移動互聯網業務在LTE時代的發展分析及業務建模

中國聯通網絡技術研究院 北京 100084

引言

移動互聯網業務在LTE時代的發展分析及業務建模研究，對未來移動通信網絡建設具有基礎性指導作用。4G時代的移動通信系統將是一個以用戶為中心、提供個性化業務體驗的開放融合的信息基礎平臺[1]。隨著移動互聯網的迅猛發展，移動用戶的數據業務需求進一步提高。在無線移動通信領域中，已經逐步形成多種類型數據業務共存的局面，用戶行為的變化成為影響移動通信網絡業務構成的主要驅動力[2]。

在即將開展LTE網絡部署的情況下，需對LTE業務分析與建模開展深入的研究工作。通過對LTE網絡的業務構成、用戶行為、業務特征等方面進行研究，構建LTE業務模型，作為LTE網絡部署與設備配置的基礎。

1 國內LTE業務發展趨勢

基于國內移動互聯網業務的發展歷程，結合國外LTE運營經驗，本節著重分析不同類型業務的未來發展趨勢。

1)視頻流類業務。包括在線視頻等，該類業務具有下行數據包較大、下行流量較多的特點。目前，國內3G網絡中，視頻流業務流量已經占據一定比例，并且正在不斷增長。在國外很多國家和地區，視頻業務已經成為LTE網絡的主流業務。例如，在某北美運營商的業務構成中，視頻業務的流量占比位居首位。另一方面，很多研究機構(例如思科的研究機構等)指出，移動互聯網業務發展趨勢與早前的傳統互聯網業務發展有諸多相似之處[3]，因此，視頻業務也將成為LTE的主流業務之一，并且在后續的網絡演進中具備很大的業務增長潛力，占據較大的業務比例。

2)背景下載類業務。包括網頁瀏覽、E-mail、FTP等，該類業務屬于傳統移動互聯網業務，其業務特點也已經分析得比較清楚。在目前的3G網絡中，背景下載類業務的業務量占比較大，尤其是網頁瀏覽類業務占據絕對優勢。但是，據愛立信提供的數據顯示，歐美等地的網頁瀏覽業務流量基本達到飽和狀態，單用戶的月均使用量也基本趨于穩定，因此，網頁瀏覽業務在LTE業務中將占據較大的流量占比，未來一段時間內將處于穩中有增的狀態。但是其存在飽和節點，達到飽和后流量增長將不明顯。

這里值得注意的是，社交網站作為近兩年的新興業務，受到用戶社交需求的影響，其增長勢頭將比其它網頁瀏覽業務更加迅猛。據Allot公司公布的統計數據，在2010年上半年，Facebook的流量增長約為200%，Twitter的流量增長約為310%。而且，智能終端用戶的活躍度大概是總用戶平均活躍度的2倍。所以，用戶的社交網絡行為將對網絡流量造成較大影響。

3) 即時通信類業務。包括微信、QQ等，該類業務屬于典型的小數據包業務，有可能帶來較大的信令開銷。即時通信類業務雖然業務量占比較小，但是其大量信令開銷造成的信令風暴有可能對網絡性能造成影響。在歐美等國家的網絡運營經驗中，即時通信業務的流量占比很低。但是在微信的推動下，國內即時通信業務的流量占比正在持續上漲，因此，即時通信類業務在未來一段時間應該繼續保持較高的增長態勢，不過由于其流量消耗較少，主要是通過用戶使用率的提高帶來流量增長。所以，在用戶滲透率飽和后，其業務流量增長將不明顯。

4) 會話類業務。包括VoIP、視頻通話等，該業務屬于傳統電信業務范疇，在3G網絡中都是CS業務。但LTE網絡中該類業務都是通過IP數據來傳輸信息，因此，LTE網絡中會話類業務的特點需要進一步分析。

5) 游戲類業務。在智能終端領域，該類業務的流量占比還較小，尚未對網絡性能造成明顯影響。但是，手機互動游戲類業務具有發展潛力，隨著智能終端功能增強，該類業務流量增長可能是跨越性的。

2 LTE網絡的業務特征分析及理論模型

上文在移動互聯網業務中選取了五種典型業務，本節從理論層面分析上述業務的特征。

1) 視頻流類業務。視頻流業務將是LTE業務的重要組成部分之一。移動用戶可以通過無線接入網訪問Internet上的視頻服務器。這類業務的典型特征是時延限制比語音業務相對寬松。接收端的緩存器結構保證了視頻流業務在一定范圍內具有一致的時延和時延抖動，這由緩存器的初始時延決定，通常是幾秒鐘的間隔。

