4G移動網(wǎng)絡(luò)端到端數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用探討

黃毅華 ，陳秀敏，許向東，鄧博存

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

4G移動網(wǎng)絡(luò)端到端數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用探討

黃毅華 ，陳秀敏，許向東，鄧博存

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在最近幾年蓬勃發(fā)展，新的業(yè)務(wù)模式為運營商的移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作帶來了重大挑戰(zhàn)，業(yè)務(wù)的復(fù)雜性要求運營商從端到端的方式去優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。介紹了無線側(cè)、核心側(cè)及業(yè)務(wù)側(cè)三個層面涉及到的端到端分析的不同數(shù)據(jù)源；同時，為了實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)源的索引及拼接，介紹了端到端數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)方法；最后，對如何使用端到端數(shù)據(jù)，對無線資源分析、業(yè)務(wù)問題定界及用戶感知評估三方面的應(yīng)用進行了探討，并提供了實際的案例及效果分析，為移動網(wǎng)絡(luò)端到端業(yè)務(wù)的維護和優(yōu)化工作提供了參考。

移動互聯(lián)網(wǎng) 端到端 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，智能終端不斷進行推廣與應(yīng)用，基于智能手機的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶和使用率均不斷增長。根據(jù)第36次中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展狀況統(tǒng)計報告（2015年7月），手機上的即時通信、手機搜索、手機新聞、手機音樂等業(yè)務(wù)的使用率均已超過50%。運營商關(guān)注的指標不再限于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運行質(zhì)量，逐步擴展為業(yè)務(wù)層面的表現(xiàn)，如何利用端到端的數(shù)據(jù)進行分析引起了運營商的高度重視。對運營商而言，采集和分析用戶業(yè)務(wù)發(fā)生過程的端到端全量數(shù)據(jù)，對于處理用戶業(yè)務(wù)感知問題，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，提升用戶滿意度具有重要的意義。

2 端到端優(yōu)化研究現(xiàn)狀

基于LTE目前的系統(tǒng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的維護和優(yōu)化方法大多都是基于EPC、EUTRAN或者業(yè)務(wù)各自層面的孤立分析，沒有將各個層面的內(nèi)容聯(lián)合起來進行分析。這種孤立的方法存在一定的缺陷：如果僅在無線側(cè)分析，則無法獲取業(yè)務(wù)的交互情況；而僅從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)出發(fā)，無法了解業(yè)務(wù)實際發(fā)生時的實際無線環(huán)境，同樣也無法掌握業(yè)務(wù)交互異常的真正原因。只有將EPC、EUTRAN及業(yè)務(wù)的信息同步采集并進行關(guān)聯(lián)，才能掌握用戶業(yè)務(wù)使用過程的所有影像。

目前各運營商陸續(xù)開展了一些端到端分析的相關(guān)研究，試圖通過端到端的數(shù)據(jù)分析優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，但基本上都限于局部定性分析，或者無法使用全量的用戶端到端數(shù)據(jù)，沒有達到很好的效果。

如中國聯(lián)通的LTE小數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)無線業(yè)務(wù)優(yōu)化研究，基于多數(shù)據(jù)應(yīng)用增強技術(shù)eDDA，研究LTE系統(tǒng)小數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)引起的信令風暴、UE功耗、PUCCH資源開銷等問題對網(wǎng)絡(luò)的影響，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。研究針對的是小數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的整體情況，但是未深入到具體不同業(yè)務(wù)對無線網(wǎng)絡(luò)的影響及優(yōu)化。

此外，SK電信也有使用DPI聯(lián)合設(shè)備網(wǎng)管指標進行分析的方案，通過對無線網(wǎng)絡(luò)問題小區(qū)內(nèi)各種業(yè)務(wù)的連接情況進行分析，確定各種業(yè)務(wù)的連接頻率及流量等，以此分析業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的影響。這樣雖然能在一定層面上評估業(yè)務(wù)的影響，但是只能分析到小區(qū)級別，不能細分到具體的用戶和業(yè)務(wù)，因此，不能完全實現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)分析。

