無線網(wǎng)絡(luò)控制器信令負(fù)荷分擔(dān)方案的研究與應(yīng)用

李 瑩

（上海交通大學(xué)信息安全工程學(xué)院，中國(guó) 上海200240）

0 引言

本文通過對(duì)TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)中無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）信令處理子系統(tǒng)（SPU）工作原理的分析，研究信令負(fù)荷分擔(dān)的可行性、負(fù)荷分擔(dān)的流程和算法，提出無線網(wǎng)絡(luò)信令負(fù)荷分擔(dān)方案，并通過現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試驗(yàn)證方案應(yīng)用的效果。

1 無線網(wǎng)絡(luò)控制器信令處理單板介紹

1.1 無線網(wǎng)絡(luò)控制器

無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）是第三代移動(dòng)通信網(wǎng)TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）和基站（NodeB）一起構(gòu)成移動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)UTRAN。RNC主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息廣播、切換、小區(qū)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(shè)計(jì)，體現(xiàn)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(tǒng)內(nèi)部TD用戶面、控制面和傳輸面對(duì)資源，完成TD控制面業(yè)務(wù)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(tǒng)內(nèi)部TD用戶面、控制面和傳輸面的資源，完成TD控制面業(yè)務(wù)處理功能。非主控SPU單板只用于完成TD控制面業(yè)務(wù)處理功能。

主控SPU單板0號(hào)子系統(tǒng)為MPU（Main Processing Unit）子系統(tǒng)，用于管理系統(tǒng)內(nèi)部用戶面、控制面和傳輸面的資源,主控SPU單板的1～7號(hào)子系統(tǒng)（SPUb）或 1～3號(hào)子系統(tǒng)（SPUa）以及非主控 SPU 單板的所有邏輯子系統(tǒng)為CPUS（CPU for Service）子系統(tǒng)，用于完成控制面業(yè)務(wù)處理功能。

2 無線網(wǎng)絡(luò)控制器信令負(fù)荷分擔(dān)方案

2.1 信令負(fù)荷分擔(dān)可行性分析

RNC由SPU負(fù)責(zé)處理信令，一次接入的處理過程包括RRC呼叫、小區(qū)資源分配、傳輸資源分配。小區(qū)資源分配必須依賴小區(qū)所在子系統(tǒng)，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(gè)SPU子系統(tǒng)來完成。因此，當(dāng)小區(qū)所在子系統(tǒng)（本子系統(tǒng)）負(fù)荷已超出分擔(dān)門限時(shí)，可以將接入的呼叫處理部分轉(zhuǎn)發(fā)到其他子系統(tǒng)（分擔(dān)入子系統(tǒng)）完成。

由于RNC上存在多個(gè)SPU子系統(tǒng)，SPU子系統(tǒng)歸屬于某一個(gè)MPU，因此可以由MPU來裁決與選擇分擔(dān)入子系統(tǒng)。SPU向主控MPU周期上報(bào)本子系統(tǒng)的負(fù)載狀態(tài)和能力，MPU之間廣播各個(gè)框的SPU平均負(fù)載以及能力。當(dāng)RRC呼叫到達(dá)負(fù)載較低的SPU單板，則不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，由該SPU直接處理；當(dāng)RRC呼叫到達(dá)負(fù)載過高的SPU單板，則通過SPU轉(zhuǎn)發(fā)呼叫到MPU，由MPU選擇負(fù)載較低的框以及該框中負(fù)載較低的SPU子系統(tǒng)處理。如果找不到低負(fù)載的SPU子系統(tǒng)，則拒絕此RRC呼叫請(qǐng)求。

2.2 信令負(fù)荷分擔(dān)參數(shù)

在SPU負(fù)荷分擔(dān)流程中，決定分擔(dān)出及分擔(dān)入?yún)?shù)主要分為兩部分，第一類是負(fù)荷分擔(dān)設(shè)置參數(shù)，其中包括轉(zhuǎn)發(fā)門限和轉(zhuǎn)發(fā)偏置等，第二類是流控門限設(shè)置參數(shù)，作為負(fù)荷分擔(dān)參數(shù)設(shè)置的參考依據(jù)。

