LTE網絡擁塞實時提醒服務實現方案研究

池煒成

【摘 要】為了減輕LTE網絡擁塞帶來的負面影響，提升移動用戶的客戶感知水平，首先闡述了PCC架構中的擁塞感知與緩解技術，然后分析用戶對網絡擁塞的感知問題，最后提出一種LTE網絡擁塞實時提醒服務的實現方案，使用戶及時獲知網絡擁塞情況，以提升LTE網絡的服務水平。

【關鍵詞】網絡擁塞；擁塞感知；擁塞信息；策略與計費策略控制；實時提醒

Research on Real-Time Reminding Service Solution to

LTE Network Congestion

CHI Weicheng

[Abstract] In order to alleviate the negative effect resulting from the congestion in LTE networks and improve the perception of mobile customers， the congestion perception and alleviation technique in PCC architecture are elaborated firstly. Then， the network congestion perception of customers is analyzed. Finally， a real-time reminding service solution to LTE network congestion is proposed， by which customers can obtain the network congestion in time to improve the service level of LTE networks.

[Key words]network congestion； congestion perception； congestion information； PCC； real-time reminding

1 引言

經過不斷的投入和優(yōu)化，LTE網絡的可用性和穩(wěn)定性已大幅提升，在大多數情況下網絡質量已得到充分保障，但在某些特殊場景或特定條件下，例如在大型活動或突發(fā)事件的現場，大量用戶聚集并同時使用LTE網絡，此時若網絡資源不足以應付大量用戶需求，就可能出現網絡擁塞。為應對網絡擁塞，LTE網絡可以從多方面采集數據，及時分析并確定網絡擁塞情況，進而采取多種手段緩解網絡擁塞，如網絡參數的調整與調優(yōu)、負載均衡、PCC（Policy and Charging Control，策略與計費控制）等。然而，從用戶角度來看，當網絡擁塞發(fā)生時，用戶并不確切了解網絡是否擁塞以及擁塞的程度，用戶很可能會繼續(xù)不斷嘗試重連網絡，從而為用戶體驗帶來更多負面影響，并且可能會進一步加重網絡的擁塞程度，不利于網絡擁塞的緩解。因此，如何讓用戶及時獲知網絡擁塞情況值得研究，本文將闡述PCC架構中的擁塞感知與緩解技術，然后分析用戶對網絡擁塞的感知問題，最后提出一種LTE網絡擁塞實時提醒服務的實現方案。

2 網絡的擁塞感知與緩解

網絡擁塞是指當網絡資源不能滿足用戶數據傳輸需求時網絡出現性能下降的現象。在LTE網絡中，RAN（Radio Access Network，無線接入網）用戶面擁塞是指在一段持續(xù)的時間內，RAN資源無法滿足用戶數據傳輸的需求，網絡的整體吞吐量隨著輸入負荷的增大而下降。LTE網絡能夠分析網絡擁塞情況，進而采取多種手段來緩解網絡擁塞。其中，PCC策略控制是緩解網絡擁塞的有效手段之一。為了讓PCC架構具備基于網絡擁塞的PCC策略控制能力，3GPP從R13開始在PCC架構中引入了新的功能——RCAF（RAN Congestion Awareness Function，無線接入網擁塞感知功能），它與PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略與計費規(guī)則功能）、PCEF（Policy and Charging Enforcement Function，策略與計費執(zhí)行功能）/TDF（Traffic Detection Function，流量檢測功能）/AF（Application Function，應用功能）一起組成了基于擁塞感知的PCC策略控制架構，如圖1所示。

該架構能夠完成擁塞控制的三階段工作，包括擁塞感知、擁塞報告和擁塞緩解。在擁塞感知階段，RCAF負責網絡擁塞的檢測和感知，它從RAN的OAM（Operation Administration Maintenance，運營管理維護）系統采集小區(qū)的狀態(tài)數據，經過綜合分析和判斷，確定擁塞小區(qū)的范圍及擁塞程度，并從MME獲取受擁塞影響的用戶和APN（Access Point Name，接入點名稱）信息。RCAF通過Nq接口向MME發(fā)送用戶/APN信息請求，請求中包含小區(qū)標識ECGI（E-UTRAN Cell Global Identifier），E-UTRAN小區(qū)全局標識符，MME向RCAF返回對應小區(qū)內的用戶IMSI（International Mobile Subscriber Identification Number，國際移動用戶識別碼）/APN信息集合。

