GSM網絡數據流量容量極限研究

中國聯合網絡通信有限公司邢臺市分公司 田宏新

1.前言

智能終端的普及，3G用戶的大發展，為豐富多彩的手機應用軟件帶來了巨大的市場潛力，網頁瀏覽、微博、微信等業務的飛速發展，使得用戶無線數據業務需求急速增長。如今2/3G/4G網絡并存，GPRS數據業務作為3G、4G網絡的補充，需維持很長一個階段，且GSM的數據業務一直在增長，邢臺2013年數據業務比2012年增長100%。而運營商已逐漸停止了2G載頻資源投資。在無線資源不變的情況下，2G數據總流量的增長應存在一個極限，本文即致力于結合數據統計與理論探討，研究這個極限值的計算方法。

2.TBF建立與PDCH信道

2.1 無線數據業務接入原理

MS開機時處于GPRS的空閑狀態，沒有附著到GPRS移動管理功能上，無法識別GPRS網絡。如果想和外部數據網絡進行通信，如發送電子郵件或瀏覽網頁時，首先要申請PDCH信道分配，通過ATTCH附著到GPRSs網絡，再執行PDP上下文激活，分配到一個IP地址，然后才能進行數據傳輸，此時MS處于STANDBY狀態。

數據業務傳輸的每一個上、下行數據單元(LLC PDU)，都被當成是獨立的個體，需要通過TBF建立，分配到相應的PDCH信道上，才能實現LLC PDU的傳遞。

空口數據傳輸的速率由PDTCH的編碼方式決定，EDGE上下行PDTCH可使用9種編碼方式MCS1到MCS9，單時隙應用層最大下行速率為59.2kbps，EDGE采用MCS9這種最高編碼時，理論峰值可以達到384kbps。MCS編碼方式受無線環境和資源等多方面影響，初始編碼由參數INIT_MCS控制，編碼方式的轉換由MEAN_BEP(平均比特誤碼概率)、CV_BEP(平均比特誤碼概率波動系數)和LA(系統內置鏈路編碼速率適配表)控制。

2.2 TBF、PDCH的定義

TBF(Temporary Block Flow)：是指兩個無線資源實體所使用的一個物理連接，以達到在PDCH上支持單向傳遞LLC PDU的目的。網絡可以給TBF分配一個或多個PDCH信道。

一個TBF包含很多RLC/MAC塊，用來承載一個或多個LLC PDU。網絡給每一個TBF安排一個TFI(Temporary Flow Indicator)，用來唯一的標識一個TBF。在上行鏈路方向，規范中使用USF(Uplink Status Flag)，從而允許不同的MS動態復用一個無線塊。USF包含在下行RLC/MAC塊的塊頭內，當MS收到一個下行RLC/MAC塊內的USF值與之前分配給手機的USF值相同時，MS就準備在上行鏈路的對應時隙進行上行RLC/MAC塊的傳遞。TBF是代表用戶的一個會話的開始和結束的標志。

PDCH(Packet Data Channel)：分組數據信道，是實現GPRS的最基本要素，是無線數據業務在空中接口上的承載邏輯實體，它和話音信道一樣都是由GSM載頻提供的。BSC中的功能模塊PCU(分組控制單元)負責為PS業務用戶分配PDCH信道。

在GPRS網絡中有兩種PDCH分配，一種是專用PDCH(Dedicated PDCH或FPDCH)，一種是動態PDCH(on-demand PDCH)。專用PDCH是只用于承載GPRS數據業務，不能用于承載話音業務，在定義專用PDCH之后，專用PDCH信道將固定占用PCU的GSL(GPRS SIGNALLING LINK)設備。由于專用PDCH不能承載話音業務，所以增加小區的專用PDCH將減少話音TCH信道的容量，在CS話務量升高時，會影響小區的擁塞程度。動態PDCH是在一定條件下由系統觸發分配，當需要更多的PDCH用于承載PS業務時，系統會從CSD(Circuit Switch Domain)里面分配空閑的TCH作為動態PDCH。動態PDCH只是臨時分配給GPRS用戶使用，當沒有TBF在上面傳送時，它會返回PSD(Packet Switch Domain)，如果在一定的時間內沒有傳送數據，它將返回電路域。

2.3 PDCH與TBF的關系

一個PDCH上可以同時復用多個TBF，最高復用TBF的個數可以由小區級參數MAX_UL_TBF_SPDCH、MAX_DL_TBF_SPDCH(一個SPDCH上允許建立的最大上、下行TBF數)來控制。這里可以引入PDCH復用度的概念，(PDCH復用度=下行平均并發TBF數/占用的PDCH的平均數目)來反映PDCH信道上TBF的復用情況。

一個TBF也可以同時占用多個PDCH信道，可以通過參數MAX_PDCH_PER_TBF(Ater負荷為正常時，單一TBF分配PDCH數最大值)來調整。

用戶的TBF向PDCH分配時，不同廠家的分配方式不同。有的廠家采用平行算法，直接向所有PDCH信道分配，由于單個PDCH上的TBF并發數是有限制的，如果PDCH的上行或下行并發數滿載，新TBF無法接入，需要調整PDCH信道的配置，這個過程需要一定的時間和算法，這也會對用戶的感知受到一定影響；另外一種是垂直算法，即預留出一定的PDCH，為新進入的用戶預留，但用戶又不能得到最佳的帶寬。