3GPP標準已經采納H.263和MPEG4協議用于視頻，由于支持有效的編碼壓縮技術，可以保證低比特速率的視頻接入，從而適用于無線接入環境。圖1給出無線網絡環境下視頻流業務的參考模型[4]。這是從基站到移動終端方向觀察到的視頻流業務的穩態模型，忽略了呼叫建立的時延。

圖1 視頻流業務模型

2) 網頁瀏覽類業務。網頁瀏覽類業務又稱為HTTP業務，也是應用最為普遍的移動互聯網業務之一。HTTP業務模型可以從三個層次上進行描述，即會話級、分組呼叫級和數據分組級。同實際中Web瀏覽過程類比，一個會話相當于瀏覽一個網站的過程，一個分組呼叫則相當于瀏覽網站中某一個頁面，一個數據分組就是在頁面下載過程中由網絡傳輸的一個基本數據單元。

圖2給出了典型的HTTP 瀏覽業務模型[4]。把每次會話的到來定義為泊松過程，一次會話可以分為若干個分組呼叫，每個分組呼叫之間有一定的時間間隔，稱為閱讀時間。每個分組呼叫中又包含一個主對象和若干個內嵌對象，每個對象的到來也有一定時間間隔。其中，主對象和第一個內嵌對象之間的到達間隔稱為解析時間，相鄰兩個內嵌對象之間的到達間隔稱為從解析時間。

圖2 HTTP業務模型

3) 即時通信類業務。是一項新興的移動互聯網業務，包括微信、QQ、MSN等。該業務的特點是主要由小數據包組成。圖3給出了QQ業務的業務模型圖[4]。其中，QQ會話是指從用戶登錄QQ客戶端上線開始至QQ客戶端下線結束這個時段中所有的通信過程，包括用戶登錄認證、發送文本聊天消息、進行語音視頻聊天、進行文件傳輸、用戶退出等所有本地客戶端和服務器及對方客戶端的交互過程。QQ消息特指在會話中本地客戶端和服務器端傳送和接收數據的通信過程，因此，QQ會話和QQ消息之間是一對多的關系，即一次QQ會話中包含了大量的QQ消息，這樣客戶端和服務器之間的通信都可以通過QQ消息來實現。QQ客戶端主要通過UDP協議完成和服務器的大量通信任務，QQ客戶端和服務器之間的通信方式是采用“請求響應”的工作模式，即QQ客戶端向服務器發送一個UDP數據包，服務器成功接收之后返回給客戶端一個UDP確認數據包。一個QQ消息包含兩個UDP數據包，一個是從發送端到接收端，另一個是從接收端返回給發送端對前一個UDP數據包的響應，并且兩個UDP數據包具有相同的Sequence子域；因此，我們可以用源IP地址、目的IP地址、源UDP端口號、目的UDP端口號以及Sequence子域來唯一確定一個QQ消息。

圖3 QQ業務模型

4) 語音類業務。在固定網絡上，VoIP用來降低本地長途和國際長途話音業務的價格。在蜂窩網上，VoIP則是用來開通“豐滿呼叫”。所謂“豐滿呼叫”是指兩個或多個人間的實時通信，這種通信包含一個或多個媒體類型。VoIP的業務模型一般可用簡單的兩狀態活動模型來表示，如圖4所示[4]。這個模型狀態更新的速率與語音編碼器的幀速率相同，即 ，T是編碼器的幀持續時間。

圖4 VoIP業務模型

5) 游戲類業務。游戲業務是一項值得特別關注的業務，在其模型中，包的大小服從極大值分布，為仿真用戶業務分組到達的時間隨機性和上行的幀邊界，網絡游戲的起始時間在[0，40ms]區間內均勻分布。對于上行業務，需要加上160ms的最大時延，丟包的最大時延是180ms。如果一個移動網絡游戲的平均包時延遲大于60ms，就認為這個游戲處于outage狀態[4]。

3 LTE業務總體模型

在分析每種類型業務特征的基礎上，我們也同樣關注多種業務并存的網絡中網絡總的資源開銷情況。LTE業務總體模型關注網絡中所有業務疊加后的總體特征、對于業務的總流量增長趨勢、小區業務流量變化規律、無線空口的相關指標進行分析和預測。本節針對中國LTE網絡的發展，從單用戶業務、用戶數量、無線空口等多個維度構建LTE業務總體模型。

