基于S1-MME/S1-U信令的LTE網絡生態分析系統及應用

吳栩欣，羅驍茜，陳偉棟

（1 中國移動通信集團廣東有限公司佛山分公司, 佛山 528000；2 中國移動通信集團廣東有限公司, 廣州 510623)

隨著4G網絡規模、用戶數量壯大，提升4G用戶的移動互聯網感知受到運營商越來越多關注。然而目前如何能夠在LTE網絡下均衡網絡流量、研究用戶行為和習慣，提供多維度、差異化的業務質量和服務，提高端到端質量和速率仍缺乏必要手段。利用Gb/Iu-ps信令可實現基于客戶感知的2G/3G網絡移動數據業務分析、投訴處理和市場支撐[1]，通過雙信令儀采集A口信令極大地縮小了尋呼問題分析范圍[2]；利用七號信令監測系統可對網間信令、回撥業務、日常話務、工程建設和日常投訴等工作起到很好的分析支撐作用[3]；對網絡信令流程、信令數據分析得出了信令風暴的成因及對網絡質量造成的影響[4]；信令技術對實時數據業務精確營銷提供數據支撐[5，6]；在3G/LTE系統使用信令技術實現智能動態批價[7]；通過將信令技術結合運用于IEEE 802.16網絡的服務質量（Quality of Service, QoS)模型[8]。文獻[1]![8]都運用信令作為分析和解決問題的輔助手段。針對現狀，本文提出了基于S1-MME/S1-U信令的LTE網絡生態分析系統，并通過具體應用來體現該系統的有效性和實用性。

1 基于S1-MME/S1-U信令的LTE網絡生態分析系統

基于S1-MME/S1-U信令的LTE網絡生態分析系統最基礎的資源是LTE網絡的S1-MME/S1-U信令，通過信令數據從網絡、終端、業務和用戶等多維度分類分析，實現LTE網絡生態分析；通過對網絡指標、會話流量大小和速率高低等評估，可及時發現網絡質量波動，從而發現網絡、業務或者終端的某些問題或隱患,系統概況如圖1所示。

1.1 系統硬件架構

系統硬件架構包括數據采集層、編解碼及數據共享層和應用呈現層，通過在網絡多個接口進行信令采集后，使用分布式服務器集群來實現數據源的存儲和處理，如圖2所示。

圖1 基于S1-MME/S1-U信令的LTE網絡生態分析系統

1.2 系統軟件架構

如圖3所示，系統軟件架構包括4層：

（1）采集解碼層主要有信令采集、協議解碼、會話關聯等功能獲取原始數據。

（2）數據處理層主要有原始信令存儲、XDR話單生成、數據入庫和形成表格等功能對原始數據完成統計分析前的處理，為數據完整性和準確性提供保證。

（3）業務服務層包括查詢統計、文件和報表管理、安全和系統維護等功能，為系統穩定運行提供保障。

（4）應用呈現層包括端到端質量分析、客戶感知分析、終端分析等模塊，實現多維度多角度的分析呈現，為體現網絡生態狀況提供數據支持。

圖2 基于S1-MME/S1-U信令的LTE網絡生態分析系統硬件架構

1.3 系統的特色和適用范圍

多維度場景式的網絡性能指標分析：針對自定義場景進行數據業務控制面承載性能（網絡接入性、網絡保持性、小區性能等）指標，數據業務業務面性能（業務接入性、業務完整性、彩信業務、網頁瀏覽業務、微博業務、普通下載等）指標分析；針對自定義場景進行用戶行為分析（業務、流量、請求數、用戶數）。自定義場景包括：特定時間、特定區域（特定eNode B、特定批量小區）、特定批量用戶、特定終端類型。

多角度業務質量分析：支持基于信令的各類業務速率情況分析；支持基于信令的各類業務分組丟失重傳情況分析；支持統計各類業務在不同網元的速率情況以達到快速定位速率低網元的目的。

圖3 基于S1-MME/S1-U信令的LTE網絡生態分析系統軟件架構

異常信令輔助故障分析：支持基于信令異常的故障定位分析；支持基于信令異常結束流程的故障定位分析；統計各類故障在各網元出現的比例以幫助分析人員快速定位故障集中的網元。

