CDMA無線網絡負荷評價預警體系研究

林若洲，劉 昕

（1.中國電信股份有限公司廣東無線網絡運營中心 廣州510081；2.中國電信股份有限公司廣東分公司 廣州510081）

1 引言

目前，廣東省CDMA無線網絡業務增長快速，網絡負荷形勢日趨嚴峻。早在2011年，廣東省的3G與2G網絡負荷已位居全國前列。為了在用戶規模急速增長的同時保證用戶感知，特別是智能3G用戶的感知，必須對網絡負荷進行評價和預警，判斷現階段網絡負荷水平及該水平下的用戶感知，預測未來用戶感知變化的拐點。

網絡負荷的評價與預警十分重要，過去已有不少開展負荷監控的手段和方式，但也存在以下不足：

·評價指標單調、維度單一，只對網絡中某一環節的負荷單獨進行評價，無法反映整體網絡負荷與真正的用戶感知，因為“管道”的傳輸能力往往受限于最窄的一環；

·各廠商設備、各地市網絡結構與用戶分布不同，導致評價標準不同、預警門限各異，無法進行橫向、縱向對比，無法定位問題；

·評價目標“重”網絡資源使用情況，“輕”用戶使用感知；

·評價內容對提前預警的思路體現不足，缺少對影響網絡性能和用戶感知的網絡負荷閾值和網絡負荷未來變化趨勢的研究。

鑒于此，本文提出了一個新型的網絡負荷評價預警體系，其優勢主要在于以下幾個方面：

·包含多層次、多維度的全方位評價指標，實現了對無線側網絡“端到端”的評估，能夠定位網絡負荷的短板，提升投資運營效益；

·通過相對負荷的概念，將各廠商、各地市的負荷水平標準化、歸一化，使全省的橫向、縱向對比成為可能，制定出標準化的負荷指標預警門限，有效地提示網絡負荷與用戶感知風險；

·以用戶感知為導向，多處引入了對用戶感知的考察，平衡了用戶感知與投資效益；

·總結出各指標的“質量拐點閾值”，通過最優的回歸算法預測未來網絡負荷增長趨勢，實現對現階段網絡負荷水平及未來網絡負荷發展趨勢的風險預警；

·整個評價預警體系運作集約化，實現對全省網絡負荷的精確管理，降低運營成本，提升企業效益。

2 負荷評價預警體系構建方案

鑒于以往手段的不足與3G發展新形勢下的挑戰，構建新型的網絡負荷評價預警體系，體系結構如圖1所示。

負荷預警的功能分別體現在負荷評價與負荷預測領域中，是對現階段網絡負荷水平及未來網絡負荷發展趨勢做出的風險提示。

圖1 負荷評價預警體系

圖2 負荷評價指標層次

2.1 負荷評價

負荷評價主要包括以下3方面內容。

（1）指標選擇

為了避免網絡某一環節的負荷過高，而制約整體用戶感知的提升或造成其他環節資源的閑置，必須建立多層次、多維度的全方位指標體系。負荷評價指標層次如圖2所示。

負荷評價指標體系涵蓋了地市、BSC、營銷中心、基站、扇區與載扇共6個層次的網元，指標維度如圖3所示。負荷評價指標體系涵蓋了空口、設備、傳輸3個主要維度，同時為了加強對用戶感知的考察，又將空口與設備2個主維度細分為2G業務/信令、3G業務/信令等4個子維度，引入Ev-Do等效用戶利用率等直接關系到3G用戶感知的負荷指標。

（2）指標算法

為了讓不同規格的各廠商設備之間、不同網絡結構與用戶分布的各地市之間的負荷水平能夠進行橫向、縱向的直觀對比，有效地提示網絡負荷與用戶感知風險，負荷評價通過3個步驟將各負荷指標“標準化”。

步驟1通過引入網絡能力折扣因子與用戶不均勻因子，將各地市網絡結構與用戶分布對負荷的影響歸一量化。

由于地理基站布局、時空用戶分布等不同，網絡容量不等于單個小區容量的疊加。為了能夠體現網絡結構與用戶使用習慣給網絡容量帶來的影響，體系在評估區域級的2G業務負荷時引入網絡能力折扣因子，即網絡能力折扣因子=地理不均衡因子×忙時不均衡因子×數據業務激活因子×基站布局因子，其中每一個因子都代表了該因素對網絡容量影響的歸一化系數。

圖3 負荷評價指標維度

同理，體系在評估區域級的3G業務與信令負荷時引入用戶不均勻因子，即用戶不均勻因子=區域前X%用戶所在的臨界載扇的負荷指標值或負荷前X%的臨界載扇的負荷指標值/區域平均負荷指標，通過調整參數X，體系可以將負荷評價的重點聚焦在網絡中用戶最集中或負荷最高的前X%區域，擺脫以往利用指標均值評價整網時容易忽略的重點區域性能與重點人群感知的缺陷，而這兩者也是網絡中最易受限的“瓶頸”所在。

步驟2為了使指標能夠同時反映網絡的使用情況及用戶的使用感知，體系的負荷指標統計基本遵循“一個原則”，即統計指標在相應網元的忙時時段內的最高值，而不是平均值。如果使用平均值，將會掩蓋統計周期內負荷的波動情況，容易忽視負荷高峰期用戶感知的惡化。如果無法直接取得最高值，則將平均值乘以1.3～1.5的峰均比保護系數，以得到統計意義上的最高值。

