無線網絡控制器信令負荷分擔方案的研究與應用

李 瑩

（上海交通大學信息安全工程學院，中國 上海200240）

0 引言

本文通過對TD-SCDMA網絡中無線網絡控制器（RNC）信令處理子系統（SPU）工作原理的分析，研究信令負荷分擔的可行性、負荷分擔的流程和算法，提出無線網絡信令負荷分擔方案，并通過現網測試驗證方案應用的效果。

1 無線網絡控制器信令處理單板介紹

1.1 無線網絡控制器

無線網絡控制器（RNC）是第三代移動通信網TD-SCDMA網絡的重要組成部分。無線網絡控制器（RNC）和基站（NodeB）一起構成移動接入網絡UTRAN。RNC主要實現系統信息廣播、切換、小區資源分配等無線資源管理功能。RNC廣泛采用單板的資源池、冗余配置等可靠性設計，體現大容量交換能力。

1.2 信令處理單板

RNC信令處理單板（SPU）用于管理系統內部TD用戶面、控制面和傳輸面對資源，完成TD控制面業務處理功能。通過加載不同的軟件，SPU單板可分為主控SPU單板和非主控SPU單板。主控SPU單板用于管理系統內部TD用戶面、控制面和傳輸面的資源，完成TD控制面業務處理功能。非主控SPU單板只用于完成TD控制面業務處理功能。

主控SPU單板0號子系統為MPU（Main Processing Unit）子系統，用于管理系統內部用戶面、控制面和傳輸面的資源,主控SPU單板的1～7號子系統（SPUb）或 1～3號子系統（SPUa）以及非主控 SPU 單板的所有邏輯子系統為CPUS（CPU for Service）子系統，用于完成控制面業務處理功能。

2 無線網絡控制器信令負荷分擔方案

2.1 信令負荷分擔可行性分析

RNC由SPU負責處理信令，一次接入的處理過程包括RRC呼叫、小區資源分配、傳輸資源分配。小區資源分配必須依賴小區所在子系統，傳輸資源分配主要依賴于MPU，而RRC呼叫處理則可以由任意一個SPU子系統來完成。因此，當小區所在子系統（本子系統）負荷已超出分擔門限時，可以將接入的呼叫處理部分轉發到其他子系統（分擔入子系統）完成。

由于RNC上存在多個SPU子系統，SPU子系統歸屬于某一個MPU，因此可以由MPU來裁決與選擇分擔入子系統。SPU向主控MPU周期上報本子系統的負載狀態和能力，MPU之間廣播各個框的SPU平均負載以及能力。當RRC呼叫到達負載較低的SPU單板，則不需要進行轉發，由該SPU直接處理；當RRC呼叫到達負載過高的SPU單板，則通過SPU轉發呼叫到MPU，由MPU選擇負載較低的框以及該框中負載較低的SPU子系統處理。如果找不到低負載的SPU子系統，則拒絕此RRC呼叫請求。

2.2 信令負荷分擔參數

在SPU負荷分擔流程中，決定分擔出及分擔入參數主要分為兩部分，第一類是負荷分擔設置參數，其中包括轉發門限和轉發偏置等，第二類是流控門限設置參數，作為負荷分擔參數設置的參考依據。

2.3 信令負荷分擔算法

信令處理子系統負荷分擔算法分為MPU間分擔和MPU框內分擔兩種。

2.3.1 MPU間選擇算法

MPU之間周期廣播其下的所有SPU平均負載以及能力，主控MPU收到SPU轉發的RRC請求，主控MPU查找到比自己的平均負荷更小的MPU（通過設置“控制面負荷分擔轉發偏置”參數設置MPU間選擇偏置，只有當對端MPU的負荷比主控MPU的負荷小一個偏置值以上，才選擇對端，該參數目前現網設置為5），則轉發到另外的MPU，由其處理此RRC請求。

2.3.2 MPU框內選擇算法

SPU每秒向MPU上報其剩余的CPU能力和本子系統不同RRC類型的流控狀態。MPU選擇RRC請求分擔入的子系統時，如某子系統該類型RRC處于流控狀態，則不選擇此子系統；如所有SPU子系統均進入此RRC處理的流控狀態，則此RRC請求被拒絕。當SPU子系統各類別RRC流控到達流控狀態的時候，通知MPU子系統，使其不將此SPU子系統列入可被選擇的SPU子系統中。排除處于流控狀態的子系統后，根據MPU下各SPU子系統的剩余能力，做概率性選擇。MPU選擇不到合適的SPU子系統，則將RRC接入請求返回給轉出的SPU子系統。被選擇轉入的SPU子系統，如果其CPU占用率超出接入的RRC對應的流控門限，則丟棄此RRC接入請求。

