GSM網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量容量極限研究

中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司邢臺(tái)市分公司 田宏新

1.前言

智能終端的普及，3G用戶的大發(fā)展，為豐富多彩的手機(jī)應(yīng)用軟件帶來了巨大的市場潛力，網(wǎng)頁瀏覽、微博、微信等業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，使得用戶無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求急速增長。如今2/3G/4G網(wǎng)絡(luò)并存，GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)作為3G、4G網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，需維持很長一個(gè)階段，且GSM的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一直在增長，邢臺(tái)2013年數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)比2012年增長100%。而運(yùn)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(shù)據(jù)總流量的增長應(yīng)存在一個(gè)極限，本文即致力于結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與理論探討，研究這個(gè)極限值的計(jì)算方法。

2.TBF建立與PDCH信道

2.1 無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入原理

MS開機(jī)時(shí)處于GPRS的空閑狀態(tài)，沒有附著到GPRS移動(dòng)管理功能上，無法識(shí)別GPRS網(wǎng)絡(luò)。如果想和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，如發(fā)送電子郵件或?yàn)g覽網(wǎng)頁時(shí)，首先要申請PDCH信道分配，通過ATTCH附著到GPRSs網(wǎng)絡(luò)，再執(zhí)行PDP上下文激活，分配到一個(gè)IP地址，然后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)MS處于STANDBY狀態(tài)。

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)拿恳粋€(gè)上、下行數(shù)據(jù)單元(LLC PDU)，都被當(dāng)成是獨(dú)立的個(gè)體，需要通過TBF建立，分配到相應(yīng)的PDCH信道上，才能實(shí)現(xiàn)LLC PDU的傳遞。

空口數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾视蒔DTCH的編碼方式?jīng)Q定，EDGE上下行PDTCH可使用9種編碼方式MCS1到MCS9，單時(shí)隙應(yīng)用層最大下行速率為59.2kbps，EDGE采用MCS9這種最高編碼時(shí)，理論峰值可以達(dá)到384kbps。MCS編碼方式受無線環(huán)境和資源等多方面影響，初始編碼由參數(shù)INIT_MCS控制，編碼方式的轉(zhuǎn)換由MEAN_BEP(平均比特誤碼概率)、CV_BEP(平均比特誤碼概率波動(dòng)系數(shù))和LA(系統(tǒng)內(nèi)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(gè)無線資源實(shí)體所使用的一個(gè)物理連接，以達(dá)到在PDCH上支持單向傳遞LLC PDU的目的。網(wǎng)絡(luò)可以給TBF分配一個(gè)或多個(gè)PDCH信道。

一個(gè)TBF包含很多RLC/MAC塊，用來承載一個(gè)或多個(gè)LLC PDU。網(wǎng)絡(luò)給每一個(gè)TBF安排一個(gè)TFI(Temporary Flow Indicator)，用來唯一的標(biāo)識(shí)一個(gè)TBF。在上行鏈路方向，規(guī)范中使用USF(Uplink Status Flag)，從而允許不同的MS動(dòng)態(tài)復(fù)用一個(gè)無線塊。USF包含在下行RLC/MAC塊的塊頭內(nèi)，當(dāng)MS收到一個(gè)下行RLC/MAC塊內(nèi)的USF值與之前分配給手機(jī)的USF值相同時(shí)，MS就準(zhǔn)備在上行鏈路的對(duì)應(yīng)時(shí)隙進(jìn)行上行RLC/MAC塊的傳遞。TBF是代表用戶的一個(gè)會(huì)話的開始和結(jié)束的標(biāo)志。

PDCH(Packet Data Channel)：分組數(shù)據(jù)信道，是實(shí)現(xiàn)GPRS的最基本要素，是無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在空中接口上的承載邏輯實(shí)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(fù)責(zé)為PS業(yè)務(wù)用戶分配PDCH信道。

在GPRS網(wǎng)絡(luò)中有兩種PDCH分配，一種是專用PDCH(Dedicated PDCH或FPDCH)，一種是動(dòng)態(tài)PDCH(on-demand PDCH)。專用PDCH是只用于承載GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不能用于承載話音業(yè)務(wù)，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(shè)備。由于專用PDCH不能承載話音業(yè)務(wù)，所以增加小區(qū)的專用PDCH將減少話音TCH信道的容量，在CS話務(wù)量升高時(shí)，會(huì)影響小區(qū)的擁塞程度。動(dòng)態(tài)PDCH是在一定條件下由系統(tǒng)觸發(fā)分配，當(dāng)需要更多的PDCH用于承載PS業(yè)務(wù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)從CSD(Circuit Switch Domain)里面分配空閑的TCH作為動(dòng)態(tài)PDCH。動(dòng)態(tài)PDCH只是臨時(shí)分配給GPRS用戶使用，當(dāng)沒有TBF在上面?zhèn)魉蜁r(shí)，它會(huì)返回PSD(Packet Switch Domain)，如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒有傳送數(shù)據(jù)，它將返回電路域。

2.3 PDCH與TBF的關(guān)系

一個(gè)PDCH上可以同時(shí)復(fù)用多個(gè)TBF，最高復(fù)用TBF的個(gè)數(shù)可以由小區(qū)級(jí)參數(shù)MAX_UL_TBF_SPDCH、MAX_DL_TBF_SPDCH(一個(gè)SPDCH上允許建立的最大上、下行TBF數(shù))來控制。這里可以引入PDCH復(fù)用度的概念，(PDCH復(fù)用度=下行平均并發(fā)TBF數(shù)/占用的PDCH的平均數(shù)目)來反映PDCH信道上TBF的復(fù)用情況。