3 端到端數(shù)據(jù)介紹

端到端的數(shù)據(jù)主要由無線側(cè)、核心側(cè)及業(yè)務(wù)側(cè)（互聯(lián)網(wǎng)）三方面的記錄數(shù)據(jù)組成，下文將簡單介紹三部分數(shù)據(jù)的主要數(shù)據(jù)源以及這些數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)方法。

3.1 無線數(shù)據(jù)

分析無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)的手段包括設(shè)備網(wǎng)管統(tǒng)計，TRACE跟蹤、MR測量報告、無線通話記錄CDR、專用儀表、APP等。由于設(shè)備網(wǎng)管的統(tǒng)計不能細分到用戶級別，所以無法實現(xiàn)端到端關(guān)聯(lián)。專用儀表，如路測工具等，由于是抽樣測試，無法獲取全樣本數(shù)據(jù)，存在一定的限制，故主要針對TRACE、MR及CDR等數(shù)據(jù)源進行分析。

（1）TRACE數(shù)據(jù)

TRACE數(shù)據(jù)是用戶的信令跟蹤數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)端到端用戶跟蹤，3GPP組織提出了明確的規(guī)范要求。對于用戶跟蹤，3GPP定義了UE TRACE及CELL TRACE兩種方式。

TRACE信令跟蹤采集了S1、UU及X2的協(xié)議消息，其中與無線資源相關(guān)的主要是UU消息。UU消息跟蹤包含了測量報告（基于測量事件），連接建立，重配置，連接釋放，終端能力協(xié)商等內(nèi)容。

信令跟蹤（TRACE）是移動網(wǎng)絡(luò)日常維護、故障排查與定位的有效工具。信令跟蹤可以獲取RRC連接的相關(guān)信息，同時通過測量報告獲取終端的信號情況。

（2）MR數(shù)據(jù)

MR測量報告是LTE系統(tǒng)的一項重要功能，測量報告的觸發(fā)方式分為事件觸發(fā)和周期觸發(fā)兩種。事件觸發(fā)MRE主要使用網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開啟的事件測量（如A1、A2等），不需要另外開啟測量任務(wù)。周期觸發(fā)MRO需要開啟測量任務(wù)，并配置測量周期。由于事件觸發(fā)方式上報的時間和頻率都有一定的限制，整體評估網(wǎng)絡(luò)一般使用MRO數(shù)據(jù)或MRS（MRO的周期統(tǒng)計結(jié)果）。

MR記錄了終端對服務(wù)及相鄰小區(qū)的測量信息（RSRP、RSRQ等），鏈路的誤包率，終端的占用資源（PUSCH/PDSCH PRB數(shù)等）以及對應(yīng)的eHRPD鄰區(qū)測量信息等。

（3）CDR數(shù)據(jù)

用戶每次的無線連接（RRC連接）都會產(chǎn)生一條CDR記錄。無線側(cè)話單記錄用戶每次無線連接時相關(guān)的連接信息，對應(yīng)的信號質(zhì)量以及資源使用的情況，適用于用戶級的問題分析。

無線側(cè)話單提供的字段約有200個，按照類型可以分為呼叫基本信息、呼叫建立、承載、切換、呼叫釋放、UE能力、互操作、RLF相關(guān)信息這八大類。

3.2 核心網(wǎng)數(shù)據(jù)

核心網(wǎng)數(shù)據(jù)為用戶承載等相關(guān)信令消息的記錄。當用戶附著/去附著，TAU、S1承載建立/釋放等產(chǎn)生，核心網(wǎng)信令會記錄相關(guān)的業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)，具體如表1所示。

表1 核心網(wǎng)信令字段介紹

3.3 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)指用戶傳輸?shù)腡CP/IP包信息，主要通過DPI的方式采集。通過DPI系統(tǒng)能夠基于源IP地址、目的IP地址、協(xié)議號、源端口、目的端口五元素及其組合對業(yè)務(wù)特征進行精確識別，對流量進行分析。

