移動互聯(lián)網(wǎng)端到端流量管控策略研究

張高毅

（中國移動通信集團(tuán)四川有限公司，成都 610041）

移動互聯(lián)網(wǎng)端到端流量管控策略研究

張高毅

（中國移動通信集團(tuán)四川有限公司，成都 610041）

本文通過對無線網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)和新架構(gòu)的分析，針對2G/3G/LTE/WLAN多網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，研究如何對不同的用戶類型、業(yè)務(wù)類型、時間段、累積量進(jìn)行QoS控制，以提升業(yè)務(wù)體驗(yàn)和用戶滿意度?；赑CC承載架構(gòu)和ANDSF多連接管理機(jī)制，通過端到端的流量管控技術(shù)提升互聯(lián)網(wǎng)帶寬的使用率。借鑒都江堰水利工程原理，通過實(shí)施網(wǎng)絡(luò)流量控制、均勻網(wǎng)絡(luò)流量、降低并有效控制流量峰值，提出了移動互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的融合策略控制方案，實(shí)現(xiàn)了合理配置網(wǎng)絡(luò)資源、合理有效控制網(wǎng)絡(luò)投資，為移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展創(chuàng)造條件，為移動互聯(lián)網(wǎng)時代應(yīng)對數(shù)字洪水做好充分的技術(shù)儲備。

端到端；計(jì)費(fèi)與策略控制；融合

無線寬帶通信技術(shù)的迅速發(fā)展，為移動運(yùn)營商帶來了新的競爭機(jī)遇和挑戰(zhàn)，通過2G/3G/LTE/WLAN等技術(shù)構(gòu)建移動寬帶互聯(lián)網(wǎng)，為用戶提供寬帶、高性能網(wǎng)絡(luò)，可以有效的吸引用戶數(shù)量的快速提升，改善用戶體驗(yàn)。但隨著智能終端數(shù)量的猛增，大規(guī)模小數(shù)據(jù)量的頻繁交互，導(dǎo)致信令資源和數(shù)據(jù)通道資源緊張，出現(xiàn)信令風(fēng)暴和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)擁塞等問題。雖然大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)硬件投資一定程度上緩解了上述壓力，但要改變這種局面，還存在著諸多挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)同背景下，多接入技術(shù)融合發(fā)展的挑戰(zhàn)。各種技術(shù)體制網(wǎng)絡(luò)(2G/3G/LTE/WLAN)各自獨(dú)立建設(shè)，如何統(tǒng)一配置，協(xié)調(diào)和進(jìn)一步優(yōu)化，亟需針對性的研究和實(shí)踐。

（2）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)無區(qū)分、網(wǎng)絡(luò)效率低、啞管道帶來的弊端。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)流量管理僅僅是一種粗放的網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度，很難實(shí)現(xiàn)精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)資源、業(yè)務(wù)資源和用戶資源的綜合管理。

（3）智能終端爆炸性增長，數(shù)字洪水肆虐，給移動網(wǎng)絡(luò)帶來巨大壓力。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展，各種數(shù)據(jù)流量（P2P、HTTP、小數(shù)據(jù)、長連接、keepalive包等），最有價值的話音業(yè)務(wù)質(zhì)量受到?jīng)_擊。

因此，需要通過利用PCC對無線信道優(yōu)化，對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行有效管控，實(shí)現(xiàn)公共鑒權(quán)、融合的策略控制和計(jì)費(fèi)，以區(qū)分業(yè)務(wù)，做智能管道，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi對數(shù)據(jù)流量的智能分流。從根本上解決和改善運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)管道化的問題，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)精細(xì)化運(yùn)營，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

