擁塞信息管理移動網(wǎng)絡論文
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1標準進展
網(wǎng)絡擁塞控制是目前多數(shù)運營商的共同需求，受到國際標準組織3GPP和國內(nèi)行業(yè)標準組織CCSA的關(guān)注，并分別針對該需求和技術(shù)方案進行了立項研究。截至目前，已取得了階段性進展。
1.13GPP標準
3GPP在R12啟動了用戶面擁塞管理（UPCON）的課題研究，該課題從立項伊始，受到幾乎絕大多數(shù)運營商及廠商的支持和積極參與。由于涉及的范圍比較廣，技術(shù)具有一定的復雜性，R12并沒有完成課題研究，直至當前的R13版本，才取得了階段性進展。R12主要完成了用戶面擁塞場景和需求分析等Stage1的工作，并開始了Stage2階段的工作，主要研究了技術(shù)方案架構(gòu)，各個主要的備選技術(shù)方案參見研究報告TR23.705。之后的R13版本，目標是在R12基礎(chǔ)上，對Stage2的備選方案進行評估和標準化，同時完成相應的Stage3工作，截至目前，該項工作還在進行中。
（1）網(wǎng)絡擁塞控制的需求
場景3GPP針對網(wǎng)絡擁塞，定義了小區(qū)資源耗盡和回傳鏈路資源不足的兩種擁塞場景，并定義了用戶層面的業(yè)務控制、應用層面的數(shù)據(jù)控制、差異化計費等13種擁塞管理場景。詳細場景參見3GPP研究報告TR22.805。
（2）網(wǎng)絡擁塞控制的關(guān)鍵問題
網(wǎng)絡擁塞控制的技術(shù)方案制定，需考慮如下5個方面的技術(shù)問題：用戶面擁塞的感知：主要研究及時感知用戶面擁塞，并通知到相關(guān)網(wǎng)元（如PCRF）的方法。用戶面擁塞的緩解方法：主要研究在獲知擁塞信息（包括擁塞小區(qū)、受影響的用戶及業(yè)務等）后，采取的緩解措施及方法。擁塞場景下不可演繹業(yè)務流的差異化處理：不可演繹業(yè)務流由于不能對應出五元組，因此在策略控制時有一定的特殊性，該關(guān)鍵問題主要針對多應用共用TCP/UDP等復雜場景下的策略控制進行研究。針對Video業(yè)務的擁塞管理：Video是造成網(wǎng)絡擁塞的一個很重要的因素，同時用戶對該業(yè)務的體驗又比較敏感，因此將針對不同Video業(yè)務的不同級別用戶的差異化管理作為一個專門的問題進行研究。上行業(yè)務的優(yōu)先級處理：進行業(yè)務的優(yōu)先級排序和差異化處理是擁塞管理的重要方法，而上行業(yè)務的排序工作需要在終端用戶上進行。該關(guān)鍵問題是研究用戶如何獲知網(wǎng)絡擁塞信息，并進行上行業(yè)務排序。從上述分析可以看出，用戶面擁塞的感知和緩解方法是網(wǎng)絡擁塞課題研究的核心內(nèi)容，其他關(guān)鍵問題是針對特殊場景下?lián)砣芾淼脑鰪姟?/p>
（3）針對擁塞感知和緩解，主要的技術(shù)方案有兩大類
CN-based的擁塞管理方法：即核心網(wǎng)實時參與擁塞的管理過程，RAN通過某種方法將擁塞信息傳遞到PCRF，由PCRF基于收到的擁塞信息進行針對性的策略下發(fā)。RAN-based的擁塞管理方法：即擁塞信息勿需上報至核心網(wǎng)，當擁塞發(fā)生時，由無線網(wǎng)絡基于預先定義的規(guī)則進行相應的處理。
1.1.1CN-based擁塞管理方案
CN-based擁塞管理方法的前提是擁塞信息的上報，即無線網(wǎng)絡通過相應的方法將擁塞發(fā)生的信息傳遞到PCRF?；趽砣畔⑸蠄蠓椒ǖ牟煌?，具體又有以下3種備選方案：
（1）Off-path擁塞信息上報方法