2.3 信令負(fù)荷分擔(dān)算法

信令處理子系統(tǒng)負(fù)荷分擔(dān)算法分為MPU間分擔(dān)和MPU框內(nèi)分擔(dān)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(fù)載以及能力，主控MPU收到SPU轉(zhuǎn)發(fā)的RRC請(qǐng)求，主控MPU查找到比自己的平均負(fù)荷更小的MPU（通過設(shè)置“控制面負(fù)荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)偏置”參數(shù)設(shè)置MPU間選擇偏置，只有當(dāng)對(duì)端MPU的負(fù)荷比主控MPU的負(fù)荷小一個(gè)偏置值以上，才選擇對(duì)端，該參數(shù)目前現(xiàn)網(wǎng)設(shè)置為5），則轉(zhuǎn)發(fā)到另外的MPU，由其處理此RRC請(qǐng)求。

2.3.2 MPU框內(nèi)選擇算法

SPU每秒向MPU上報(bào)其剩余的CPU能力和本子系統(tǒng)不同RRC類型的流控狀態(tài)。MPU選擇RRC請(qǐng)求分擔(dān)入的子系統(tǒng)時(shí)，如某子系統(tǒng)該類型RRC處于流控狀態(tài)，則不選擇此子系統(tǒng)；如所有SPU子系統(tǒng)均進(jìn)入此RRC處理的流控狀態(tài)，則此RRC請(qǐng)求被拒絕。當(dāng)SPU子系統(tǒng)各類別RRC流控到達(dá)流控狀態(tài)的時(shí)候，通知MPU子系統(tǒng)，使其不將此SPU子系統(tǒng)列入可被選擇的SPU子系統(tǒng)中。排除處于流控狀態(tài)的子系統(tǒng)后，根據(jù)MPU下各SPU子系統(tǒng)的剩余能力，做概率性選擇。MPU選擇不到合適的SPU子系統(tǒng)，則將RRC接入請(qǐng)求返回給轉(zhuǎn)出的SPU子系統(tǒng)。被選擇轉(zhuǎn)入的SPU子系統(tǒng)，如果其CPU占用率超出接入的RRC對(duì)應(yīng)的流控門限，則丟棄此RRC接入請(qǐng)求。

2.4 信令負(fù)荷分擔(dān)方案

SPU信令處理單板負(fù)荷分擔(dān)功能與流量控制算法結(jié)合使用。通過加載V400R008C00的RNC軟件版本開啟SPU信令處理單板負(fù)荷分擔(dān)功能。功能開啟初期，相關(guān)負(fù)荷分擔(dān)參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值。控制面負(fù)荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)門限取決于流控門限的設(shè)置，對(duì)于流控門限設(shè)置根據(jù)非業(yè)務(wù)和業(yè)務(wù)類的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行了定義，分別按照相關(guān)優(yōu)先級(jí)的默認(rèn)值設(shè)置?！翱刂泼尕?fù)荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)門限”不宜設(shè)置太高，太高會(huì)導(dǎo)致分擔(dān)不夠及時(shí)；也不宜設(shè)置太低，太低則會(huì)導(dǎo)致太多的RRC_REQ被分擔(dān)?！翱刂泼尕?fù)荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)門限”和“流控門限”之間的間距不宜太小，保證超出負(fù)荷分擔(dān)門限之后，各個(gè)子系統(tǒng)之間還是可以有效分擔(dān)，而不會(huì)導(dǎo)致分擔(dān)出的請(qǐng)求被過早丟棄。兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的參考門限設(shè)置：最低流控門限設(shè)置為60，控制面負(fù)荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)門限設(shè)置為50。

2.5 信令負(fù)荷分擔(dān)方案的應(yīng)用效果驗(yàn)證

2.5.1 信令負(fù)荷變化情況

對(duì)RNC信令處理子系統(tǒng)負(fù)荷分擔(dān)功能啟用前后情況進(jìn)行了對(duì)比。通過計(jì)算每套R(shí)NC內(nèi)有所SPU子系統(tǒng)平均負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)偏差值表示RNC內(nèi)SPU負(fù)荷均衡性。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，總體標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)間的負(fù)荷分配得到了均衡。