2 應用實例

通過基于S1-MME/S1-U信令的LTE網絡生態分析系統統計2014年8月佛山LTE網絡下視頻業務的數據發現，在晚忙時優酷視頻業務速率低于1 000 kbit/s。進一步分析發現主要是某個IP地址段的優酷視頻業務速率明顯偏低導致，如表1所示。

為了定位具體原因，我們將該IP地址段的優酷視頻業務與和視頻、騰訊視頻業務的tcp.window_size_value分段對比如表2所示，優酷視頻業務傳輸過程中tcp.window_size_value為0以 及tcp.window_size_value為1!1 024的小窗口占比明顯高于其他兩種業務。

根據TCP協議規范，tcp.window_ size_value的數值表示TCP窗口大小。當數值為0時，表示緩沖區滿，發送方應等到收到新的或者非0的窗口大小的通知后才能繼續發送數據，即當數值為0時，數據傳輸中斷。選取該IP地址段的某條信令回溯如圖4所示，第765幀網絡側下發HTTP_Segment數據包相隔66 ms后，收到響應Ack確認（對應第766幀），此次Ack攜帶的tcp.window_size_value為0，即通知網絡側接收端緩沖區滿，發送方應等到收到新的或者非0的window size通知后才能繼續發送數據。之后又重發了一次Ack確認（對應第768幀），此次tcp.window_size_value仍為0即沒有數據包下發。直到第三次重發Ack確認（對應第769幀），此次Ack包中攜帶的tcp.window_size_value是1 024，為非0值可繼續數據傳輸。由于前兩次Ack確認的tcp.window_size_value=0，導致有819 ms沒有數據傳輸，數據分組時延增加從而影響速率下降。由此我們初步定位為該IP地址段對應的優酷服務器窗口設置存在瓶頸，需要對服務器窗口和TCP擁塞處理參數優化。

我們將該問題反饋給省公司聯系優酷業務提供商聯合優化后，速率從優化前的950 kbit/s提升到優化后的1 200 kbit/s，速率提高26%。

表1 某個IP地址段的優酷視頻業務速率

表2 3種視頻業務的TCP窗口大小對比

圖4 信令回溯

通過使用基于S1-MME/S1-U信令的LTE網絡生態分析系統對佛山LTE現網優酷視頻進行業務質量細化評估，并針對問題定位原因，從而找到有針對性的優化方法，為LTE網絡視頻業務流量和用戶的保有和增長提供網絡質量保證。從上述應用可見，該系統能很好的指導和支撐實際工作。

3 結束語

基于S1-MME/S1-U信令的LTE網絡生態分析系統具備了信令采集、解碼、分析和問題定位功能，提供了業務質量提升和優化的重要數據支撐。隨著LTE網絡的建設與擴大，用戶規模必將呈現迅猛上升，可以預見，端到端質量問題將會不斷涌現，下一步我們將繼續研究在LTE網絡下各種信令融合的分析應用。

[1]章蕾, 陳婷.基于客戶感知的移動數據業務分析平臺建設探討[J].移動通信, 2011（9):71-74.

[2]周戈, 蔡勇.利用信令儀實現移動通信系統尋呼問題的分析[J].電信科學, 2006,22（11):69-71.

[3]趙恒, 李懷明.江蘇移動利用信令監測系統實現回撥業務分析[J].電信網技術, 2012（3):72-77.

[4]周飛, 王建春.WCDMA網絡RNC信令風暴研究[J].郵電設計技術, 2013,（8):62-66.

[5]謝志崇.基于網絡信令技術的實時精確營銷分析[J].電信技術, 2008,（1):34-37.

[6]王笑然, 任輝明, 韓雪.信令監測系統在移動數據業務中的應用[J].科協論壇, 2010,（7):36-37.

[7]Dat Vo.Estimating Smart Dynamic Pricing signalling in advanced cellular systems[C].//Proceedings of the 2012 IEEE Symposium on Humanities, Science and Engineering Research （SHUSER).Kuala Lumpur:IEEE Press, 2012:123-127.

[8]Ciulli N, Landi G, Curado M, et al.A QoS Model Based on NSIS Signalling Applied to IEEE 802.16 Networks[C].//Proceedings of the 2008 IEEE Consumer Communications and Networking Conference（CCNC).Las Vegas: IEEE Press, 2008:953-957.