2.4 PDCH承載效率的引入

PDCH承載效率(Kbps)=[上下行總流量(MB)*8*1024]/[PDCH平均占用數*3600]。

PDCH承載效率描述的是網絡的PDCH信道資源與單位時間段產生流量之間的關系，也可以理解為PDCH信道平均占用的速率。PDCH資源不變的情況下，隨著流量的增長，網絡整體的PDCH承載效率會逐漸提高，由于PDCH承載效率的極限值無法直接預估，無法由此預估流量增長極限。

3.流量極值研究

3.1 TBF占用與理論流量極限

設：S=總流量(KB) P=PDCH平均占用數T=TBF建立次數

由于每次TBF的建立有一個過程，而TBF釋放時還有釋放時延，雖然占用PDCH信道，無法產生有效流量，也就是說每次TBF建立嘗試和釋放都有一定的無效時間。下圖為TBF釋放的示意圖(其中T3192指手機在下行TBF釋放后，網絡可直接在PACCH發送下行立即指配消息的時延)，根據TBF的建立流程及TBF釋放相關參數，該無效時間約2s(Alcatel)。

(其中T3192指手機在下行TBF釋放后，網絡可直接在PACCH發送下行立即指配消息的時延。)

圖1 TBF釋放示意圖

理論上單TBF使用最高編碼(單時隙應用層最大下行速率為59.2kbps)，持續下載數據時，可達到極限流量，而每次TBF建立嘗試和釋放都有一定無效時間，因此在PDCH資源不變的情況下，當TBF建立趨于飽和時，TBF建立的次數越多，產生的無效時間就越長，從而導致有效流量和PDCH承載效率的逐漸降低。因此在極限情況下，總流量隨TBF建立次數的增長將呈現為一條下降趨勢的直線。

不定式一：

S=(P-(T*2/3600))*(59.2/8)*3600

3.2 實際數據分析TBF建立與流量的關系

隨著數據用戶和業務的增長，網絡流量持續在增長。根據現網各BSC一段時間內的TBF建立成功次數與產生的流量，擬合出TBF建立次數與流量的關系，總流量隨TBF建立次數的增長呈現為線性增長趨勢。

不定式二：S=1.349T-11729

圖2 BSC建立TBF次數與產生流量的散點圖

由于數據流量的增長，不僅受空口資源的限制，還受GP負荷、Gb口負荷、G-Ater口負荷等多種因素影響，隨著TBF建立數的增長，流量的增長體現出非線性。流量在研究空口流量極限時，應對以上數據有所修正?？梢灾缓Y選現網TBF建立成功率較好BSC為采樣，擬合公式如下：

不定式三：S=1.512T-32658

圖3 較好BSC建立TBF次數與產生流量的散點圖

3.3 流量極限值計算

匯總比不定式一和不定式三，組成二元一次方程組，不定式一為隨T增長下降的直線，不定式二位隨T增長上升的準直線，兩條線的交點即是流量極限值。

S=(P-(T*2/3600))*(59.2/8)*3600

S=1.512T-32658

上式中P為PDCH平均占用數，隨流量增長變化不大，可作為一個常量，由此可解出當前網絡的流量增長極限S_max以及對應TBF建立次數T。再由S_max和P可求出當前網絡的PDCH承載效率極限值。

PDCH承載效率_max=[S_max*8]/[P*3600]

4.流量極限研究的意義及延伸

4.1 效益評估

目前運營商的無線數據業務都是根據流量包計費的，通過對現網流量極限的研究，可以對2G數據網絡的效益增長極限直接進行預算。

4.2 數據網絡飽和預警

隨著2G數據業務需求的增長，數據總流量逐漸偏離線性增長，用忙時的總流量對比流量的增長極限，可以設定2G數據增長的飽和預警值，對全網數據服務質量進行預警。當數據流量趨于飽和預警值時，可通過2、3G互操作，臨時資源調整、臨時參數調整等手段進行干預控制。

4.3 極限值算法的偏差

通過本方法計算網絡流量增長的極限值，是根據理論上TBF建立增多導致的無效占用時長增加，結合現網TBF建立與流量之間的散點圖計算而得。由于無線數據業務還受到有線資源的限制，無線質量的影響等，編碼方式也不會100%達到MCS9，而單個TBF建立的無效時間也是結合參數設置得出的經驗值，因此最終結果和真實情況會存在誤差。

[1]韓冰杰.GSM原理與網絡優化[Z].河北移動公司BSS培訓教材初稿.

[2]韓冰杰.GPRS原理與網絡優化[M].機械工業出版社.

[3]段安石,張建奎,沙國益.無線網優參數集(GSM阿朗)V2.3.0-B11[D].上海貝爾阿爾卡特大學.

[4]BSC COUNTERS CATALOGUE B12[Z].上海貝爾阿爾卡特大學.