為一次用戶使用數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)）帶來SGSN信令消息70條。按照網(wǎng)元性能參數(shù)統(tǒng)計，每業(yè)務(wù)請求對應(yīng)CAPS處理能力列表如表2所示。

由表2分析可知，Service Request、路由區(qū)定位和Iu Release流程占總流程CAPS的58%。即正常業(yè)務(wù)流程下3G 信令負(fù)荷比2G信令負(fù)荷高出1倍，如果受智能終端及用戶使用習(xí)慣的影響造成的狀態(tài)頻繁切換因素，就進(jìn)一步加大了信令負(fù)荷程度。由于用戶行為習(xí)慣有一定的規(guī)律性和短期穩(wěn)定性，因此在分組域模型中必須考慮影響信令主要因素的參數(shù)信息———每戶業(yè)務(wù)請求次數(shù)。如表3所示。

表3 分組域模型表

3 結(jié) 語

由于用戶行為習(xí)慣不是一成不變的，智能終端的發(fā)展也會帶來信令負(fù)荷的變化，僅靠固定的業(yè)務(wù)模型是不能滿足的，需要實時跟進(jìn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，分析網(wǎng)絡(luò)瓶頸，修正業(yè)務(wù)模型，指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)來解決現(xiàn)網(wǎng)存在的問題。本文通過對比2G、3G流程區(qū)別，分析影響信令負(fù)荷的主要因素，提出修正后的業(yè)務(wù)模型指導(dǎo)后期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

但僅靠網(wǎng)絡(luò)建設(shè)解決網(wǎng)絡(luò)存在的問題還是不夠的，需要同時考慮核心網(wǎng)參數(shù)的優(yōu)化手段[4?5]。雖然用戶行為習(xí)慣、智能終端特點非網(wǎng)絡(luò)可以控制，但優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)也可以解決部分信令問題，如優(yōu)化PDP去激活控制，DT技術(shù)控制。

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