基于S1-MME/S1-U信令的LTE網(wǎng)絡(luò)生態(tài)分析系統(tǒng)及應(yīng)用

吳栩欣，羅驍茜，陳偉棟

（1 中國移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司佛山分公司, 佛山 528000；2 中國移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司, 廣州 510623)

隨著4G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、用戶數(shù)量壯大，提升4G用戶的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)感知受到運(yùn)營商越來越多關(guān)注。然而目前如何能夠在LTE網(wǎng)絡(luò)下均衡網(wǎng)絡(luò)流量、研究用戶行為和習(xí)慣，提供多維度、差異化的業(yè)務(wù)質(zhì)量和服務(wù)，提高端到端質(zhì)量和速率仍缺乏必要手段。利用Gb/Iu-ps信令可實(shí)現(xiàn)基于客戶感知的2G/3G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分析、投訴處理和市場支撐[1]，通過雙信令儀采集A口信令極大地縮小了尋呼問題分析范圍[2]；利用七號(hào)信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)網(wǎng)間信令、回?fù)軜I(yè)務(wù)、日常話務(wù)、工程建設(shè)和日常投訴等工作起到很好的分析支撐作用[3]；對(duì)網(wǎng)絡(luò)信令流程、信令數(shù)據(jù)分析得出了信令風(fēng)暴的成因及對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量造成的影響[4]；信令技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)精確營銷提供數(shù)據(jù)支撐[5，6]；在3G/LTE系統(tǒng)使用信令技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能動(dòng)態(tài)批價(jià)[7]；通過將信令技術(shù)結(jié)合運(yùn)用于IEEE 802.16網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS)模型[8]。文獻(xiàn)[1]![8]都運(yùn)用信令作為分析和解決問題的輔助手段。針對(duì)現(xiàn)狀，本文提出了基于S1-MME/S1-U信令的LTE網(wǎng)絡(luò)生態(tài)分析系統(tǒng)，并通過具體應(yīng)用來體現(xiàn)該系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。

1 基于S1-MME/S1-U信令的LTE網(wǎng)絡(luò)生態(tài)分析系統(tǒng)

基于S1-MME/S1-U信令的LTE網(wǎng)絡(luò)生態(tài)分析系統(tǒng)最基礎(chǔ)的資源是LTE網(wǎng)絡(luò)的S1-MME/S1-U信令，通過信令數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)、終端、業(yè)務(wù)和用戶等多維度分類分析，實(shí)現(xiàn)LTE網(wǎng)絡(luò)生態(tài)分析；通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)、會(huì)話流量大小和速率高低等評(píng)估，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量波動(dòng)，從而發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)或者終端的某些問題或隱患,系統(tǒng)概況如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)硬件架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集層、編解碼及數(shù)據(jù)共享層和應(yīng)用呈現(xiàn)層，通過在網(wǎng)絡(luò)多個(gè)接口進(jìn)行信令采集后，使用分布式服務(wù)器集群來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的存儲(chǔ)和處理，如圖2所示。

圖1 基于S1-MME/S1-U信令的LTE網(wǎng)絡(luò)生態(tài)分析系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

如圖3所示，系統(tǒng)軟件架構(gòu)包括4層：

（1）采集解碼層主要有信令采集、協(xié)議解碼、會(huì)話關(guān)聯(lián)等功能獲取原始數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理層主要有原始信令存儲(chǔ)、XDR話單生成、數(shù)據(jù)入庫和形成表格等功能對(duì)原始數(shù)據(jù)完成統(tǒng)計(jì)分析前的處理，為數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性提供保證。

（3）業(yè)務(wù)服務(wù)層包括查詢統(tǒng)計(jì)、文件和報(bào)表管理、安全和系統(tǒng)維護(hù)等功能，為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

（4）應(yīng)用呈現(xiàn)層包括端到端質(zhì)量分析、客戶感知分析、終端分析等模塊，實(shí)現(xiàn)多維度多角度的分析呈現(xiàn)，為體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)生態(tài)狀況提供數(shù)據(jù)支持。

圖2 基于S1-MME/S1-U信令的LTE網(wǎng)絡(luò)生態(tài)分析系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.3 系統(tǒng)的特色和適用范圍

多維度場景式的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)分析：針對(duì)自定義場景進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)控制面承載性能（網(wǎng)絡(luò)接入性、網(wǎng)絡(luò)保持性、小區(qū)性能等）指標(biāo)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)面性能（業(yè)務(wù)接入性、業(yè)務(wù)完整性、彩信業(yè)務(wù)、網(wǎng)頁瀏覽業(yè)務(wù)、微博業(yè)務(wù)、普通下載等）指標(biāo)分析；針對(duì)自定義場景進(jìn)行用戶行為分析（業(yè)務(wù)、流量、請(qǐng)求數(shù)、用戶數(shù)）。自定義場景包括：特定時(shí)間、特定區(qū)域（特定eNode B、特定批量小區(qū)）、特定批量用戶、特定終端類型。

