EPC業務云化后切換時延抖動分析

何東晨

【摘要】? ? 通信從語音通話到數據傳輸，從光纖通信到無線傳輸，電信行業的運作模式和關鍵技術不停的在更新。運營商為了提升網絡運維效率，降低運維成本，提高產業競爭力，EPC（Evolved Packet Core 演進的分組核心網）云化是網絡發展的必然趨勢，主動發現并解決云化網絡帶來的業務感知問題至關重要。本文針對核心網業務上云后信令交互時延的變化進行分析，結合理論分析及實驗結果數據，研究了核心網業務云化后由于信令交互距離變化對用戶面數據傳輸產生的影響，隨著信令交互距離變長，對時延及用戶面數據包造成的影響變大。最后，給出了運營商云化網絡的時延優化方案及合理化建議。

【關鍵字】? ? 核心網? ? 云化? ? 時延

引言

通信網絡是一個不斷引入新技術、不斷顛覆的過程。隨著硬件產業逐漸到了一定的瓶頸，并且配套資源對建網的要求越來越嚴苛，傳統的通信網絡已經暴露出弊端。傳統基礎網絡能力和業務能力都無法適應市場發展速度，不夠敏捷高效，拉長了業務上線周期。網絡設備軟硬件一體化、豎井化，利用率極不均衡，無法調整共享，導致成本居高不下。運營商網絡設計并未考慮開放性，開放的業務種類有限、新增能力開放響應慢，制約了面向行業用戶的服務能力[1]。

隨著新一波技術浪潮的沖擊，通信網絡面臨著完全不同的發展環境，產生跨界變革的新趨勢，云網融合基于業務需求和技術創新并行驅動帶來的網絡架構的深刻變革，使得云和網高度協同、互為支撐[2-3]。NFV/SDN是實現網絡轉型的核心技術，有助于實現軟件化、虛擬化的基礎通信網絡，實現網絡架構可靈活調整，資源可彈性伸縮，能力可全面開放[4]。事物都有其兩面性，隨著EPC業務上云，也有新的問題需要關注，業務上云后信令交互距離變長，在發生切換時需要考慮時延抖動造成的影響。本文通過推演和分析，驗證業務上云后對時延造成的影響，計算出能夠滿足切換條件的信令交互時延及傳輸距離，幫助提前做好網絡規劃，有效減少切換場景下時延抖動對用戶感知的影響。

一、核心網業務發生切換的時延

在傳統組網的4G網絡下，用戶在移動過程中發生S1口切換時，有效的切換區域為兩基站信號的重疊區域，超出區域將切換失敗。如圖1所示，切換所需要的時間等于測量時間d1、遲滯時間d2、執行時間d3三者求和，d1依據3GPP規范中定義，d2為基站決策時間，d3為切換執行時間，包括S1口信令交互時延及核心網元處理時延。

核心網業務上云后，云化設備部署在大區省份，導致信令交互的傳輸距離會發生變化，這些變化對時延的影響，直接關系到用戶的使用體驗。

二、業務上云后切換時延抖動分析

核心網業務云化后由于部分設備虛擬化部署在大區省份，信令交互消息時延由于傳輸距離變化而受到影響，信令交互時延將會發生抖動，通過對切換時的信令流程分析，時延的變化對于用戶面數據傳送主要會產生以下兩種影響。

S1切換信令流程如圖2所示，第1-13步為切換準備階段，此時的業務上、下行數據通道為：UE<->源eNB<->源SGW<->錨定PGW<->互聯網，和原始通道一致未發生變化。該階段由于信令面網元云化后部署在大區，受信令網元交互距離的影響，信令交互時間變長，切換準備耗時變長。此時UE到源eNB的距離越遠，源eNB信號強度越弱，業務傳輸質量越差，中間丟包、重傳的可能性越大。因此切換準備耗時越長，用戶時延越長，受無線信號質量劣化影響的數據包增多。

如圖3所示，第13-17步為切換中轉階段，目標eNB和目標SGW在切換準備階段均收到上行轉發節點信息，上行流量在Handover Confirm后由目標eNB、目標SGW轉發至錨定PGW，即第17步后上行數據恢復并由目標路徑轉發，上行數據通道變為：UE->目標eNB->目標SGW->錨定PGW->互聯網。

