IM類應用對移動網絡的擁塞機制分析及應對策略

薛立宏，孟建庭，羅 毅，周 濤

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 概述

隨著全球3G網絡覆蓋的完善和智能化終端的普及，移動互聯網業務得到快速發展。移動互聯網應用逐漸滲透到人們生活、工作的各個領域，圖鈴下載、移動音樂、手機游戲、視頻應用、手機支付、位置服務等豐富多彩的應用，改變著信息時代的社會生活，給用戶帶來了巨大的方便和豐富的體驗。據Gartner公司預測，到了2013年，43%的全球設備都將使用移動寬帶，未來10年整個網絡的流量將增加75倍，其中移動寬帶的流量增長將超過2000倍。

這種趨勢對電信運營商而言，既是機遇，也是挑戰。一方面，移動互聯網應用極大地拉動了數據流量，并帶來相應收入的增加，同時促進移動網絡向高速率、低時延、扁平化的方向演進；另一方面，移動互聯網流量爆炸式增長也帶來了一系列問題。

（1）網絡投資和運營成本激增

移動互聯網流量占用了大部分的運營商管道資源，造成網絡投資成本和運營成本驟增，業務投入產出比下降；

（2）客戶業務使用體驗下降

粗放式、管道化運營模式，無法對不同業務提供差別服務，突發流量造成網絡擁塞，導致用戶業務訪問時延超出極限，客戶業務使用體驗下降。

相對核心網絡的光傳輸高帶寬通道而言，由于移動網絡無線頻譜資源稀缺性、受頻率干擾限制基站不可密集部署、單載波接入帶寬能力等因素限制，無線空口的接入容量是“受限的”，因此，移動通信網絡數據業務接入瓶頸點在無線空中接口。下面，本文結合現有應用的流量特征情況，重點研究IM類應用對無線空口的擁塞機制，同時結合現網的實際情況，在不同層面提出相應的應對策略。

2 IM類應用對移動網絡的擁塞機制

2.1 移動應用流量特征

應用流量是用來定量地表示通信系統中各種設備或通道承受的負荷，也用來定量地表示用戶對通信業務需求的程度，研究應用的流量特征及各應用之間組合模型可以最終評估網絡的承載壓力。單一應用的流量特征綜合考慮該應用的業務特征和市場需求，業務特征考慮的因素主要包括：平均會話數據量（KB）、平均會話時間（s）、占空比會話平均速率（kbit/s）、通道速率（kbit/s）、會話中平均分組呼叫次數、分組呼叫數據量（KB）等，而市場需求因素主要考慮用戶使用總量、業務的用戶滲透率等。

下面，基于現有移動互聯網應用的流量統計結果，初步評估不同應用通信網絡可能造成的影響。以國內某省運營商某月度數據為例,見表1。

雖然手機視頻類應用接入帶寬要求為至少70 kbit/s，單日流量也比較大，相對而言，IM應用、網頁瀏覽類應用接入帶寬要求為15 kbit/s，但IM應用日平均會話時間較長，且用戶數較多，因此對網絡擁塞影響比較大。假設應用流量和會話時間對信令影響因素各占50%，將上述2項結果歸一化，初步得到如下結論：IM類 （IM應用和SNS社區，如QQ和開心網）、門戶瀏覽為代表的小流量長連接類應用是目前網絡擁塞的主要應用形式。

小流量長連接型IM類應用的主要特點是：用戶數量基數量大，單用戶會話時間長。手機客戶端以一定時間間隔向網絡平臺發送數據（或網絡平臺主動要求終端上報數據），單次發送數據的TCP或UDP凈荷較小 （一般1 KB以下），流量呈現為突發、間歇性的短包，主要應用形式是IM即時消息、微博、M2M行業應用。小流量長連接型IM類應用為何是目前網絡上造成擁塞的主要應用形式，接下來，結合其業務的注冊過程和掛起過程，進行詳細分析。

2.2 IM應用對移動網絡的影響

（1）IM應用注冊過程對網絡的影響

在不考慮功率分配以及干擾的情況下，cdma20001x系統的接入容量受限于碼資源，如圖1所示。

如圖1所示，最底層的碼為1x Walsh Code，速率為9.6 kbit/s,可以承載一個語音業務，一共是64個，但其中導頻信道、同步信道以及尋呼信道占用了3個1x Walsh Code，則一個cdma20001x載波理論上可承載61個語音用戶。