1 基于PCC架構(gòu)的策略控制基本原理

為提高網(wǎng)絡(luò)對于用戶業(yè)務(wù)的感知能力，實(shí)現(xiàn)基于用戶、業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)化管理，3GPP提出了一種策略與計(jì)費(fèi)控制架構(gòu)（PCC）來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的策略控制。PCC能夠在業(yè)務(wù)層和網(wǎng)絡(luò)層間建立一種溝通機(jī)制，將業(yè)務(wù)的信息告訴給網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)基于業(yè)務(wù)的QoS控制，可以降低對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的要求，實(shí)現(xiàn)動態(tài)的業(yè)務(wù)策略下發(fā)。PCC架構(gòu)工作在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流（service data flow）級別上，提供策略控制、計(jì)費(fèi)控制功能和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的事件報告功能。

PCC架構(gòu)中主要包括PCEF、PCRF、AF、OCS、OFCS和SPR等功能實(shí)體，主要功能實(shí)體描述如下。

策略和計(jì)費(fèi)執(zhí)行單元（PCEF，Policy and Charging Enforcement Function），PCEF包含業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的檢測、策略執(zhí)行和基于流的計(jì)費(fèi)功能。

策略和計(jì)費(fèi)規(guī)則單元（PCRF，Policy and Charging Rule Function），PCRF包含策略控制決策和基于流計(jì)費(fèi)控制的功能，向PCEF提供關(guān)于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流檢測、門控、基于QoS和基于流計(jì)費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)控制功能。

應(yīng)用功能（AF，Application Function），AF是一個提供應(yīng)用業(yè)務(wù)的單元，其應(yīng)用需要對IP-CAN用戶面行為進(jìn)行動態(tài)策略/計(jì)費(fèi)控制。

在線計(jì)費(fèi)系統(tǒng)（OCS，Online Charging System），用戶信用控制功能。

用戶屬性存儲（SPR，Subscription Profile Repository），用戶屬性存儲邏輯實(shí)體包含與所有簽約用戶或簽約相關(guān)的信息。

2 融合策略控制方案

本文基于上述PCC架構(gòu)，將其推廣應(yīng)用于2G/3G/LTE/WLAN網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)融合的策略控制，從而更好地為四網(wǎng)協(xié)同奠定基礎(chǔ)。

2.1 端到端流量管控實(shí)現(xiàn)數(shù)字洪水治理

從都江堰水利工程治理洪水的原理，我們可以將其借鑒到治理數(shù)字洪水中，其示意圖如圖1所示。

圖1 都江堰水利工程示意圖

鑒于目前2G/3G/LTE網(wǎng)絡(luò)主要承載話音等高價值業(yè)務(wù)，不妨將其類比為內(nèi)江，WLAN主要為了分流數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可類比為外江。將各種端到端的流量管控功能單元與都江堰水利工程進(jìn)行類比，可見，水利工程的各個功能單元都能找到類似的網(wǎng)絡(luò)單元。從圖中我們可以得到端到端流量管控各網(wǎng)元在治理數(shù)字洪水中的作用描述如下：當(dāng)數(shù)字洪水來臨時，通過四網(wǎng)協(xié)同，利用市場手段結(jié)合多連接管理等新技術(shù)（ANDSF，接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)與選擇功能單元）網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)的第一次分流，將高流量低價值業(yè)務(wù)（如P2P業(yè)務(wù)）引導(dǎo)至WLAN（外江）網(wǎng)絡(luò)承載，對于低流量高價值業(yè)務(wù)則引導(dǎo)至2G/3G/ LTE（內(nèi)江）網(wǎng)絡(luò)承載。在2G/3G/LTE網(wǎng)絡(luò)中，還會有較多低價值業(yè)務(wù)（如QQ等）占用較多信道資源，則需要通過進(jìn)一步對信道進(jìn)行優(yōu)化（排沙）。通過DPI和PCC等技術(shù)（寶瓶口，飛沙堰）濾掉多余的流量（泄洪），并且將高流量高價值業(yè)務(wù)盡量往3G/LTE網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)，避免占用過多2G信道資源，使得獲得優(yōu)先保障的業(yè)務(wù)更多為低流量高價值的業(yè)務(wù)（如話音，自有業(yè)務(wù)）。另外，還可以通過部署CDN/CACHE等網(wǎng)元，對流量進(jìn)行緩存（蓄水），進(jìn)一步緩解網(wǎng)絡(luò)的壓力，從而達(dá)到治理數(shù)字洪水的目的。