第13-24步為切換中轉階段。此時下行數據傳輸分兩種情況，第一種是基站間支持X2接口切換，下行流量通過源eNB X2接口目標eNB緩存，下行數據通道為：互聯網->錨定PGW->源SGW->源eNB->目標eNB->UE;第二種是基站間不支持X2接口切換，此時數據傳輸會在核心網內部發生迂回，通過核心網用戶面接口迂回至目標eNB緩存，下行數據通道為：互聯網->錨定PGW->源SGW->源eNB->源SGW->目標SGW->目標eNB->UE。直到目標eNB收到Handover Confirm建立空口連接后才將緩存的下行流量轉發給UE。最終，Modify Bearer流程后，錨定PGW收到下行轉發節點信息，完成中轉通道到目標通道的切換，此時下行流量才通過目標SGW、目標eNB轉發至UE。此處分析可以看出如果基站間支持X2接口切換，可以減少數據傳輸的流程。

在切換中轉階段，業務上云后，信令面消息較傳統EPC切換時交互信令受距離的影響需耗時更長，由于這個原因導致切換中轉耗時增加，用戶面時延增加，此時延增大的上、下行數據包增多。

三、實驗結果及分析

本文通過實驗對前面的分析結果進行驗證，實驗通過分別在傳統EPC網絡和云化EPC網絡中進行業務測試，根據核心網采集信令時間點進行切換時長統計，并通過在核心網S1-U口抓取切換測試時用戶面數據包，對比傳統EPC和云化EPC切換過程中的時延和切換期間的數據包個數。

實驗結果如表1，可以看出與分析結果一致。信令面交互距離越遠，切換耗時越長，影響的數據包越多，影響用戶感知可能性越大。

通過前面的分析，已得出云化后信令交互時延將增加，并會影響數據的傳送質量。一個用戶在特定移速下，在源eNB和目標eNB重疊覆蓋區的中間點觸發切換，在超出源eNB覆蓋范圍后未完成的S1切換將失敗，用戶將重新附著至目標eNB。那么如何保證用戶能夠正常在切換區域內完成切換，保障業務的連續性，提供給用戶更好的感知就顯得尤為重要。為保證S1切換不中斷，核心網信令時延應該控制在多少能夠保證切換流程在切換區域內完成，通過公式（1）可以推導得出。

式中V--用戶移動速度，取一般用戶移動上限值為120km/h;d1--基站測量時間，依據3GPP規范TS 36.133中定義取為200ms[5];d2--基站決策時間，取設備提供經驗數據約為40ms;d3--切換執行時間，包括S1口信令交互時延及核心網元處理時延，從切換信令流程圖中可以看出涉及S1切換核心網元交互消息數12條，網元處理時延取2ms;R--基站間重疊覆蓋區，取通常基站重疊覆蓋最小距離50m，通過計算可以得到切換時單條核心網元信令交互時延應小于40.5ms。按照每千公里10ms雙向傳輸承載時延計算，接入省至大區光纜長度應小于4000公里。

通過推演分析、實驗驗證，已得出核心網業務上云后用戶發生切換時的影響。為保障用戶業務使用感知，需要確保S1接口切換的連續性，在基站在條件許可情況下，應開啟X2接口中轉功能，避免下行業務數據因通過距離更長的核心網通道傳輸導致用戶面時延增加。在網絡建設、設計初期應考慮接入省至大區省之間傳輸距離，避免傳輸距離對切換時延產生嚴重影響。

四、結語

本文重點針對核心網業務采用新型網絡架構后切換時延的變化進行分析，通過理論分析及實驗驗證可以看出，核心網業務上云后會對S1接口切換信令交互時延造成影響，隨著信令交互距離變長，切換時延會變長，期間受到影響的用戶面數據包會變多。最后通過公式計算得出不影響用戶感知的情況下信令交互的時延，并給出了時延優化的方案及對后續EPC業務云化的合理化建議，可以更加有效發揮新型網絡結構的效能。

參? 考? 文? 獻

[1] 包峰巖.電信運營商業務支撐系統云化規劃演進路線研究[D].北京郵電大學.2014

[2] 季 鍇，銀 偉.“云網融合”——新時代運營商增長藍海[J].科技經濟導刊，2020，28（01）

[3] 畢以峰.電信云網絡架構及對云網融合的要求[J]. 信息通信技術.2019（02）

[4] ETSI.Network Functions Virtualisation （NFV）; Ecosystem; Report on SDN Usage in NFV Architectural Framework： ETSI GS NFV-EVE 005 V1.1.1[S].Sophia Antipolis Cedex-France： ETSI，2015

[5] Requirements for support of radio resource management.3GPP TS 36.133 version 15.3.0 Release 15 [S]， 2019