1) 單用戶業務模型。單用戶基本業務模型，主要關注單用戶的月均流量、忙時吞吐率、忙時業務使用次數等，其模型參數詳見表1。

表1 單用戶業務模型參數表

LTE網絡宏觀的業務預測，通常是從全網角度考慮，基于歷史數據與海外經驗來預測單用戶的全網月均流量 ，進而可以得到全網的單用戶下行平均吞吐率。計算方法如下：

實際上，在網絡建設及優化的規劃與設計中，往往更關注忙時的用戶吞吐率。所以本節引入單用戶吞吐率的忙時集中系數B，則可以得到單用戶忙時吞吐率，計算方法如下：

單用戶忙時吞吐率 = 單用戶平均吞吐率×B

從地域區分來說，不同的城市與地區之間單用戶忙時吞吐率是存在差異的。例如，一類城市單用戶忙時吞吐率可能比全網平均值要高，某城市熱點地區內的單用戶忙時吞吐率也會高于其它地區；因此，這里定義一個單用戶忙時吞吐率的地域差異系數D如下：

除了吞吐率之外，我們還會關注單用戶忙時的業務使用次數、業務使用間隔等。在不區分業務類型的情況下，LTE網絡的忙時業務使用次數與業務間隔時長可以基于UMTS網絡的相應參數來獲取。

2) 用戶數量模型。用戶數量模型主要關注放號用戶數、忙時激活用戶數等，其模型參數詳見表2。

表2 用戶數量模型參數表

放號用戶數是衡量網絡市場普及度的一個重要指標。LTE全網的放號用戶數需求可以基于UMTS網絡的相應歷史數據及海外經驗來進行預測。不同城市(區域)的放號用戶數占比將決定該城市(區域)的放號用戶數

實際上，我們往往更關注忙時發生業務的用戶數量，即忙時總RRC連接用戶數和忙時平均RRC連接用戶數。通常，忙時平均RRC連接用戶是可以根據網管平臺的計數器來統計并記錄的，忙時的平均RRC連接用戶數與總RRC連接用戶數的關系也可以基于業務激活比經驗值計算得到。

3) 小區無線空口模型。小區無線空口性能是無線網絡最為關注的指標之一，構建LTE小區無線空口業務模型能夠為網絡規劃與優化奠定良好的基礎。前文中的單用戶業務模型與用戶數量模型中，已經給出了小區層面關于單用戶和用戶數量的模型參數，那么這里主要給出空口模型的相關參數，詳見表3 。

表3 小區無線空口業務模型參數表

我們主要關注小區吞吐率與小區流量，前文給出了RRC連接用戶的忙時單用戶平均吞吐率，以及單小區的忙時平均RRC連接用戶數，由此可計算LTE小區忙時平均吞吐率。具體計算方法如下：

小區忙時平均吞吐率/(kb/s)=忙時單用戶平均吞吐率/(kb/s)×忙時平均RRC連接用戶數

小區忙時平均流量/MB=小區忙時平均吞吐率/(kb/s)×3600/8/1000

4 小結

本文探討了移動互聯網業務在LTE時代的發展趨勢，針對不同類型業務的業務特征進行分析和理論建模，并且給出了LTE業務總體模型參數。在LTE網絡的規劃與設計過程中，LTE業務模型是重要的組成部分。業務模型是制定網絡發展策略、網絡規劃和網絡基本建設規模的重要依據，是網絡建設的前提和基礎。科學準確的業務模型可以為合理的網絡規劃與建設提供必要依據，能夠避免資源的浪費和閑置，使網絡的建設規模與運營商的投資規模達到更優化、合理的配置。

LTE業務建模是一個新的課題，它與傳統3G業務模型存在差異，對網絡及設備指標的影響也有所不同，因而需要對LTE業務模型開展深入研究。在LTE網絡中，核心網將向全IP網絡演進，語音業務也將逐步向VoIP業務過渡；LTE網絡的單用戶數據業務量也需要重新評估。目前，國外LTE網絡的業務模型研究尚不成熟，并且由于國內外用戶行為存在較大差異，無法直接應用于LTE網絡。后續研究中將基于3G現網數據，結合LTE的國內外運營經驗，分析業務模型參數的取值建議。

參考文獻

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