即擁塞信息不通過EPC主設備傳遞，在網(wǎng)絡中新增一個無線網(wǎng)絡擁塞感知功能實體（RCAF），基于無線網(wǎng)管能監(jiān)控無線網(wǎng)絡擁塞的天然特性，從網(wǎng)管中獲取網(wǎng)絡擁塞信息，加以整理和用戶信息補充，將擁塞小區(qū)及受影響的用戶信息發(fā)送至PCRF。這種方案的優(yōu)勢在于大部分工作放在主設備之外的功能實體上去完成，對主設備影響小，且具有較好的部署靈活性；缺點在于需要新增設備。
（2）基于User-plane的擁塞信息上報方法
將S1/S5/S8用戶面的GTP-U包頭加以擴展，攜帶小區(qū)擁塞相關(guān)信息，PDN-GW基于收到的GTP-U包頭的指示，將擁塞信息上報給PCRF。這種方案的優(yōu)勢在于可實現(xiàn)每包每用戶的實時上報，對于擁塞信息的反應速度快；缺點在于增加了對主設備的處理能力要求，上報的可控性較差，處理不好易帶來信令風暴。
（3）基于Control-plane的擁塞信息上報方法
擴展S1/S5/S8控制面的信令，增加新的信令流程用于擁塞信息的上報。這種方案需要重新設計端到端的信令，對端到端的設備都有較大的影響。
1.1.2RAN-based擁塞管理方案
RAN-based方案的共性是EPC不需要知道當前的網(wǎng)絡狀況，僅需要基于業(yè)務流的特征和優(yōu)先級對下行業(yè)務流打上不同標簽。一旦無線側(cè)檢測到擁塞發(fā)生，基于不同業(yè)務流的標簽則進行差異化的處理。
（1）FP（IFlowPriorityIndicator）
同一承載內(nèi)基于業(yè)務流優(yōu)先級的差異化處理方法。不改變當前的承載規(guī)則，在同一承載內(nèi)，對不同優(yōu)先級的業(yè)務做標簽處理。是基于承載內(nèi)部的優(yōu)先級處理，承載之間的FPI標簽沒有優(yōu)先級上的交叉關(guān)系。這個標簽可能是打在GTP-U的頭部、PMIP數(shù)據(jù)包頭部或重用IP凈荷包的DSCP部位。
（2）FQ（IFlowQoSIndex）
針對不同承載內(nèi)的業(yè)務流優(yōu)先級的差異化處理方法。對于不同的業(yè)務或運營商策略，打上不同的FQI標簽。擁塞發(fā)生的時候，無線側(cè)基于業(yè)務所在的承載（即業(yè)務的QCI）+FQI+擁塞的級別綜合考慮，確定該業(yè)務流最終的優(yōu)先級。即業(yè)務最終處理的優(yōu)先級，由多個因素來決定，具有一定處理上的復雜性。
（3）增強現(xiàn)有承載概念的方案
基于不同承載在無線側(cè)能得到不同處理的前提，PDN-GW將相同優(yōu)先級的業(yè)務放進同一個Non-GBR的專有承載。當擁塞發(fā)生時，無線側(cè)勿需通知核心網(wǎng)，即對不同的承載進行不同的優(yōu)先級處理，即達到了分優(yōu)先級的業(yè)務處理的目的。這個方案擴大了對Non-GBR專有承載的需求，對網(wǎng)絡資源將造成一定的浪費。
1.1.3方案評估情況
3GPPR12版本由于時間原因，沒有對上述備選方案進行充分評估。在2014年1月的SA2會議上，確定繼續(xù)在R13版本進行UPCON相關(guān)的研究，重點對現(xiàn)有方案進行完善和評估。截至2014年5月的SA2會議，已部分完成了現(xiàn)有方案的分析和評估，明確了Off-path方案作為CN-based的唯一解決方案，并最終寫進標準。目前，SA2正在進行Off-path方案的進一步的細節(jié)討論，其他的CT3和CT4工作組也已啟動了Stage3的立項工作，后續(xù)會進一步完成接口等細節(jié)實現(xiàn)流程。
1.2CCSA標準