對于數據業務而言，為了承載更高帶寬業務，需要通過碼道捆綁，如2×19.2 kbit/s）、4×（38.4 kbit/s）、8×（76.8 kbit/s）、16×（153.6 kbit/s）等。對于捆綁碼道要求是連續分配，并且歸屬一個根節點，而公共信道碼道是固定位置的。由此可以得出：理論上，單載波19.2 kbit/s用戶數為25個，38.4 kbit/s用戶數為11個，76.8 kbit/s用戶數為5個，153.6 kbit/s用戶數為2個，同時在不建立SCH情況下，可以使用一個FCH（速率為9.6 kbit/s），一共有 61個，并且以上都是前向鏈路速率。反向鏈路速率是根據終端的發射功率、要發送的數據大小、終端緩存大小等條件來確定反向鏈路速率。

表1 移動互聯網各類應用流量

圖1 cdma20001x碼資源情況

因此，受前向鏈路碼資源的限制，cdma20001x數據網絡單載扇最多支持61個用戶同時在線。根據運營經驗，考慮到功率與干擾的影響，單載扇最多支持40個左右用戶同時在線（此為語音業務仿真結果，前反向速率均為9.6 kbit/s）。而對于是移動IM等小流量長連接類型的業務，反向鏈路干擾將更大，單載扇可同時接入的用戶數將會更低。如果大量激活移動IM等小流量長連接類業務，勢必會導致熱點區域（如校園內）cdma20001x數據網絡的擁塞，此擁塞原因可能并非是話務量受限，而是并發用戶數受限。

因此，在校園推廣移動IM類業務，勢必導致移動通信網絡出現容量限制、網絡擁塞的問題，引發的原因也就是碼資源受限或者功率（干擾）受限。

（2）IM應用掛起過程對網絡的影響

移動IM業務掛起（空閑狀態）時會觸發終端進入休眠狀態釋放空口資源，但應用為了保持狀態更新，定期通過心跳信息刷新用戶狀態，在此過程中也會產生小流量，從而觸發休眠狀態到激活狀態的反復遷移，占用一定時間的空口資源。以某運營商校園QQ類業務應用為例，統計發現：該校園所在地區的基站所有載頻尋呼消息數目約為80000條/小時，每小時平均注冊用戶數為150個，每個智能手機每小時就產生533條尋呼消息，系統平均6.7 s就對用戶尋呼一次，建立一次數據連接。下面，為了更好地了解移動IM業務掛起過程中對空口資源的占用情況，對某用戶一段時間內移動QQ業務掛起過程中信令切換行為進行監測，測試結果見表2。

上述測試結果表明：移動QQ業務在掛起狀態時，會頻繁發生激活狀態與休眠狀態間的遷移，其處于激活狀態占用空口業務信道時長的比例接近40%，同時，頻繁從休眠狀態到激活狀態遷移，尤其在校園這種使用時間密集、使用人員密集的特定區域，會造成接入信道的擁塞。因此，移動IM類應用在掛起過程會極大地消耗空口業務信道和接入信道資源，從而導致無線空口的網絡擁塞。

表2 QQ掛起狀態網絡活動分析

（3）流量經濟效益

由于移動通信網絡資源有限，在進行流量經營的時候，運營商非常關注單位流量產生的價值。為評估現有移動互聯網應用流量所產生的收益，下面以一個典型用戶的使用行為情況為例，從經濟效益所產生的角度進行分析,具體情況見表3。

表3 典型用戶流量行為

傳統通信模式下，用戶的主要話務就是短信、語音。隨著移動互聯網時代的到來，用戶更多使用一些數據業務，如瀏覽網頁、IM、微博等。下面以移動互聯網中IM類用戶典型話務行為為例 （此類用戶的特征就是經常使用IM應用，基本代替了長途語音話務，且短信業務很大一部分被替代），對傳統通信模式與移動互聯網模式下，不同的用戶話務行為所產生的收入進行初步分析，見表4。

深入分析其中原因，發現：傳統通信模式下10元300條短信套餐用戶轉成移動互聯網模式下15元80 MB數據用戶，80 MB流量平均可以發送8000條消息，對用戶而言，信息溝通能力擴大了25倍。對運營商而言，由于IM類消息對短信和通話都有一定替代效應，從而導致運營商收入下降。

另一方面，移動互聯網用戶每月80 MB流量統計中平均每月在線時長為60 h，相當于每天2 h。而用戶每月300條短信，平均每天5條短信，大約占用2.5 min的網絡資源，相對于傳統的短信用戶，轉到數據用戶后，對網絡資源的消耗增加了約50倍。