一個(gè)TBF也可以同時(shí)占用多個(gè)PDCH信道，可以通過參數(shù)MAX_PDCH_PER_TBF(Ater負(fù)荷為正常時(shí)，單一TBF分配PDCH數(shù)最大值)來調(diào)整。

用戶的TBF向PDCH分配時(shí)，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(gè)PDCH上的TBF并發(fā)數(shù)是有限制的，如果PDCH的上行或下行并發(fā)數(shù)滿載，新TBF無法接入，需要調(diào)整PDCH信道的配置，這個(gè)過程需要一定的時(shí)間和算法，這也會(huì)對(duì)用戶的感知受到一定影響；另外一種是垂直算法，即預(yù)留出一定的PDCH，為新進(jìn)入的用戶預(yù)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(shù)*3600]。

PDCH承載效率描述的是網(wǎng)絡(luò)的PDCH信道資源與單位時(shí)間段產(chǎn)生流量之間的關(guān)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(wǎng)絡(luò)整體的PDCH承載效率會(huì)逐漸提高，由于PDCH承載效率的極限值無法直接預(yù)估，無法由此預(yù)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(shè)：S=總流量(KB) P=PDCH平均占用數(shù)T=TBF建立次數(shù)

由于每次TBF的建立有一個(gè)過程，而TBF釋放時(shí)還有釋放時(shí)延，雖然占用PDCH信道，無法產(chǎn)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(shí)間。下圖為TBF釋放的示意圖(其中T3192指手機(jī)在下行TBF釋放后，網(wǎng)絡(luò)可直接在PACCH發(fā)送下行立即指配消息的時(shí)延)，根據(jù)TBF的建立流程及TBF釋放相關(guān)參數(shù)，該無效時(shí)間約2s(Alcatel)。

(其中T3192指手機(jī)在下行TBF釋放后，網(wǎng)絡(luò)可直接在PACCH發(fā)送下行立即指配消息的時(shí)延。)

圖1 TBF釋放示意圖

理論上單TBF使用最高編碼(單時(shí)隙應(yīng)用層最大下行速率為59.2kbps)，持續(xù)下載數(shù)據(jù)時(shí)，可達(dá)到極限流量，而每次TBF建立嘗試和釋放都有一定無效時(shí)間，因此在PDCH資源不變的情況下，當(dāng)TBF建立趨于飽和時(shí)，TBF建立的次數(shù)越多，產(chǎn)生的無效時(shí)間就越長，從而導(dǎo)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(shù)的增長將呈現(xiàn)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(shí)際數(shù)據(jù)分析TBF建立與流量的關(guān)系

隨著數(shù)據(jù)用戶和業(yè)務(wù)的增長，網(wǎng)絡(luò)流量持續(xù)在增長。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)各BSC一段時(shí)間內(nèi)的TBF建立成功次數(shù)與產(chǎn)生的流量，擬合出TBF建立次數(shù)與流量的關(guān)系，總流量隨TBF建立次數(shù)的增長呈現(xiàn)為線性增長趨勢。

不定式二：S=1.349T-11729

圖2 BSC建立TBF次數(shù)與產(chǎn)生流量的散點(diǎn)圖

由于數(shù)據(jù)流量的增長，不僅受空口資源的限制，還受GP負(fù)荷、Gb口負(fù)荷、G-Ater口負(fù)荷等多種因素影響，隨著TBF建立數(shù)的增長，流量的增長體現(xiàn)出非線性。流量在研究空口流量極限時(shí)，應(yīng)對(duì)以上數(shù)據(jù)有所修正?？梢灾缓Y選現(xiàn)網(wǎng)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(shù)與產(chǎn)生流量的散點(diǎn)圖

3.3 流量極限值計(jì)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(zhǔn)直線，兩條線的交點(diǎn)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(shù)，隨流量增長變化不大，可作為一個(gè)常量，由此可解出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的流量增長極限S_max以及對(duì)應(yīng)TBF建立次數(shù)T。再由S_max和P可求出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)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(píng)估

目前運(yùn)營商的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都是根據(jù)流量包計(jì)費(fèi)的，通過對(duì)現(xiàn)網(wǎng)流量極限的研究，可以對(duì)2G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的效益增長極限直接進(jìn)行預(yù)算。

4.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)飽和預(yù)警

隨著2G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的增長，數(shù)據(jù)總流量逐漸偏離線性增長，用忙時(shí)的總流量對(duì)比流量的增長極限，可以設(shè)定2G數(shù)據(jù)增長的飽和預(yù)警值，對(duì)全網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)數(shù)據(jù)流量趨于飽和預(yù)警值時(shí)，可通過2、3G互操作，臨時(shí)資源調(diào)整、臨時(shí)參數(shù)調(diào)整等手段進(jìn)行干預(yù)控制。

4.3 極限值算法的偏差

通過本方法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)流量增長的極限值，是根據(jù)理論上TBF建立增多導(dǎo)致的無效占用時(shí)長增加，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)TBF建立與流量之間的散點(diǎn)圖計(jì)算而得。由于無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)還受到有線資源的限制，無線質(zhì)量的影響等，編碼方式也不會(huì)100%達(dá)到MCS9，而單個(gè)TBF建立的無效時(shí)間也是結(jié)合參數(shù)設(shè)置得出的經(jīng)驗(yàn)值，因此最終結(jié)果和真實(shí)情況會(huì)存在誤差。

[1]韓冰杰.GSM原理與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[Z].河北移動(dòng)公司BSS培訓(xùn)教材初稿.

[2]韓冰杰.GPRS原理與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

[3]段安石,張建奎,沙國益.無線網(wǎng)優(yōu)參數(shù)集(GSM阿朗)V2.3.0-B11[D].上海貝爾阿爾卡特大學(xué).

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