步驟3通過研究，總結各指標的“質量拐點閾值”，引入相對負荷的概念。質量拐點閾值的意義為：當網絡負荷持續增長超過此閾值后，將影響網絡性能或不可容忍對網絡性能的影響，同時將惡化用戶感知或不可容忍對用戶感知的影響。各負荷指標以實際統計值為分子，以各自質量拐點閾值為分母，計算出的結果即各負荷指標的“相對負荷”。如載扇級別的Ev-Do等效用戶利用率的質量拐點閾值為4，如果某載扇的等效用戶數為3，則該載扇Ev-Do等效用戶利用率的相對負荷為75%。通過此換算，各層次、各維度的負荷水平最終能夠進行橫向、縱向對比，直觀地定位出負荷問題區域與網元。

（3）指標門限

為了體現提前預警的思路，體系對各指標均設立了三級預警門限，按緊迫性從低到高排列，分別是：提醒門限、預警門限、緊急門限。其中，緊急門限的數值等同于“質量拐點閾值”。以此為基礎，體系將緊急門限的80%作為預警門限，將緊急門限的60%作為提醒門限。通過劃分預警門限，簡化了各層次、各維度的負荷程度表達，也為負荷優化工作標注出目標優先級，體現了提前預警的功能。

2.2 負荷預測

負荷預測也包括如下3方面的內容（為保護企業秘密，隱去本節公式與數字）。

（1）增長預測

增長預測，是指對中長期的網絡負荷發展趨勢進行預測，體系采用基于用戶數發展的負荷發展回歸分析預測機制，具體流程如下。

步驟1因CDMA用戶數的發展時間序列有一個明顯的小幅線性增長趨勢，因此選擇二次指數平滑法對其未來發展趨勢進行預測，通過優化阻尼系數，得出CDMA總用戶數與3G用戶數的發展趨勢函數。

步驟2整理4個網絡負荷代表性指標忙時數據的時間序列，分別是cdma2000 1x反向話務量、cdma2000 1x尋呼信道利用率、Ev-Do等效用戶數、Ev-Do控制信道占用率。為了消除隨機波動的影響，需對網絡負荷與用戶數做月度的移動平均，對網絡負荷與用戶數做相關性分析，并對相關系數做自由度為n-2的顯著性檢驗，證明網絡負荷與用戶數的月度模型之間存在強正相關關系。

步驟3對網絡負荷做基于用戶數發展的回歸預測，得出網絡負荷發展的回歸函數，所得函數都通過相關系數顯著性檢驗，擬合程度高，可用于預測網絡負荷發展趨勢。

（2）拐點預測

根據負荷評價中研究總結出的“質量拐點閾值”，搭配網絡負荷發展的回歸函數，可以預測網絡負荷發展階段瓶頸的時間點，也可以獨立預測用戶使用模型的變化趨勢與拐點。

（3）投資預測

預測網絡負荷發展階段瓶頸的時間點后，假設網絡結構與用戶分布比例不變，可以通過負荷指標算法，反推出如果要把網絡負荷在閾值之下預留一個安全余量，需要新增多少資源。

3 負荷評價預警體系運行成效

負荷評價預警體系運行分為兩塊：一是日常對網絡現階段負荷水平的評價預警，二是根據歷史數據對未來中長期網絡負荷發展趨勢的專項預測。

3.1 日常負荷監控預警

每周定時輸出對全省網絡負荷的監控預警結果，監控對象包含負荷體系中涵蓋的地市、BSC、營銷中心、基站、扇區與載扇共6個層次的網元，監控指標包含負荷評價中的空口、設備、傳輸三大維度下轄的14類指標，預警結果通過相對負荷與預警門限，對以上6個層次所有網元相關的負荷指標水平進行直觀的展示。

負荷評價預警體系運行一年來，曾成功預警到汕尾的cdma2000 1x空口業務瓶頸、清遠等中心區地市的BSC板件負荷瓶頸及部分地市BSC擴容后出現的板件資源分配不均問題，證明負荷監控預警結果能夠全面、及時、準確地反映網絡負荷現狀，有效提示網絡負荷風險，避免因風險事件帶來的經濟損失，提升企業品牌形象，支撐市場規模發展，從而帶來巨大的潛在經濟效益。

此外，每周同步輸出最新的全省扇區級空口擴容規模數據，并將其細分為本周新增、自動恢復、擴容解決3類，有效地指導了網絡規劃與精確投資，提升了企業運營效益。

3.2 負荷發展專項預測

負荷發展專項預測涵蓋兩部分工作：一是根據用戶數及網絡負荷歷史數據對未來網絡負荷發展與資源需求進行預測，預測2013年用戶感知惡化的瓶頸時間點與相應的解決瓶頸問題所需的資源數量，有效指導網絡規劃、優化工作；二是根據歷史數據對重大節假日網絡業務沖擊與保障資源需求進行預測，提前預知網絡過載風險，有效指導保障資源的準備與調配，保障在用戶規模增長的同時，2012年的節假日網絡運行安全。

4 結束語

從一年來的實踐效果看，對網絡進行負荷評價預警，必須將網絡當作“一個整體、一個管道”看待，不能割裂各環節之間的聯系，因為管道的傳輸能力往往受限于最窄的一環。只有統一了各層次、各維度的負荷指標評價標準與預警門限，才能通過網絡各環節之間的橫向、縱向對比，精確定位負荷問題及其處理優先級。同時，隨著市場用戶數量的規模化發展，需要做好網絡負荷未來發展趨勢的預測研究，才能有備無患。

通過做好以上3件事，才能保證用戶使用感知得到提升，網絡資源得到最大化利用，才能降低運營成本，提升企業效益，建設好“智能管道”。