WCDMA網絡分組數據業務對網絡模型影響的分析

摘 要： 由于分組網絡中，長期以關注數據流量為主，而忽視了信令問題對網絡的影響，一定程度上影響了網絡建設的準確性和針對性。各種低速數據應用的快速發展給網絡帶來了較大的影響，按照僅考慮流量需求的建設方式已不適合現階段的業務發展。從分析網絡現狀入手，通過分析對比2G和3G在網絡流程方面的差異，以及終端因素在業務流程中的影響程度，找出3G網絡信令沖擊大的原因及信令沖擊的產生場景，最后通過修正網絡模型，增加網絡模型中新的模型參數，以指導后期網絡規劃建設。

關鍵詞： WCDMA； 業務模型； 業務請求； 重定位

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

0 概 述

隨著3G用戶規模的增大和具體應用的多樣性，分組域網絡建設出現了新的挑戰，網絡瓶頸除原來的用戶容量、流量帶寬、激活PDP等參數外，信令負荷也逐漸成為新的網絡瓶頸，本文首先分析分組域信令負荷激增的現象及信令變化對網絡容量的影響，再分析分組域3G信令流程和出現瓶頸的原因，并在現有業務模型的基礎上，修正分組域業務模型，以指導后續網絡建設。

1 現狀分析

1.1 網絡問題現狀分析

分組域信令負荷問題在2012年逐漸成為網絡中的瓶頸問題，而且將逐漸由個案變為一個共性問題。以某省網絡為例介紹網絡問題現狀：

3G用戶發展和業務收入增長速率排在全國前列，自2012年6月份以來，雖然移動分組網用戶增長速度、忙時數據吞吐量增長速度保持月均增長10%左右，但設備信令負荷、內存占用率、CPU利用率等指標增速更快，造成了在網絡容量指標均滿足需求的情況下，設備處理能力無法滿足網絡正常發展。

究其原因，主要與設備配置模型有關，在以往的網絡規劃建設中，IP網絡的信令負荷一般忽略不計，或按照業務負荷的1%～3%考慮。由于移動互聯網實時在線類應用的普及，如微信、微博、QQ等業務流量小、使用頻次高、并不斷有推送類消息[1?2]。該部分業務并不帶來大流量需求，但影響了網絡中移動性管理：當MS進入Idle狀態， RNC會觸發Iu Release消息到SGSN。當MS從Idle進入Connect狀態， RNC會觸發Service Request信令到SGSN。這種頻繁的狀態轉換，給SGSN帶來了大量的業務請求流程的處理，激增了信令處理的負荷開銷。

1.2 現狀分析量化數據

1.2.1 分組業務用戶發展情況

根據現網數據統計分析，2012年3G出賬用戶年增長107%，3G數據用戶增長103%，3G數據用戶出賬滲透率保持在80%左右，基本穩定。如圖1所示。

1.2.2 分組業務數據流量發展情況

從2012年1—8月的數據統計結果，3G數據流量發展良好，忙時數據流量增速較快，8月忙時流量速率超過5 Gb/s，3G附著用戶數達到57萬，3G用戶月均流量年均增速近30%。3G業務上下行比例較大，最高比例達到8.0，3G業務以下行數據為主。如圖2所示。

1.2.3 智能終端統計

智能終端統計結果表明：

（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用戶既帶來了數據流量和信令負荷的增長翻倍。

（2）隨著3G終端的普及，現網業務模型將明顯增大，業務流量變化會較大，后期業務模型變化會較明顯。

1.2.4 分組業務信令處理能力負荷變化統計

根據現網數據統計分析，SGSN的信令總數為激活類消息的70倍，為附著類消息的20倍。也就是說SGSN總信令負荷是處理附著和路由更新的信令負荷的20倍，是處理激活類消息的70倍?；蛘哒fSGSN信令負荷90%以上是用戶狀態變化引起的，而非承載數據業務引起的。

1.3 現網分組域性能參數

現網分組域瓶頸主要體現在Iu接口方向的業務請求增大，帶來的系統處理能力的緊張，其他參數基本正常。隨著3G業務的迅猛發展，SGSN的信令負荷增速較快，但SGSN的信令負荷相對3G流量增速更快，增速達到177%。SGSN的信令處理能力問題，將超過網絡容量和流量等因素，成為制約網絡容量的第一瓶頸因素。

1.4 分組域流程分析

3G信令負荷的快速增長問題要3G規范和業務流程上分析，由于3G網絡和2G網絡在承載面差別不大，主要是提供更高的數據速率，主要差別在2G網絡和3G網絡在信令方面上。主要體現在移動性管理功能上，從用戶終端和網絡側的移動性管理狀態，到流程定義均有差異。這就帶來了3G網絡信令負荷與2G網絡的差異，出現了新的網絡瓶頸點，本文主要在有差異的地方進行專項分析。