多角度業(yè)務(wù)質(zhì)量分析：支持基于信令的各類業(yè)務(wù)速率情況分析；支持基于信令的各類業(yè)務(wù)分組丟失重傳情況分析；支持統(tǒng)計(jì)各類業(yè)務(wù)在不同網(wǎng)元的速率情況以達(dá)到快速定位速率低網(wǎng)元的目的。

圖3 基于S1-MME/S1-U信令的LTE網(wǎng)絡(luò)生態(tài)分析系統(tǒng)軟件架構(gòu)

異常信令輔助故障分析：支持基于信令異常的故障定位分析；支持基于信令異常結(jié)束流程的故障定位分析；統(tǒng)計(jì)各類故障在各網(wǎng)元出現(xiàn)的比例以幫助分析人員快速定位故障集中的網(wǎng)元。

2 應(yīng)用實(shí)例

通過基于S1-MME/S1-U信令的LTE網(wǎng)絡(luò)生態(tài)分析系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)2014年8月佛山LTE網(wǎng)絡(luò)下視頻業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在晚忙時(shí)優(yōu)酷視頻業(yè)務(wù)速率低于1 000 kbit/s。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)主要是某個(gè)IP地址段的優(yōu)酷視頻業(yè)務(wù)速率明顯偏低導(dǎo)致，如表1所示。

為了定位具體原因，我們將該IP地址段的優(yōu)酷視頻業(yè)務(wù)與和視頻、騰訊視頻業(yè)務(wù)的tcp.window_size_value分段對(duì)比如表2所示，優(yōu)酷視頻業(yè)務(wù)傳輸過程中tcp.window_size_value為0以 及tcp.window_size_value為1!1 024的小窗口占比明顯高于其他兩種業(yè)務(wù)。

根據(jù)TCP協(xié)議規(guī)范，tcp.window_ size_value的數(shù)值表示TCP窗口大小。當(dāng)數(shù)值為0時(shí)，表示緩沖區(qū)滿，發(fā)送方應(yīng)等到收到新的或者非0的窗口大小的通知后才能繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，即當(dāng)數(shù)值為0時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸中斷。選取該IP地址段的某條信令回溯如圖4所示，第765幀網(wǎng)絡(luò)側(cè)下發(fā)HTTP_Segment數(shù)據(jù)包相隔66 ms后，收到響應(yīng)Ack確認(rèn)（對(duì)應(yīng)第766幀），此次Ack攜帶的tcp.window_size_value為0，即通知網(wǎng)絡(luò)側(cè)接收端緩沖區(qū)滿，發(fā)送方應(yīng)等到收到新的或者非0的window size通知后才能繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。之后又重發(fā)了一次Ack確認(rèn)（對(duì)應(yīng)第768幀），此次tcp.window_size_value仍為0即沒有數(shù)據(jù)包下發(fā)。直到第三次重發(fā)Ack確認(rèn)（對(duì)應(yīng)第769幀），此次Ack包中攜帶的tcp.window_size_value是1 024，為非0值可繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸。由于前兩次Ack確認(rèn)的tcp.window_size_value=0，導(dǎo)致有819 ms沒有數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)分組時(shí)延增加從而影響速率下降。由此我們初步定位為該IP地址段對(duì)應(yīng)的優(yōu)酷服務(wù)器窗口設(shè)置存在瓶頸，需要對(duì)服務(wù)器窗口和TCP擁塞處理參數(shù)優(yōu)化。

我們將該問題反饋給省公司聯(lián)系優(yōu)酷業(yè)務(wù)提供商聯(lián)合優(yōu)化后，速率從優(yōu)化前的950 kbit/s提升到優(yōu)化后的1 200 kbit/s，速率提高26%。

表1 某個(gè)IP地址段的優(yōu)酷視頻業(yè)務(wù)速率

表2 3種視頻業(yè)務(wù)的TCP窗口大小對(duì)比

圖4 信令回溯

通過使用基于S1-MME/S1-U信令的LTE網(wǎng)絡(luò)生態(tài)分析系統(tǒng)對(duì)佛山LTE現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)酷視頻進(jìn)行業(yè)務(wù)質(zhì)量細(xì)化評(píng)估，并針對(duì)問題定位原因，從而找到有針對(duì)性的優(yōu)化方法，為LTE網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)流量和用戶的保有和增長提供網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保證。從上述應(yīng)用可見，該系統(tǒng)能很好的指導(dǎo)和支撐實(shí)際工作。

3 結(jié)束語

基于S1-MME/S1-U信令的LTE網(wǎng)絡(luò)生態(tài)分析系統(tǒng)具備了信令采集、解碼、分析和問題定位功能，提供了業(yè)務(wù)質(zhì)量提升和優(yōu)化的重要數(shù)據(jù)支撐。隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與擴(kuò)大，用戶規(guī)模必將呈現(xiàn)迅猛上升，可以預(yù)見，端到端質(zhì)量問題將會(huì)不斷涌現(xiàn)，下一步我們將繼續(xù)研究在LTE網(wǎng)絡(luò)下各種信令融合的分析應(yīng)用。

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