LTE系統(tǒng)小數(shù)據(jù)包業(yè)務無線資源優(yōu)化研究

宋蒙+范斌+孫雷

【摘 ? ?要】在當前移動通信網(wǎng)絡中智能終端數(shù)量激增，數(shù)據(jù)業(yè)務種類繁多，小數(shù)據(jù)包業(yè)務占比日趨增長的大環(huán)境下，基于3GPP LTE Release11版本中引入的多數(shù)據(jù)應用增強技術（Enhancements for Diverse Data Applications，eDDA），主要研究LTE系統(tǒng)小數(shù)據(jù)包業(yè)務場景，分析RRC狀態(tài)轉換、信令開銷、上行資源開銷等參數(shù)，并基于上述分析研究可能的優(yōu)化方案。

【關鍵詞】小數(shù)據(jù)包業(yè)務 ? ?eDDA ? ?信令開銷 ? ?資源開銷 ? ?長DRX周期

中圖分類號：TN929.5 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1006-1010（2014）-15-0085-06

1 ? 引言

智能手機的大量發(fā)展促使用戶的使用習慣開始發(fā)生改變，越來越多的用戶開始通過手機使用微博、即時通信（Instant Message，IM）等應用，而該業(yè)務的永遠在線、心跳現(xiàn)象等特點，使得終端需要頻繁的進行信令鏈接重建和小數(shù)據(jù)量傳輸?shù)?，這就必然會引起LTE（Long Time Evolution）網(wǎng)絡的信令風暴問題，也對終端耗電、用戶體驗、系統(tǒng)效率等指標提出了挑戰(zhàn)。因此為了分析該問題對網(wǎng)絡的影響，并提出恰當?shù)慕鉀Q方案，移動網(wǎng)絡小數(shù)據(jù)包業(yè)務優(yōu)化技術成為運營商研究的熱點。

對于LTE系統(tǒng)來說，2011年3月舉辦的RAN#51次會議決定在R11版本中引入多數(shù)據(jù)應用增強技術（Enhancements for Diverse Data Applications，eDDA），其主要目的就是針對小數(shù)據(jù)包業(yè)務進行研究[1]，分析智能終端及其永遠在線的業(yè)務特性對網(wǎng)絡產(chǎn)生的影響，并進一步研究LTE系統(tǒng)下的潛在解決方案。

2 ? 現(xiàn)有業(yè)務場景和功能評估

2.1 ?主要業(yè)務場景

目前3GPP RAN2工作組歸納了5種業(yè)務類型場景并確定了研究的優(yōu)先級：

如表1所示[2]，背景流量和即時通信類業(yè)務具有永久在線、心跳數(shù)據(jù)突發(fā)的特點，容易引起頻繁的信令鏈接釋放和重建，因此對這類小數(shù)據(jù)包業(yè)務的研究具有較高的優(yōu)先級。

表1 ? ?小數(shù)據(jù)業(yè)務場景分類

業(yè)務場景 業(yè)務描述

高優(yōu)先級類業(yè)務

背景流量 沒有用戶操作，后臺自動運行的業(yè)務在客戶端和服務器間歇性的有小數(shù)據(jù)包交互傳輸?shù)臉I(yè)務。平均速率大約5Byte/s～250Byte/s

即時通信 用戶層傳輸?shù)奈谋绢悢?shù)據(jù)包以及用于驗證消息傳遞狀況的應用層和傳輸層協(xié)議信令。平均速率大概在30～100Byte/s

低優(yōu)先級類業(yè)務

在線游戲 在線類的網(wǎng)絡游戲，平均數(shù)據(jù)速率大約1～8KB/s

互動內(nèi)容瀏覽 網(wǎng)頁瀏覽、在線商店、微博等用戶主動發(fā)起的業(yè)務。速率大約在5～64KB/s之間

HTTP視頻流 分段傳輸?shù)囊曨l媒體數(shù)據(jù)流

2.2 ?小數(shù)據(jù)對LTE網(wǎng)絡的影響分析

數(shù)據(jù)包較小而包間隔較長的特性使終端需要頻繁地在RRC_CONNECTED和RRC_IDLE兩個狀態(tài)之間切換，這將會產(chǎn)生信令風暴的問題。同時，較低的數(shù)據(jù)到達率也造成了大部分上行傳輸信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH）預留的傳輸調(diào)度請求資源的浪費。