因此，從移動互聯網流量經濟效益分析的角度看，隨著帶寬提升、互聯網替代通信類應用的進入以及運營商間競爭的加劇，一方面運營商非話業務收入占比將進一步下降，另一方面總體收入面臨下降的風險，運營商希望依靠流量增量的收入來彌補傳統通信收入的下降還遠遠不夠。

3 應對策略

3.1 技術策略

3.1.1 應用軟件層面

從上面分析可知，應用軟件的掛起過程中交互行為導致消耗大量的空口資源，因此，首先可以結合應用軟件的實際情況，通過優化業務交互流程，降低頻次和交互報文數量，從而減少對空口資源的占用，具體可以采取如下措施。

（1）網絡平臺側，針對下行網絡連接交互報文進行優化

精簡合并網絡通信協議，如通過新增拼包緩存邏輯將好友狀態變化和消息都進行后臺緩存拼包下發，減少下行包量；針對移動版本應用取消部分增值應用減少報文數量，在最新優化版本中將優化版本建議取消“好友上下線”的狀態通知，以此降低對移動網絡的沖擊。

（2）客戶端側，針對上行網絡連接交互報文進行優化

針對移動版本客戶端取消用于維持TCP網絡鏈接的心跳包；采取降低常用功能網絡交互頻率，盡量減少網絡交互或增加網絡交互延時等方式，如降低狀態查詢（心跳）頻率，減少連接網絡的頻率。

（3）研究客戶端與服務平臺之間數據連接的心跳替代方案

采取匿名短信方式承載心跳（短信的無線空口接入效率比數據連接高）；建立網絡和應用的信任機制，將網絡記錄的用戶狀態、位置信息、會話狀態轉換為心跳信息，傳遞到應用層，從而替代心跳。

在應用軟件層面，初期可迅速采用客戶端優化方案，如建議QQ心跳連接報改為10 min發送一次，但采用客戶端優化方案網絡擁塞狀況很難有大改善，且延長心跳間隔會影響客戶體驗，故后期優化策略建議采用應用軟件網絡平臺側優化和心跳替代方案。

3.1.2 網絡服務層面

移動網絡資源是按需分配、分時使用，而移動互聯網應用的設計是按照固網永遠占用資源方式進行設計，如小流量長連接型應用中心跳連接過程會導致短包頻發，從而引發長時間大量無效占用寶貴的無線網絡資源。因此，運營商可以基于移動網絡的特點，在網絡服務層面采取如下措施進行引導和優化。

（1）網絡休眠定時器優化

如在CDMA網絡系統中，可根據業務情況調整Domancy定時器，在用戶比較多的cdma20001x扇區，修改Domancy定時器時間間隔，避免業務信道長期占用。

（2）打造智能管道，網絡感知應用，實現差異化接入

相對于目前粗放的純管道方式，智能管道的目的是疏導、壓縮和優化現有網絡流量。通過在網絡中引入PCC架構，基于資源靈活指配和定制化管理等技術手段，智能管道能實現端到端QoS控制，如按用戶自助需求對帶寬、時長、流量、服務等級等資源進行快速指配，提供業務自管理服務；按網絡管理需求，對用戶、業務所需資源進行定制化管理調配，包括分時段、按流量、分等級的精細管理等。

在網絡服務層面，初期可采用網絡休眠定時器優化措施優化長連接應用占用業務信道，從而間隔提升網絡容量，但根本性措施是運營商需要逐步打造智能管道能力，利用網絡實現對用戶信息和業務的感知及標識，差異化通道實現對重點業務及用戶個性需求業務的端到端質量保證，優化服務能力和流量價值，對資源消耗高、對其他業務影響大的業務流量進行管控。

3.1.3 無線接入層面

從上述分析可以看出，網絡擁塞的主要原因在無線空間資源不足，因此有必要采取一系列措施優化現有無線接入手段，擴寬無線空口鏈路。

（1）優化提升現有空口參數配置

以CDMA網絡為例，可以采用指配更多R-ACH、反向鏈路干擾消除（RLIC）、反向增強接入信道（R-EACH）等技術有效提升系統容量。在800 MHz容量不夠時，采用2 GHz及以上頻段擴大網絡容量，如圖2所示。