2.5.2 流控門限修改效果驗(yàn)證

針對(duì)流控門限的設(shè)置進(jìn)行了試點(diǎn)測(cè)試，選取測(cè)試RNC,分別嘗試降低非業(yè)務(wù)類流控門限和提高業(yè)務(wù)類流控門限，觀察流控門限改變對(duì)RNC負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的影響。

選擇RNC385進(jìn)行降低非業(yè)務(wù)類流控門限試驗(yàn)，將非業(yè)務(wù)類流控門限參數(shù)分別降低10%。試驗(yàn)結(jié)果表明，SPU總體負(fù)荷仍維持降低趨勢(shì)，但由于增加了對(duì)于高業(yè)務(wù)的流控事件的保護(hù)，因此降低了高業(yè)務(wù)流控事件的觸發(fā)概率，對(duì)于日常故障跟蹤和性能分析帶來一定的影響。

選擇RNC388進(jìn)行提高業(yè)務(wù)類流控門限試驗(yàn)，將部分業(yè)務(wù)類的流控門限提升了5%。由門限調(diào)整前后的RNC基本運(yùn)行指標(biāo)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(yè)務(wù)流控事件的觸發(fā)門限，降低了相關(guān)業(yè)務(wù)流控事件的觸發(fā)概率，但是會(huì)導(dǎo)致RNC的平均負(fù)荷和峰值負(fù)荷的增加，從而提升了系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

2.5.3 負(fù)荷分擔(dān)門限修改效果驗(yàn)證

為嘗試進(jìn)一步降低信令處理負(fù)荷，進(jìn)行調(diào)整信令負(fù)荷分擔(dān)參數(shù)“控制面負(fù)荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)門限”的實(shí)驗(yàn)，選擇RNC404進(jìn)行試驗(yàn)，將門限參數(shù)提高10%。試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)整后子系統(tǒng)由于SPU子系統(tǒng)負(fù)荷分擔(dān)而分擔(dān)出/入的RRC次數(shù)較調(diào)整前有明顯的減少,但從平均信令負(fù)荷來看，調(diào)整前后并未發(fā)生顯著變化。3 應(yīng)用總結(jié)

此次試點(diǎn)應(yīng)用通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)理論邏輯關(guān)系的成立。如果調(diào)低非業(yè)務(wù)的流控門限，這樣業(yè)務(wù)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(diào)高業(yè)務(wù)的流控門限，這樣流控事件減少，但是RNC的平均負(fù)荷和峰值負(fù)荷也進(jìn)一步上升，影響運(yùn)行安全。提高負(fù)荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)門限則對(duì)降低系統(tǒng)整體信令負(fù)荷沒有明顯的促進(jìn)作用。因此流控門限和負(fù)荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)門限這兩個(gè)關(guān)鍵門限的參數(shù)設(shè)置需要綜合考慮產(chǎn)品特性和具體應(yīng)用場(chǎng)景。

無線網(wǎng)絡(luò)控制器信令負(fù)荷分擔(dān)方案突破了原本TD基站小區(qū)與信令處理子系統(tǒng)一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有別于傳統(tǒng)的通過硬件擴(kuò)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(tǒng)負(fù)荷分擔(dān)算法以及合理的參數(shù)閾值設(shè)置實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的信令負(fù)荷分擔(dān)，以更快捷、高效的方式解決由于不均衡問題導(dǎo)致的信令負(fù)荷突增情況，促進(jìn)提升TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體的接納能力，有助于運(yùn)營(yíng)商控制網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本及后期投入，具有推廣價(jià)值。

［1］張樹才.WCDMA及無線網(wǎng)絡(luò)控制器負(fù)荷分析及研究[J].電子科技,2015(03).

［2］周飛.WCDMA網(wǎng)絡(luò)RNC信令風(fēng)暴研究[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù),2013(08).