2.2 融合策略控制方案原理

上節(jié)我們對端到端流量管控技術(shù)與都江堰水利工程的簡單類比，我們發(fā)現(xiàn)，其中最核心的當(dāng)屬PCC網(wǎng)元，其在治理數(shù)字洪水中的作用相當(dāng)于飛沙堰的泄洪和排沙功能。如果能夠?qū)CC功能拓展應(yīng)用到WLAN及LTE的管控，可以使其在分流中起到更加智能的效果，則可以更有效的實(shí)現(xiàn)四網(wǎng)協(xié)同，將PCC網(wǎng)元與多連接管理融為一體，則能更好的實(shí)現(xiàn)對數(shù)字洪水的管控。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對2G/3G的策略動態(tài)控制，且在LTE網(wǎng)絡(luò)中也已包含相應(yīng)規(guī)范，能有效地實(shí)現(xiàn)區(qū)分用戶簽約信息的策略控制、提供基于時間、位置、業(yè)務(wù)等多維度、實(shí)時、動態(tài)的QoS控制方法，引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)調(diào)配和合理使用。但對于WLAN網(wǎng)絡(luò)尚未確認(rèn)相應(yīng)的功能，若將其推廣應(yīng)用到WLAN的策略控制中，則可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的融合策略控制。

如圖2（a）所示，目前國際上討論較多的有采用S9a接口的融合策略方案，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較為復(fù)雜，涉及固網(wǎng)和移動網(wǎng)的各自的策略控制機(jī)制，用戶最終的業(yè)務(wù)體驗(yàn)取決于固網(wǎng)/移動網(wǎng)分別對策略控制的支持程度，現(xiàn)網(wǎng)固網(wǎng)廠家的非標(biāo)準(zhǔn)策略控制機(jī)制將為保證終端客戶體驗(yàn)的一致性造成困難；右圖為融合的策略控制架構(gòu)，它可以實(shí)現(xiàn)真正的融合策略方案，架構(gòu)清晰，流程簡潔，提供單一的策略決策點(diǎn)，保證統(tǒng)一的用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)，重用移動網(wǎng)絡(luò)的PCRF節(jié)點(diǎn)，降低TCO?；谏鲜黾軜?gòu)，我們組建了如圖2（b）所示的基于PCC的融合策略控制實(shí)驗(yàn)網(wǎng)。

即將WLAN網(wǎng)絡(luò)直接接入PCC的PCEF單元，由PCRF同時實(shí)現(xiàn)對2G/3G和WLAN的策略控制。

2.3 PCC策略控制實(shí)驗(yàn)

圖2 融合策略控制網(wǎng)絡(luò)框架圖

圖3 區(qū)分用戶的策略控制效果

基于PCC的QoS控制架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)基于特定業(yè)務(wù)的QoS控制，即對不同的業(yè)務(wù)提供不同QoS服務(wù)等級的承載通道。如對運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)、VoIP等高附加值、高收益的業(yè)務(wù)，提供高優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)和業(yè)務(wù)接入能力，以及相應(yīng)的帶寬保證等高等級的QoS服務(wù)，將網(wǎng)絡(luò)資源向高附加值、高收益的業(yè)務(wù)引導(dǎo)，提升業(yè)務(wù)運(yùn)營效率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，針對PCC對2G/3G/WLAN/ LTE的策略控制效果類似，本文主要針對PCC在2G策略控制下的幾個用例實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行介紹。

用例1：區(qū)分用戶的策略控制。

區(qū)分用戶簽約信息的QoS控制指根據(jù)不同用戶提供不同的QoS服務(wù)。針對測試金牌用戶和銀牌分別配置使用BT的管理策略——金牌用戶允許100 kbit/s，銀牌用戶允許50 kbit/s；分別對金牌/銀牌用戶使用BT業(yè)務(wù)進(jìn)行測試。如圖3所示，可以準(zhǔn)確地按用戶簽約屬性控制BT業(yè)務(wù)，金牌用戶允許100 kbit/s，銀牌用戶允許50 kbit/s。