（1）信令風暴問題

本節(jié)主要是對小數(shù)據(jù)引起的RRC狀態(tài)變化和用戶在小區(qū)間切換帶來的信令開銷進行分析。

1）RRC狀態(tài)轉換的信令開銷

當RRC的連接沒有建立，即沒有數(shù)據(jù)傳輸時，UE處于RRC_IDLE狀態(tài);一旦有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收，就需要建立連接，UE將轉入RRC_CONNECTED狀態(tài)。當UE的數(shù)據(jù)業(yè)務結束時會啟動RRC去激活定時器（RRC Inactivity Timer），如果網(wǎng)絡在該定時器工作范圍內(nèi)都沒有檢測到業(yè)務，那么當計時結束時UE又會重新轉入RRC_IDLE狀態(tài)，如此循環(huán)。當這種狀態(tài)的遷移過于頻繁時可能會給網(wǎng)絡帶來高信令負荷，并可能產(chǎn)生信令風暴。

表2給出了單個UE一次RRC建立連接/釋放所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量[3]。RRC建立的開銷在上行是70Bytes，下行約190Bytes左右。結合具體的網(wǎng)絡配置（主要是RRC Inactivity Timer的取值）和小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)的情況還會有所增加。頻繁的RRC建立連接/釋放勢必會產(chǎn)生過多的信令流，會帶來無謂的數(shù)據(jù)量，增加了eNodeB的工作負荷，降低了網(wǎng)絡效率。

表2 ? ?一次RRC建立連接/釋放流程信令的開銷

步驟 á UL

? DL MAC PDU承載的內(nèi)容 MAC PDU大小/字節(jié)

UL DL

1 á Preamble -- --

2 ? Random Access Response -- 7

3 á RRC Connection Request 7 --

4 ? RRC Connection Setup + （UE Contention Resolution Identity MAC CE） -- 38

5 á Buffer Status Report 2 --

6 á RRC Connection Setup Complete （+ NAS Service Request） 20 --

7 ? RLC Status Report -- 3endprint

8 ? Security Mode Command -- 11

9 ? RRC Connection Reconfiguration （+NAS： Activate Dedicated EPS Bearer Context Req） -- 118

10 á Buffer Status Report 2 --

11 á Security Mode Complete 13 --

12 á RRC Connection Reconfiguration Complete 10 --

13 ? RLC Status Report -- 3

14 ? Buffer Status Report 2 --

15 á UL Information Transfer （NAS： Activate Dedicated EPS BEARER Context Accept） 13 --

16 ? RLC Status Report -- 3

17 ? RRC Connection Release -- 10

18 á RLC Status Report 3 --

總字節(jié)數(shù) 72 193

2）UE移動的信令開銷

完整的切換過程涉及的信令較多，這里只考慮1次切換流程的空中接口信令開銷。

表3說明整個切換過程最少會帶來上行30Bytes，下行100Bytes的信令負荷[3]。如果加上設置終端進行測量的RRC重配置信令過程，信令量還將進一步增加。切換的空口信令條數(shù)較少，數(shù)據(jù)量要略小于RRC連接建立/釋放信令產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。所以切換相比較于RRC狀態(tài)遷移對網(wǎng)絡帶來的信令負荷也會略小。但是過多的切換仍然需要避免。

RRC IDLE態(tài)移動性在大多數(shù)情況下不會涉及任何空口或回傳信令，如果只考慮移動信令消耗，IDLE模式是比較合適的。

表3 ? ?一次切換流程信令的數(shù)據(jù)量

步驟 áUL

?DL MAC PDU承載的內(nèi)容 MAC PDU大小/字節(jié)

UL DL

1 á Buffer Status Report 2 --

2 á Measurement Report 19 --

3 ? RLC Status Report -- 3

4 ? RRC Connection Reconfiguration including mobility Control Info. -- 87

5 á Preamble -- --

6 ? Random Access Response -- 7

7 á RRC Connection Reconfiguration Complete 13 --

8 ? RLC Status Report -- 3

總字節(jié)數(shù) 34 100

（2）UE功耗

非連續(xù)接收DRX（Discontinuous reception）是在LTE R8開始引入的一種省電工作機制，UE只在極短時間內(nèi)監(jiān)聽下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH），其余時間均處于睡眠狀態(tài)。eNodeB也會保持與UE的DRX周期同步以避免在UE“睡眠”周期內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，影響用戶的業(yè)務體驗。

圖1到圖3給出了UE在3kmph、30kmph的移動速度下，配置160ms和640ms的DRX周期對于UE電量消耗的影響[4]。同時也考慮了不同的RRC Inactivity Timer的取值（1s，5s，10s，30s，100s）。

圖2 ? ?用戶平均耗電（30kmph，DRX 640ms）

圖3 ? ?用戶平均耗電（3kmph，DRX160ms）

從圖1和圖3的對比可以看出：DRX周期為640ms時的耗電要明顯低于160ms時的耗電。另外，RRC Inactivity Timer的取值較大時，UE處于連接狀態(tài)的時間也就越長，耗電也就越高。而圖1和圖2的對比則說明：UE的移動速度對功耗的影響沒有DRX周期和RRC Inactivity Timer對功耗的影響那么明顯。需要注意的是在睡眠狀態(tài)下UE無法監(jiān)聽信道消息，這也就意味著在移動速度較高的情況下切換失敗的概率會比IDLE狀態(tài)高。因此在考慮優(yōu)化信令、UE功耗的同時必須考慮對移動性能的影響。