圖2 空口信道接口優化提升方法

（2）可采用扇區小區化方式擴大系統容量

如在公眾場合，將單載頻單全向基站升級為多扇區基站，在家庭場合采用微蜂窩基站（femto）利用家庭中的固定接入帶寬分類大網容量。如在cdma20001x數據網絡擴容規劃時，在估算話務量的同時更應該考慮網絡允許的并發用戶數。目前，普遍提出的網絡擴容思路是基于每用戶平均話務量估算網絡容量，這沒有解決校園的“朝夕效應”（即校園人流特點是白天過于集中在教學樓，晚上又過于集中在寢室樓），依此方式進行網絡擴容，仍會有“不同載扇在不同時間段發生擁塞”的問題發生。因此，基于載扇的并發用戶數進行擴容規劃，可能會進一步增加投資，但仍無法避免網絡擁塞問題的發生。

（3）采用WLAN分流移動網絡流量

如中國電信專有的C+W融合技術，就可以通過公眾場合的WLAN接入網絡分流移動流量。C+W融合技術本質上將WLAN作為一種特殊形式的無線蜂窩，其鑒權認證方式完全采用現有移動網絡方式，如圖3所示。

從網絡結構上看，wPDIF和RNC/PCF（無線網絡控制器）處于同一位置，完成的功能也類似，區別在于RNC是接入的基于無線的用戶，而wPDIF是接入的基于Wi-Fi寬帶IP的用戶。

3.2 資費策略

目前，數據流量套餐的計費方式主要有：按流量計費、按時長計費、按內容計費，其中按時間計費主要用于早期固網方式和移動網絡建網初期，在移動通信網絡中現已基本廢除不用。

按流量計費是在使用的業務被接入網絡后，按照實際產生的數據比特流來進行計費。從國外成熟運營商流量計費形式來看，主要有如下幾種典型形式，見表5。

按內容計費方式是指運營商通過對用戶使用的數據包進行過濾和分析，然后識別和區分出用戶數據傳送的內容種類和屬性，并把相關信息傳送到計費系統進行計費。按內容計費可以最大程度地實現靈活計費，滿足業務發展要求，但目前由于技術成熟度的原因，在全網實施實現難度較大。

圖3 C+W融合系統架構

表5 國外運營商主要流量計費形式

目前，國內運營商的數據業務流量套餐體系不是非常合理（如目前的校園營銷套餐中主推無線上網流量，而大部分用戶將流量用于移動IM等低價值類業務，從而導致校園地區網絡擁塞），因此需要借鑒國外運營商經驗，如在現有的套餐體系中考慮。

· 自營業務加入套餐體系，鼓勵用戶使用，包月使用流量不封頂；

· 獨立第三方業務在調研基礎上設置基本套餐，滿足基本需求，在容量富余地區超出部分采取折扣優惠，在網絡擁塞地區采取標準資費收費；

· 考慮語音、短信和數據業務融合套餐，一方面滿足用戶基本數據通信需求，另一方面引導用戶通信時盡量采取傳統的通信方式，從而防止傳統通信業務量下滑；

· 在未來技術條件具備時，引入按內容計費形式。

運營商需要逐步優化現有的套餐體系，引導用戶流向使用高價值的應用、自有業務應用，更多使用傳統通信業務，從而提升網絡價值。

另外，從日韓等運營商移動互聯網戰略來看，移動互聯網業務平臺化是大勢所趨，如日本NTT DoCoMo主導的以I-mode為品牌的移動數據業務模式、國內中國移動Mobile Market模式等。因此，運營商應該通過應用下載、數字閱讀、彩鈴音樂、視頻等基地的產業化運作，將用戶吸引到運營商的平臺上來，滿足移動互聯網“長尾”客戶需求，同時通過跟這些領域中的優秀廠商合作，發揮各自的優勢，以最小的流量成本獲得最大的運營收益。

4 結束語

雖然隨著傳統語音通信市場的日趨飽和，移動互聯網的發展給電信運營商帶來了移動數據流量的巨大提升和一定收入提升，但總體上移動互聯網應用流量帶來的擁塞壓力猶存，運營商管道化趨勢難以避免，實施精細化流量經營是必然選擇。因此，聚焦流量經營，通過應用軟件功能改進、網絡服務性能優化、無線接入分流及技術演進、市場營銷引導合理消費等層面措施，延緩現網擁塞壓力，避免淪為各服務提供商的純數據傳輸管道，同時更好地關注用戶移動互聯網業務使用體驗，是運營商需要持續研究課題。

1 3GPP2 C.R1002-B v1.0 cdma2000 evaluation methodology,December 2009

2 IEEE 802.16m-07/080.Evaluation methodology document

3 沈晶歆.移動互聯網關鍵技術及典型業務產品研究.電信科學，2010（10）

4 李一明.移動互聯網增值業務發展研究.電信科學，2010（10）

5 CNNIC.第 27次中國互聯網絡發展狀況統計報告,2011