簡而言之，通過DPI分析，可以完成用戶業(yè)務(wù)層面的數(shù)據(jù)分析，包括訪問站點、訪問頻次、訪問流量、應(yīng)用排名、終端分析等。此外，由于DPI記錄了用戶TCP/IP層面交互的信息，也可以用于TCP/IP交互問題的定位及分析。

DPI數(shù)據(jù)的采集在核心網(wǎng)及業(yè)務(wù)層面有兩種方案，一種是通過內(nèi)置PGW的方式，這個方式對PGW的負荷會有一定的影響，而且需要同時采集MME接口的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)較為復(fù)雜；另外一種方式是目前應(yīng)用較多的方案，即通過第三方探針的方式，同時采集核心網(wǎng)的信令以及業(yè)務(wù)層面的數(shù)據(jù)，本文將以此種方式為主，介紹核心網(wǎng)信令及DPI數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

4 端到端數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

如上所述，端到端數(shù)據(jù)包含了無線側(cè)、核心側(cè)及互聯(lián)網(wǎng)三方面的數(shù)據(jù)。采集這三方面的數(shù)據(jù)后，還需要進行數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，才能將不同層面的數(shù)據(jù)合并在一起。如圖1所示，CDR/MR/TRACE主要采集無線UU口的數(shù)據(jù)，通過基站上報到服務(wù)器進行存儲；探針采集S1-MME、S1-U及S11接口的數(shù)據(jù)，其中S1-MME接口獲取基站信息、終端信息、控制面通道建立信息，S1-U獲取用戶使用的業(yè)務(wù)（網(wǎng)頁瀏覽/視頻/即時通訊/社交媒體）信息，S11獲取用戶承載建立信息。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及采集數(shù)據(jù)接口介紹

由于業(yè)務(wù)層面信息并不攜帶用戶的移動標識（如IMSI），第三方探針同時抓取S1-MME、S1-U及S11的信息，通過GTP協(xié)議，可以將核心側(cè)的信令以及業(yè)務(wù)側(cè)的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)。從而，使得用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)獲取到IMSI。

在LTE協(xié)議中，無線側(cè)的記錄數(shù)據(jù)（如CDR、MR）基本不采集IMSI，因此，為了實現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，還需要將CDR、MR等數(shù)據(jù)通過關(guān)聯(lián)獲取IMSI。核心側(cè)及業(yè)務(wù)側(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)如圖2所示：

圖2 核心側(cè)及業(yè)務(wù)側(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

如圖3 所示， 核心側(cè)記錄及無線話單均有記錄MME_Group_ID、MME_Code、eNBID、MME_UE_S 1 A P _ I D 、e N B _ U E _ S 1 A P _ I D這些字段。其中，MME_Group_ID、MME_Code唯一確定一個MME；eNBID、MME_UE_S1AP_ID、eNB_UE_S1AP_ID唯一確定eNB下某一個用戶的一次S1AP連接。通過上述字段，可以將無線記錄與核心側(cè)記錄一一對應(yīng)，從而無線側(cè)數(shù)據(jù)可獲取用戶的IMSI，最終實現(xiàn)無線、核心及業(yè)務(wù)的端到數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

5 端到端數(shù)據(jù)應(yīng)用

完成了端到端數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)后，用戶在不同層面的數(shù)據(jù)可以通過索引聯(lián)合在一起分析，給網(wǎng)絡(luò)維護及優(yōu)化人員提供了極大的幫助。在這里，介紹典型的端到端數(shù)據(jù)應(yīng)用以及對應(yīng)的實施效果。

圖3 無線側(cè)及核心側(cè)等數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)

5.1 業(yè)務(wù)對無線資源占用

對運營商而言，了解所承載網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)使用差異性及其對網(wǎng)絡(luò)資源的占用情況，對掌控網(wǎng)絡(luò)資源情況、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源配置、提升用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗具有重要的意義。