綜合以上分析可知，小數(shù)據(jù)業(yè)務的優(yōu)化研究必須綜合考慮業(yè)務種類、用戶體驗、網(wǎng)絡效率等多方面因素，從而對DRX周期等參數(shù)做出合理的配置以達到提升網(wǎng)絡質(zhì)量、改善業(yè)務體驗的目的。

（3）PUCCH資源開銷

PUCCH信道傳輸上行物理層控制信息，承載的物理信息包括上行調(diào)度請求（Scheduling Request，SR）、ACK/NACK信息和信道狀態(tài)信息（CSI，Channel State Information）反饋（包括CQI/PMI/RI）。所占用物理資源的情況如圖4所示[5]：

圖4 ? ?UE PUCCH所占的PRB數(shù)

由圖4可以看出，在周期配置比較小時，PUCCH主要開銷為SR和CQI的開銷，其它資源的開銷比較少且固定。針對周期性CQI，其資源利用率在沒有DRX時以及有DRX但只在UE短暫醒來的期間發(fā)送，所以利用率是100%。但針對SR，其資源利用率取決于業(yè)務的上行數(shù)據(jù)到達率。不同的業(yè)務，其上行數(shù)據(jù)到達率不同，從而導致SR資源利用率不同，如圖5所示[2]。endprint

大多數(shù)情況下，即便是在SR周期較大的情況下，分配用于業(yè)務傳輸?shù)腟R資源利用率依然是非常低的，尤其是對背景類、即時通信類和網(wǎng)頁瀏覽類這些數(shù)據(jù)包間隔相對較大的業(yè)務來說。

考慮到此類業(yè)務每次交互的數(shù)據(jù)包非常小，人為參與的每次操作間隔也較長，可以認為此類業(yè)務具備一定的時延容忍性，針對典型的小數(shù)據(jù)業(yè)務可以考慮在現(xiàn)有的SR周期定義的基礎上擴展最大的SR周期值來提升SR資源利用率，降低網(wǎng)絡整體資源消耗;或者實時地監(jiān)測SR資源利用率，從而進行調(diào)整。但需要注意此方法不適用于在線游戲、VOIP等實時性業(yè)務。

3 ? 優(yōu)化分析

基于上述分析，小數(shù)據(jù)包業(yè)務優(yōu)化方案的研究主要是圍繞著優(yōu)化信令負荷、UE能耗和控制資源等方面展開。

3.1 ?優(yōu)化網(wǎng)絡信令開銷

（1）優(yōu)化RRC連接管理

目前，在業(yè)務請求過程中需要的空口RRC信令包括：

1）RRC Connection Request消息，RRC Connection Setup消息和RRC Connection Setup Complete消息。

2）Security Mode Command消息，Security Mode Complete消息。

3）RRC Connection Reconfiguration消息，RRC Connection Reconfiguration Complete消息。

優(yōu)化方案可以考慮將2），3）兩部分的信令融合到RRC Connection Setup中（僅包含1個RRC信令），同時eNodeB可以較早的從移動管理實體（Mobility Management Entity，MME）處獲得需要的上下文。要注意的是傳遞的RRC消息總量并未減少，只是通過使用較少的RRC信令條數(shù)完成UE與MME之間的信息交互，達到減少業(yè)務請求過程中空口（RRC）信令的目的。缺點是對現(xiàn)網(wǎng)改動較大，并且在網(wǎng)絡覆蓋不好的情況下傳輸開銷較大的RRC信令同樣可能導致額外的重傳。

（2）始終處于RRC連接狀態(tài)

通過核心網(wǎng)（Core Network，CN）輔助設置關鍵參數(shù)，例如RRC去激活定時器和DRX定時器，可以依據(jù)這些參數(shù)對RAN進行調(diào)整或優(yōu)化RAN參數(shù)，并將其應用于UE。這樣可以減少空閑態(tài)和連接態(tài)的頻繁轉化，降低網(wǎng)絡信令開銷，同時也能節(jié)約UE能耗。這些參數(shù)的初始值可以是在ATTACH過程中獲得，或從簽約數(shù)據(jù)中獲得（例如，移動信息/應用特性信息），或從UE的業(yè)務模型或移動模型中獲得的。RAN可以通過在RRC連接釋放的時候?qū)⑾嚓P的輔助信息發(fā)送給MME（例如，在eNodeB發(fā)送給MME的UE Context Release Complete消息中添加），這些輔助信息可以在UE發(fā)起后續(xù)的連接中使用。MME需要有儲存其覆蓋范圍內(nèi)大量UE信息的能力。