2.4 信令負荷分擔方案

SPU信令處理單板負荷分擔功能與流量控制算法結合使用。通過加載V400R008C00的RNC軟件版本開啟SPU信令處理單板負荷分擔功能。功能開啟初期，相關負荷分擔參數設置為默認值。控制面負荷分擔轉發門限取決于流控門限的設置，對于流控門限設置根據非業務和業務類的優先級進行了定義，分別按照相關優先級的默認值設置。“控制面負荷分擔轉發門限”不宜設置太高，太高會導致分擔不夠及時；也不宜設置太低，太低則會導致太多的RRC_REQ被分擔。“控制面負荷分擔轉發門限”和“流控門限”之間的間距不宜太小，保證超出負荷分擔門限之后，各個子系統之間還是可以有效分擔，而不會導致分擔出的請求被過早丟棄。兩個關鍵參數的參考門限設置：最低流控門限設置為60，控制面負荷分擔轉發門限設置為50。

2.5 信令負荷分擔方案的應用效果驗證

2.5.1 信令負荷變化情況

對RNC信令處理子系統負荷分擔功能啟用前后情況進行了對比。通過計算每套RNC內有所SPU子系統平均負荷的標準偏差值表示RNC內SPU負荷均衡性。統計結果顯示，總體標準偏差由開啟前的6.6，降低為開啟后的4，下降率為39.4%。說明功能開啟后，各信令處理子系統間的負荷分配得到了均衡。

2.5.2 流控門限修改效果驗證

針對流控門限的設置進行了試點測試，選取測試RNC,分別嘗試降低非業務類流控門限和提高業務類流控門限，觀察流控門限改變對RNC負荷和網絡指標的影響。

選擇RNC385進行降低非業務類流控門限試驗，將非業務類流控門限參數分別降低10%。試驗結果表明，SPU總體負荷仍維持降低趨勢，但由于增加了對于高業務的流控事件的保護，因此降低了高業務流控事件的觸發概率，對于日常故障跟蹤和性能分析帶來一定的影響。

選擇RNC388進行提高業務類流控門限試驗，將部分業務類的流控門限提升了5%。由門限調整前后的RNC基本運行指標來看,CS域RRC試呼次上升了2%，但是CS域RRC建立失敗次上升了14%。由于提升了業務流控事件的觸發門限，降低了相關業務流控事件的觸發概率，但是會導致RNC的平均負荷和峰值負荷的增加，從而提升了系統的運行風險。

2.5.3 負荷分擔門限修改效果驗證

為嘗試進一步降低信令處理負荷，進行調整信令負荷分擔參數“控制面負荷分擔轉發門限”的實驗，選擇RNC404進行試驗，將門限參數提高10%。試驗結果表明，調整后子系統由于SPU子系統負荷分擔而分擔出/入的RRC次數較調整前有明顯的減少,但從平均信令負荷來看，調整前后并未發生顯著變化。3 應用總結

此次試點應用通過實驗結果驗證了實驗理論邏輯關系的成立。如果調低非業務的流控門限，這樣業務的流控事件減少，但是故障跟蹤和性能分析受到明顯影響，無法使用；如果調高業務的流控門限，這樣流控事件減少，但是RNC的平均負荷和峰值負荷也進一步上升，影響運行安全。提高負荷分擔轉發門限則對降低系統整體信令負荷沒有明顯的促進作用。因此流控門限和負荷分擔轉發門限這兩個關鍵門限的參數設置需要綜合考慮產品特性和具體應用場景。

無線網絡控制器信令負荷分擔方案突破了原本TD基站小區與信令處理子系統一對一的對應關系，有別于傳統的通過硬件擴容等方式來緩解信令擁塞的問題解決思路，通過信令處理子系統負荷分擔算法以及合理的參數閾值設置實現系統內部的信令負荷分擔，以更快捷、高效的方式解決由于不均衡問題導致的信令負荷突增情況，促進提升TD-SCDMA網絡系統整體的接納能力，有助于運營商控制網絡維護成本及后期投入，具有推廣價值。

［1］張樹才.WCDMA及無線網絡控制器負荷分析及研究[J].電子科技,2015(03).

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