無線CDR數(shù)據(jù)記錄了用戶的無線RRC連接信息，包括連接時刻、信號強度及質(zhì)量、連接時間、連接流量、時隙占用等。對于CDR的記錄，可以認為RRC連接的觸發(fā)次數(shù)，直接與無線接入資源相關(guān)。而RRC連接的時間則直接與無線控制資源相關(guān)。因此，通過關(guān)聯(lián)DPI數(shù)據(jù)將業(yè)務(wù)屬性賦予每個RRC連接，則可以獲取不同業(yè)務(wù)對無線資源的占用分析。

PRACH等無線接入資源主要跟RRC連接觸發(fā)相關(guān)。評估業(yè)務(wù)對隨機接入資源的占用情況可以用RRC觸發(fā)匹配模型分析各種業(yè)務(wù)對RRC連接觸發(fā)的對應(yīng)分配情況。當終端進行RRC連接時，可以使用RRC連接建立后最新的數(shù)據(jù)包屬于哪個業(yè)務(wù)來標示。具體的算法流程如圖4所示。

圖4 RRC連接觸發(fā)匹配模型

參考某地 市某日的數(shù)據(jù)，對無線接入資源占用較多的主要為微信、QQ及百度地圖，占比分別為26.69 %、10.69 %和8.02 %，前三者的比例合占45.39 %。不同業(yè)務(wù)對無線接入資源的占用統(tǒng)計如圖5所示。

同理，通過將所有的CDR記錄中的RRC連接時間按照業(yè)務(wù)的貢獻分配到不同業(yè)務(wù)中，可以分析業(yè)務(wù)對無線控制資源的占用情況。不同業(yè)務(wù)對無線控制資源的占用統(tǒng)計如圖6所示。

分析同樣的數(shù)據(jù)，可見微信、微信空間（朋友圈）、QQ對無線控制資源的占用最高。而將CDR中PRB數(shù)量按照業(yè)務(wù)的貢獻分配到不同業(yè)務(wù)中，則可以分析業(yè)務(wù)對傳輸資源的占用情況，此處不再展開分析。

確定資源的主要矛盾后，可以通過網(wǎng)絡(luò)的無線資源優(yōu)化手段進行優(yōu)化，也可以與應(yīng)用公司共同優(yōu)化業(yè)務(wù)的心跳及尋呼規(guī)則，降低網(wǎng)絡(luò)負荷。

圖5 不同業(yè)務(wù)對 無線接入資源的占用統(tǒng)計

圖6 不同業(yè)務(wù)對無 線控制資源的占用統(tǒng)計

5.2 端到端問題定界

將用戶的無線記錄信息及業(yè)務(wù)信息關(guān)聯(lián)后，對于用戶的業(yè)務(wù)問題定位，提供了端到端的信息匯總，有助于分析業(yè)務(wù)的可能原因。通過不同層面端到端的指標分析，可以定界問題的歸屬。以HTTP業(yè)務(wù)感知問題為例，通過定義不同界面的關(guān)鍵指標，可以實現(xiàn)感知問題的快速定界。表2為HTTP指標定界。

表2 HTTP指標定界

在處理用戶投訴時，某地市的用戶投訴網(wǎng)頁瀏覽速度慢，經(jīng)過上述指標的定界，并派單到無線側(cè)進行處理。經(jīng)無線側(cè)分析，該投訴點MR信號覆蓋較弱，現(xiàn)場勘查信號較差，該投訴點由于沒有建室分系統(tǒng)，周邊樓宇都比較高，導(dǎo)致了酒店內(nèi)部信號比較差，因此造成了弱覆蓋，用戶體驗較差。具體如圖7和圖8所示：通過增加站點覆蓋的方式，解決了用戶的投訴問題。通過直接的問題定界，可以減少問題在專業(yè)界面的流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，提升問題的處理效率。