（3）控制面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)

除此之外，還可以考慮通過控制面進行小數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸。主要是考慮一些小數(shù)據(jù)業(yè)務只想傳輸一個較小的IP數(shù)據(jù)包，或者只需要傳輸一個應答消息的場景下，傳統(tǒng)的業(yè)務流程會極大的增加無線資源的使用。因此考慮在小數(shù)據(jù)傳輸中避免建立DRB（數(shù)據(jù)無線承載）而采用優(yōu)化控制面連接進行傳輸。此優(yōu)化方案下LTE需要針對處在RRC IDLE狀態(tài)下的UE打上“不頻繁小數(shù)據(jù)”的標簽來避免DRB建立。下行的尋呼消息中也要增加“小數(shù)據(jù)標志”的標簽，數(shù)據(jù)和控制信令的合并也增加了復雜度。網(wǎng)絡UE需要同時支持該功能。

3.2 ?優(yōu)化UE能耗

（1）空閑狀態(tài)擴展DRX配置

在空閑模式下，通過擴展最大的DRX周期降低尋呼的頻率來減少功耗。RAN結點對擴展的DRX周期的支持情況可以通過S1/Iu接口信令、OAM方法或手工配置的方式通知。如果支持該功能，UE可通過NAS過程在任何時候查詢?？臻e模式通過擴展最長DRX周期的方法，其適用于下行發(fā)起的信令或傳輸間隔較大的數(shù)據(jù)傳輸。對于靜止或者具有一定移動性（平衡功耗和移動性性能損失）的設備，該方案均可以實現(xiàn)。需要注意的是該功能必須要考慮UE的能力和網(wǎng)絡的支持情況，還要避免較長周期可能引起的尋呼丟失。

（2）連接狀態(tài)的長DRX周期

UTRAN/E-UTRAN提供新的值來開啟連接態(tài)的長DRX周期以及RRC/MAC用后向兼容的辦法來提供長DRX周期參數(shù)。當應用長DRX周期值，RRC去激活定時器需要進行適當調(diào)整。由于長DRX周期會帶來長時延，所以從應用層面看，長DRX周期（長于幾十秒）主要適用于移動臺發(fā)起的交互或容忍長時延的應用。另外需要注意的是對于移動的UE，會帶來很多的錯誤處理并帶來開銷，或者不得不回到空閑模式，這樣就不會帶來任何增益。因此這種方案只對靜止的UE有增益。

3.3 ?SR資源利用增強

在第2章節(jié)的PUCCH資源開銷分析中已提到對于實時性要求較低的小數(shù)據(jù)業(yè)務，可以考慮增大SR周期來減少總的SR配置次數(shù)以提高利用率。但是UE往往會處于多種業(yè)務并行的狀態(tài)，單純地增大SR周期可能會帶來時延，影響部分應用的體驗。

為了保障業(yè)務的性能和用戶體驗，可以結合UE業(yè)務特性和網(wǎng)絡當前總體資源負荷狀況進行調(diào)度以改善SR資源的利用情況。例如，在eNodeB和UE中引入同步的定時器分別統(tǒng)計每個UE在一定的時間范圍內(nèi)用來統(tǒng)計上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟R所占的比率。根據(jù)統(tǒng)計結果在下一次的業(yè)務傳輸之前決定是否要對SR周期的配置進行調(diào)整。同時，網(wǎng)絡需要針對buffer中數(shù)據(jù)的等待時間設定門限值以防止數(shù)據(jù)包等待的時間過長，盡可能的滿足用戶的所有業(yè)務需求。

4 ? 結束語

本文基于3GPP eDDA課題，對業(yè)務場景進行了歸納，并進一步對網(wǎng)絡信令負荷、控制信道資源受限以及終端耗電等關鍵指標和存在的問題進行了的評估與分析。最后針對以上幾項參數(shù)提出了信令優(yōu)化，DRX周期擴展配置，輔助信息優(yōu)化等方案。目前對小數(shù)據(jù)業(yè)務的優(yōu)化研究尚處于初始階段，主要是從理論上來分析未來網(wǎng)絡中小數(shù)據(jù)業(yè)務可能引入的問題，從而在標準中予以解決，為今后LTE網(wǎng)絡的部署打下基礎。endprint

參考文獻：

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作者簡介

宋蒙：工程師，碩士畢業(yè)于南安普頓大學，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術研究院無線技術研究部，主要研究方向為網(wǎng)絡架構及設備演進，LTE關鍵技術。

范斌：中級工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術研究院無線技術研究部，主要研究方向為HSPA+、LTE關鍵技術、Small Cell。

孫雷：中級工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術研究院無線技術研究部，主要研究方向為無線網(wǎng)絡架構演進、HSPA+、LTE關鍵技術。endprint