用例2：區(qū)分業(yè)務(wù)的策略控制。

針對測試用戶分別配置該用戶使用BT和FTP的管理策略：BT允許100 kbit/s的速率，F(xiàn)TP允許75 kbit/s的速率；測試用戶分別使用BT業(yè)務(wù)和FTP業(yè)務(wù)。如圖4所示，可以準(zhǔn)確按業(yè)務(wù)進(jìn)行速率控制，BT限制在100 kbit/s，F(xiàn)TP限制在75 kbit/s。

用例3：區(qū)分時間的策略控制。

PCRF可以基于靈活的時間策略動態(tài)調(diào)整相應(yīng)業(yè)務(wù)的QoS策略，如網(wǎng)絡(luò)閑時，提供較高的QoS速率，在網(wǎng)絡(luò)忙時，提供較低的QoS速率。或者在特定的時間段，如某體育賽事的直播時間，對運(yùn)營商或合作方提供的該體育賽事直播的視頻業(yè)務(wù)提供高的優(yōu)先級和QoS速率保障，保證這部分用戶的體驗(yàn)。針對測試用戶分別配置該用戶在忙時和閑時使用BT的管理策略——忙時禁止/嚴(yán)格限制使用P2P業(yè)務(wù)，測試用戶使用P2P業(yè)務(wù)。如圖5所示，可以準(zhǔn)確地按忙閑時控制BT業(yè)務(wù)，進(jìn)入忙時禁止使用BT或者限制在允許范圍內(nèi)，進(jìn)入閑時時允許使用BT或者放松限制。

用例4：區(qū)分位置的策略控制。

圖4 區(qū)分業(yè)務(wù)的策略控制效果

圖5 區(qū)分時間的策略控制效果

圖6 區(qū)分位置的策略控制

針對測試用戶分別配置該用戶在不同接入?yún)^(qū)域使用BT的管理策略——兩個接入?yún)^(qū)域分別允許100 kbit/ s和150k bit/s的速率，分別利用測試用戶在兩個測試區(qū)域使用BT業(yè)務(wù)。如圖6所示，可以準(zhǔn)確按接入?yún)^(qū)域控制BT業(yè)務(wù)的速率：在區(qū)域1，BT業(yè)務(wù)限制為100 kbit/s，在區(qū)域2，BT限制為150 kbit/s。

用例5：基于累積量的2G策略控制。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，按時長收費(fèi)、包流量或包月的分組業(yè)務(wù)資費(fèi)套餐成為用戶需求的資費(fèi)方式，然而在網(wǎng)絡(luò)中由于某些個別用戶長期占用大量網(wǎng)絡(luò)資源，導(dǎo)致其他用戶的業(yè)務(wù)無法正常開展，影響其他用戶對網(wǎng)絡(luò)資源的公平使用?；赑CC的QoS控制中可以通過PCRF和SPR對用戶的累積使用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，基于用戶使用的累積流量，用戶累計(jì)流量達(dá)到配額限度后，動態(tài)提供不同的QoS策略。針對測試用戶分別配置該用戶使用累積流量的管理策略：每累積增加10 M流量，速率下降30 kbit/s。如圖7所示，可以準(zhǔn)確按累積流量對用戶進(jìn)行相應(yīng)的速率限制。

從以上實(shí)驗(yàn)可知，將PCC引入到對2G/ 3G/WLAN的管控是可行的，因此可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的融合策略控制。

2.4 融合策略管控案例及效果

2.4.1 VIP客戶體驗(yàn)保障

網(wǎng)絡(luò)癥狀：用戶流量分配不均，10%用戶消耗78%的流量，用戶體驗(yàn)不佳。

解決方案：通過帶寬控制，對于VIP客戶提供優(yōu)先保障。

效果：小區(qū)越繁忙，PDCH復(fù)用度越高，VIP用戶速率提升越明顯。VIP用戶能夠獲得平均30%左右的速率提升。

2.4.2 QQ業(yè)務(wù)資源優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)癥狀：14%的QQ聊天流量占了80%的TBF建立請求次數(shù)，占用了大量無線資源。

解決方案：通過PCRF對業(yè)務(wù)類型的區(qū)分，BSC根據(jù)報文業(yè)務(wù)類型優(yōu)化調(diào)度： PDCH信道占用數(shù)由3個降低到1個，TBF釋放時延由540 ms降低120 ms，TBF占用度降低到0.5。