圖7 用 戶網(wǎng)頁瀏覽速度問題投訴的MR測量分析

圖8 用戶網(wǎng)頁瀏覽速度問題投訴的現(xiàn)場勘查情況

5.3 用戶感知評估

基于LTE的系統(tǒng)架構(gòu)及界面的分工，目前大多數(shù)的用戶感知評估都是基于無線側(cè)或業(yè)務(wù)側(cè)等單獨層面的，沒有實現(xiàn)基于端到端數(shù)據(jù)的用戶感知評估。此外全量用戶數(shù)據(jù)屬于海量數(shù)據(jù)，如沒有大數(shù)據(jù)能力的支持，數(shù)據(jù)的處理效率有限，這也制約了端到端全量數(shù)據(jù)感知評估的發(fā)展。

從用戶投訴的主要類型進行分析，實際上主要的投訴也需要在無線、核心及業(yè)務(wù)側(cè)分別尋找指標對應(yīng)。表3為主要網(wǎng)絡(luò)投訴問題在全量用戶數(shù)據(jù)的對應(yīng)分析：

表3 投訴及對應(yīng)指標表現(xiàn)

端到端的用戶感知評估可建立在上述問題及指標的對應(yīng)層面上，而在評估體系的建立方法上，目前存在兩種方式：一是通過專家評估或者問卷調(diào)研的方式，確定指標體系的因子及權(quán)重；二是使用數(shù)學(xué)挖掘的方式，通過邏輯回歸，決策樹，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)建模方式，通過對歷史數(shù)據(jù)的建模，從而對實際的用戶記錄進行感知預(yù)測。

圖9為某地市使用方法一建立的用戶感知模型，通過全量用戶數(shù)據(jù)，對用戶的感知進行評分，同時，監(jiān)控用戶在連續(xù)時間的感知波動情況，提前掌握用戶的感知問題，通過主動優(yōu)化的方式，減少用戶投訴，提升用戶感知。

6 結(jié)束語

本文對移動網(wǎng)絡(luò)的主要運營數(shù)據(jù)進行了分析，包括無線側(cè)、核心網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等記錄數(shù)據(jù)，同時，提出了端到端數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)方法，為移動網(wǎng)絡(luò)的端到端數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，介紹了端到端數(shù)據(jù)在評估無線資源占用，端到端用戶問題定界以及用戶感知評估三個方面的應(yīng)用案例以及效果。其中無線資源占用實現(xiàn)了從業(yè)務(wù)角度分析網(wǎng)絡(luò)資源的評估方法；端到端用戶問題定界解決了用戶業(yè)務(wù)問題的快速定位；用戶感知評估實現(xiàn)了從網(wǎng)絡(luò)KPI到用戶感知KQI的轉(zhuǎn)變。希望以此達到拋磚引玉的效果，為運營商端到端數(shù)據(jù)應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)智慧運營提供參考。

圖9 單用戶感知評分及波動分析

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Analysis and Application on 4G Mobile Network End-to-End Data

HUANG Yihua, CHEN Xiumin, XU Xiangdong, DENG Bocun
(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

Mobile Internet services are developing gloriously in recent years. The new service modes bring great challenges to the mobile network optimization for operators because the complexity of services requests operators to optimize networks in an end-to-end mode. The different data sources of end-to-end analysis involved in the three levels of wireless side, core side and service side were introduced. Then, in order to realize the indexing and connection of different data sources, the end-to-end data association method was addressed. Finally, the applications of three aspects including the use of the end-to-end data, the analysis on wireless resource, the de fi nition of service problem and the user perception evaluation were discussed. In addition, the practical cases and effect analysis were offered to provide the reference to the maintenance and optimization of mobile Internet end-to-end services.

mobile Internet end-to-end data association

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.008

TN929.5

A

1006-1010(2017)20-0047-07

黃毅華,陳秀敏,許向東,等. 4G移動網(wǎng)絡(luò)端到端數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用探討[J]. 移動通信, 2017,41(20)： 47-53.

2017-07-20

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

黃毅華：碩士畢業(yè)于中山大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要從事無線網(wǎng)絡(luò)維護及優(yōu)化等相關(guān)工作。

陳秀敏：碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要從事移動網(wǎng)絡(luò)研究及儀表應(yīng)用等相關(guān)工作。

許向東：畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要負責移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)管理等相關(guān)工作。