在擁塞報告階段，RCAF生成RUCI（RAN User Plane Congestion Information，RAN用戶面擁塞信息）報告，然后通過Np接口將RUCI報告發(fā)送給PCRF。RUCI信息主要包括受擁塞影響用戶的IMSI、擁塞小區(qū)標識ECGI、用戶連接的APN、擁塞水平（Congestion Level）等。RUCI報告的發(fā)送形式分為兩種：非聚合RUCI報告（Non-Aggregated RUCI Report）和聚合RUCI報告（Aggregated RUCI Report）。前者包含單個用戶的擁塞信息，后者包含多個用戶的擁塞信息，聚合報告中的用戶可能在不同的擁塞小區(qū)，有不同的擁塞水平。當RCAF檢測到用戶受擁塞影響時，RCAF向PCRF發(fā)送擁塞狀態(tài)的RUCI報告，而當RCAF檢測到用戶不再受擁塞影響，RCAF向PCRF發(fā)送無擁塞狀態(tài)的RUCI報告。

在擁塞緩解階段，PCRF負責制定緩解擁塞的PCC策略，在PCC決策時由網絡擁塞因素，決定采取哪些擁塞緩解策略，包括業(yè)務/應用的門控（Gating Control）、QoS（Quality of Service，服務質量）控制（如帶寬限制）、延遲服務等，并生成相應的PCC規(guī)則下發(fā)給PCEF，或者生成ADC（Application Detection and Control，應用檢測和控制）規(guī)則下發(fā)給TDF。PCEF/TDF按照下發(fā)的PCC規(guī)則/ADC規(guī)則執(zhí)行擁塞緩解策略，并向PCRF報告策略執(zhí)行的結果。PCRF還可通過接受或拒絕AF策略控制請求來調整網絡流量，當PCRF拒絕AF發(fā)起的請求時，AF不再接受UE的業(yè)務請求，從而達到緩解網絡壓力的目的。

3 用戶的擁塞感知問題

隨著LTE網絡的不斷完善和移動應用的日益豐富，用戶已經習慣通過手機在線完成關鍵業(yè)務或交易，包括移動支付、移動購票、移動網購、共享單車獲取、移動在線游戲、移動證券、移動辦公等。這些關鍵業(yè)務經常具有實時性或時限性，要求底層的LTE網絡具備良好的連通狀態(tài)，但如果遇到網絡擁塞，很可能會導致業(yè)務無法完成，影響用戶體驗。

從業(yè)務的數據流向分析，位于UE（User Equipment，用戶設備）上的移動應用客戶端向位于互聯網上的服務端發(fā)送業(yè)務請求，UE應用層的請求數據向下通過多層的網絡協議棧發(fā)送到LTE網絡，LTE網絡將數據傳送到服務端，通過服務端的網絡協議棧反向解析，最后將數據傳送到服務端應用層。在網絡暢通的場景下，從UE到LTE網絡再到服務端的數據傳輸暢通無阻，用戶體驗到的是業(yè)務的快速順利完成。在網絡擁塞的場景下，UE與LTE網絡之間的通訊受阻，數據包無法通過LTE網絡到達服務端，用戶體驗到的是業(yè)務一直等待并在超時（如30 s）后報出網絡錯誤，業(yè)務無法順利完成，暢通場景與擁塞場景的用戶感知對比如圖2所示。