目前，國內(nèi)移動網(wǎng)絡正處于3G向4G演進階段，4G網(wǎng)絡尚未大規(guī)模部署應用。隨著國內(nèi)移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的飛速發(fā)展，已對目前的3G和4G網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流量和性能方面提出了很高的要求，網(wǎng)絡在用戶面處理方面已經(jīng)不堪重負。針對用戶面擁塞感知和網(wǎng)絡資源優(yōu)化管理這一需求，國內(nèi)標準化組織CCSA早在3GPP立項研究之前，便在運營商的牽頭下，啟動了用戶面擁塞管理的架構(gòu)研究（詳見CCSATC5#WG9研究課題2013B1），并在2014年4月完成了Off-path方案研究和評估結(jié)論，也與3GPPSA2在2014年5月會議上的最終評估結(jié)論高度一致，體驗了國內(nèi)研究的技術(shù)水平。目前，網(wǎng)絡擁塞控制的國內(nèi)行業(yè)標準化規(guī)范制定工作也已開始，計劃2014年年內(nèi)完成。
2技術(shù)方案
通過深入研究后，CCSA和3GPP最終均得出Off-path方案。該方案是感知網(wǎng)絡擁塞并進行相應擁塞管理的最好辦法，引入該方案后的EPC架構(gòu)如圖1所示。在EPC架構(gòu)中，增加了RCAF（無線擁塞感知實體），它與OAM系統(tǒng)交互獲知小區(qū)或基站的擁塞信息，通過Nq/Nq’接口向MME/SGSN查詢擁塞小區(qū)中當前受影響的用戶及APN信息，RCAF進行DRA查詢對應的PCRF，通過Np接口將擁塞小區(qū)及對應的用戶信息發(fā)送給相應的PCRF。PCRF為支持基于網(wǎng)絡狀態(tài)的策略管理，需做如下增強：支持Np接口，用于從RCAF處收集擁塞信息。基于用戶面擁塞信息、用戶簽約、應用類型、內(nèi)容類型等決定控制策略。MME/SGSN需要增強支持Nq/Nq’接口，上報或應RCAF的要求響應擁塞小區(qū)內(nèi)的用戶信息。OAM需要增強，使其可向RCAF提供包括小區(qū)負荷在內(nèi)的相關(guān)擁塞信息?；谠摲桨?，對于網(wǎng)絡總體影響還是比較小的。在一些無線網(wǎng)絡長期處于資源緊張狀態(tài)的熱點地區(qū)以及密集商業(yè)區(qū)，可在網(wǎng)絡中開啟上述擁塞管理功能。RCAF無線網(wǎng)絡狀態(tài)感知功能實體對該地區(qū)進行密切的、動態(tài)的監(jiān)控，一旦從網(wǎng)管處獲知網(wǎng)絡處于物理資源的分配耗盡、掉話率急增等異常擁塞的狀況，即啟動向PCRF的狀態(tài)上報，PCRF通過Np接口獲知了異常擁塞小區(qū)的名單，及這些小區(qū)下的活動用戶的名單，由PCRF根據(jù)運營商的策略下發(fā)基于網(wǎng)絡狀態(tài)的擁塞管理策略。如可實現(xiàn)基于用戶級別的差異化擁塞管理，為保證重要用戶的業(yè)務體驗，僅針對級別較低的用戶的QoS加以干預，緩解整體小區(qū)擁塞狀況的同時，重要用戶的體驗也得到了提升。也可以針對業(yè)務價值實現(xiàn)差異化的QoS策略，為保證價值業(yè)務的用戶體驗，降低所有用戶低價值業(yè)務的QoS，緩解小區(qū)擁塞狀況的同時，價值業(yè)務用戶的體驗也得到了提升，可吸引更多的用戶簽約價值業(yè)務。
3結(jié)束語
用戶面擁塞管理架構(gòu)的核心是感知相應的無線網(wǎng)絡擁塞狀態(tài)，并進行相應的資源策略控制。方案中的無線參數(shù)可直接或間接反映網(wǎng)絡擁塞狀態(tài)，各個運營商也可制定個性化的資源管理策略，可以通過實踐，不斷積累并逐步找到最適合的擁塞判斷參數(shù)和門限配置方法。用戶面擁塞管理的研究對于運營商提升網(wǎng)絡KPI指標和用戶體驗具有重要意義，基于標準化的Off-path網(wǎng)絡架構(gòu)，可以在最少影響現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)，便于實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)部署，可以預期，具有較好的應用潛力。
作者：李金艷 周雁 梅承力 單位：中國電信股份有限公司