在移動性管理狀態方面，2G網絡分為空閑狀態（Idle）、就緒狀態（Ready）、備用狀態（Standby）等3種狀態，分別標識于終端側和網絡側。

3G網絡分為空閑狀態（PMM?Idle）、連接狀態（PMM?Connected）、分離狀態（PMM?Deatched）等3種狀態[3]。

PMM?Idle狀態下，SGSN知道MS的位置（路由區），但需要尋呼。與PMM?CONNECTED相比，pdp上下文都可能建立，但PMM?IDLE狀態不會建立Iu連接或無線的連接。當信令連接建立時，狀態變為PMM?CONNECTED。當GPRS去附著時，狀態變為PMM?Deatched。

PMM?Connected狀態下，MS和SGSN有信令交互，用戶狀態在MS和SGSN中同為PMM?CONNECTED。當信令連接被RNC釋放或連接中斷，狀態變為PMM?IDLE；當信令連接超時，SGSN釋放信令連接，狀態變為PMM?IDLE；當GPRS去附著時，狀態變為PMM?Deatched。

PMM?Deatched狀態下，該狀態指MS與SGSN無任何連接，MS不可達SGSN，SGSN不知ms的存在。當兩者之間有信令交互以建立附著時（附著請求時），用戶狀態在MS和SGSN中同時變為PMM?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的移動性管理狀態對比除狀態名稱變化外，在狀態轉移流程上也有新定義，3G支持在連接狀態的RNC重定位，而2G網絡無此狀態轉移流程。

根據3GPP TS23.060的定義，綜合對比分組域的業務流程，2G中不發生的流程有：業務請求、RNC重定位等。其中業務請求流程中，包含鑒權過程、加密過程和完整性過程等子流程。 2G和3G網絡的流程差異對比如表1所示。

業務請求流程僅在3G網絡發生，主要作用為：IDLE狀態的MS向SGSN請求建立一條連接，用于發送上行鏈路信令消息或用戶數據；MS在CONNECTED狀態時，也可為已激活的PDP 上下文請求資源預留。

2 分組域主要性能參數解析

2.1 SGSN的主要性能參數

影響SGSN的主要性能參數有以下6類，具體如下：

（1）附著用戶數。影響該參數的變化，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、用戶附著率等參數的變化也會影響該參數。

（2）業務請求。主要指3G的各類業務請求，包括信令（路由更新）、數據請求和廣播通知等，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側實現，所以對SGSN網絡瓶頸基本無影響。

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

（5）IP包長。IP包長影響開銷字節的占比，對系統有影響；若增大包長，相應處理負荷會有下降。

（6）上下行數據量比例。集采建議1∶6，省內目前為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

影響GGSN的主要性能參數有以下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）內容計費。該部分對SGSN影響較大，是否開內容計費影響處理能力近50%，按照100%內容計費考慮，對后續無大的影響。

（4）IP包長。IP包長影響開銷字節的占比，對系統有影響；若增大包長，相應處理負荷會有下降。

（5）上下行數據量比例。集采建議1∶6，省內目前為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

由現狀分析章節，網絡瓶頸主要出現在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，即業務請求、RNC重定位等流程為信令負荷增長的主要原因。綜合分析信令負荷增加的現象及網管統計，分析原因為：

（1）3G業務流程與2G業務流程的差異帶來的影響。3G業務特有流程：Service Request，包括MS側發起的業務請求和網絡側發期的業務請求。

（2）用戶使用行為帶來的影響。3G智能終端和具體應用帶來的影響異，智能手機會帶來額外的信令負荷，如用戶在發送消息后會迅速進入Idle狀態，下次快速進入到Connect狀態，這樣就會不斷的在Idle與Connect狀態之間進行轉換；部分永遠在線（always on）的應用會增加終端不斷在Idle和Connect狀態之間進行轉換。核心網在大量的業務請求流程中，激增了信令處理的負荷開銷。

經數據統計分析，分組域瓶頸主要體現在Iu接口方向的業務請求增大，帶來的系統處理能力的緊張，如圖6所示，平均每一次PDP激活（可視為一次用戶使用數據類業務）帶來SGSN信令消息70條。按照網元性能參數統計，每業務請求對應CAPS處理能力列表如表2所示。

由表2分析可知，Service Request、路由區定位和Iu Release流程占總流程CAPS的58%。即正常業務流程下3G 信令負荷比2G信令負荷高出1倍，如果受智能終端及用戶使用習慣的影響造成的狀態頻繁切換因素，就進一步加大了信令負荷程度。由于用戶行為習慣有一定的規律性和短期穩定性，因此在分組域模型中必須考慮影響信令主要因素的參數信息———每戶業務請求次數。如表3所示。

表3 分組域模型表

3 結 語

由于用戶行為習慣不是一成不變的，智能終端的發展也會帶來信令負荷的變化，僅靠固定的業務模型是不能滿足的，需要實時跟進網絡發展，分析網絡瓶頸，修正業務模型，指導網絡建設來解決現網存在的問題。本文通過對比2G、3G流程區別，分析影響信令負荷的主要因素，提出修正后的業務模型指導后期網絡建設。

但僅靠網絡建設解決網絡存在的問題還是不夠的，需要同時考慮核心網參數的優化手段[4?5]。雖然用戶行為習慣、智能終端特點非網絡可以控制，但優化網絡參數也可以解決部分信令問題，如優化PDP去激活控制，DT技術控制。

參考文獻

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