圖7 基于累積使用量的QoS控制

效果： QQ業(yè)務(wù)的PDCH信道占用數(shù)和TBF釋放時延大幅度下降，極大地提升了無線網(wǎng)絡(luò)的效率。

2.4.3 P2P業(yè)務(wù)優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)癥狀：P2P流量占比大，且長時間占用無線資源，導(dǎo)致后接入的用戶體驗(yàn)不好。繁忙時段的P2P流量占到20%～30%，P2P上行流量占比更高達(dá)35%。

解決方案：將P2P業(yè)務(wù)盡量向3G/WLAN網(wǎng)絡(luò)遷移，針對2G網(wǎng)絡(luò)忙時、熱點(diǎn)區(qū)域?qū)2P業(yè)務(wù)進(jìn)行流量管控。

效果：2G網(wǎng)絡(luò)上HTTP等業(yè)務(wù)速度更快。P2P業(yè)務(wù)總流量仍得以保障。

3 結(jié)束語

隨著無線寬帶技術(shù)的發(fā)展，移動數(shù)字業(yè)務(wù)和智能終端也在不斷增長發(fā)展，數(shù)字洪水已經(jīng)來臨，需要對移動互聯(lián)網(wǎng)QoS進(jìn)行優(yōu)化和控制。文中介紹了針對移動互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的融合策略，分析了策略的基本原理和工作流程，借鑒都江堰水利工程提出了端到端流量管控體系框架，并深入研究了PCC在端到端流量管控中的作用，將其推廣應(yīng)用到了2G/3G/LTE/WLAN的融合策略管控中，并取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。隨著移動寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在2G/3G/LTE/WLAN各種技術(shù)體制共同組建的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，需要制定相應(yīng)的融合策略控制機(jī)制，進(jìn)一步研究PCC與多連接管理的融合管理機(jī)制，形成策略管理中心，更好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的分流與協(xié)同。

[1] 李正茂.聚合服務(wù)-移動互聯(lián)網(wǎng)時代的藍(lán)海[M]. 北京：人民郵電出版社， 2010.

[2] 顧明. LTE網(wǎng)絡(luò)中PCC架構(gòu)的應(yīng)用.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化. 2010，(11).

[3] 劉國鋒， 賈從平， 謝俊松， 張高毅. 基于DPI和PCC架構(gòu)的移動互聯(lián)網(wǎng)QoS優(yōu)化與控制研究[A]. 中國移動四川公司2009年度優(yōu)秀科技論文集[C]. 2009年12月.

Research of end to end data flow control strategy for mobile internet

ZHANG Gao-yi
(China Mobile Group Sichuan Co., Ltd., Chengdu 610041, China)

In this paper, we analyzed new technology and architecture of wireless network, aimed at the environment of 2G/3G/LTE/WLAN multiple networks, the QoS control method of data flow in the condition of different user type, service type, time quantum, and cumulant of the fl ow is researched, to improve the business experience and user satisfaction. Based on the PCC character and ANDSF multiple connection management mechanism, by using the end to end fl ue control technology, the usage ratio of the internet bandwidth is increased. We copied the principle of Dujiangyan water conservancy engineering, applying network flow control, equilibrium the network flow and reduce the flow peak, the fusion strategy control scheme of mobile internet cooperation is proposed, the cyber source is reasonable allocated, the investment of network is rationally and effectively controlled. The requirement for mobile internet business development is created, full technical reserves is made to cope with the digital fl ood.

end to end; policy of control and charge; fusion

TN929.5

A

1008-5599（2013）08-0044-06

2013-06-08