值得注意的是，當網絡擁塞導致用戶首次業(yè)務請求失敗后，用戶通常會多次嘗試重連，特別是在關鍵業(yè)務進行時，如正在移動支付時、正在取共享單車時、正在訂購高鐵票時，用戶甚至會打開不同的手機應用來檢測網絡是否正常。由于擁塞一般會持續(xù)一段時間，特別是在擁塞程度較高的情況下，網絡難以及時恢復正常，在這種情況下，用戶的不斷重連行為可能會令情況變得更差。一方面用戶多次嘗試業(yè)務都不成功，導致用戶的網絡體驗持續(xù)下降；另一方面UE不斷向LTE網絡發(fā)送分組，增大了對網絡的訪問壓力，不利于網絡擁塞的緩解。因此，在一些關鍵的業(yè)務場景中，用戶實時獲知網絡的擁塞情況很重要，如果用戶確切獲知網絡處于擁塞狀態(tài)及擁塞的程度，用戶就可以避免多次無用的網絡重試，而是尋求其它方法解決當前的業(yè)務問題，包括轉換網絡、移動位置等，或改用傳統的離線方法解決問題。這樣做不但避免了用戶的網絡體驗進一步下降，同時也防止網絡進一步擁堵。

4 擁塞提醒服務方案

考慮到不同用戶的需要及服務帶來的資源消耗，不是任何擁塞都需要向所有用戶發(fā)出擁塞提醒，可以通過訂購（或注冊）的方式向部分有需要的用戶提供服務。擁塞提醒服務不僅涉及網絡擁塞的感知和發(fā)現，還涉及提醒服務的訂購、用戶對擁塞提醒服務個性化定制、提醒服務控制等，所以需要LTE網絡與BSS（Business Support System，業(yè)務支撐系統）協同工作。擁塞提醒服務的提供，在LTE網絡側主要涉及的網元包括RCAF、PCRF、SPR（Subscription Profile Repository，用戶簽約存儲庫）等；在BSS側主要涉及的系統包括CRM（Customer Relationship Management，客戶關系管理）系統、客服系統、OCS（Online Charging System，在線計費系統）/OFCS（Offline Charging System，離線計費系統）、CRRP（Congestion Real-time Reminding Platform，擁塞實時提醒平臺），擁塞提醒服務的實現方案如圖3所示。

其中，RCAF負責擁塞的檢測和感知，向PCRF報告擁塞情況；PCRF負責接收來自RCAF的擁塞報告，服務用戶的篩選及擁塞狀態(tài)同步；SPR負責存儲服務訂購信息以供PCRF使用；CRRP負責接收PCRF的擁塞狀態(tài)同步信息，擁塞提醒控制，擁塞提醒腳本管理，擁塞提醒歷史記錄以及發(fā)送提醒短信等；CRM負責完成擁塞提醒服務訂購的受理，管理服務訂購信息和服務配置信息等；客戶服務系統負責提供渠道完成擁塞提醒服務的自助服務設置；OCS/OFCS負責接收CRM的擁塞提醒服務訂購信息，完成服務計費帳務等。擁塞提醒服務流程主要包括以下環(huán)節(jié)：

（1）CRM完成用戶的擁塞提醒服務訂購，生成提醒服務的訂購記錄，然后將服務訂購信息CRM同步給SPR以及OCS/OFCS。

（2）用戶通過客服系統完成擁塞提醒服務規(guī)則的自助設置，包括打開或關閉擁塞提醒、需提醒擁塞等級、需提醒時段等，服務配置信息保存到CRM系統中，并實時生效。

（3）RCAF從OAM系統采集小區(qū)狀態(tài)數據，通過分析判斷確定擁塞小區(qū)范圍，以及各個小區(qū)的擁塞水平。

（4）RCAF從MME獲取正受到擁塞小區(qū)影響的用戶列表及相應的APN信息，生成用戶擁塞報告，并向PCRF發(fā)送RUCI報告。

（5）PCRF接收RUCI報告后，一方面采取PCC策略緩解擁塞，另一方面從SPR獲取用戶對擁塞提醒服務的訂購信息。對于訂購了服務的用戶，PCRF將服務用戶的擁塞狀態(tài)信息同步給CRRP。

（6）CRRP接收到PCRF的擁塞狀態(tài)同步信息后，從CRM獲取用戶的擁塞提醒服務配置信息。

（7）CRRP根據用戶的服務配置判定是否提醒，并根據最新的擁塞同步信息，歷史提醒記錄等確定提醒的類型（如擁塞通知、擁塞升降級通知、擁塞消除通知）以及相應的提醒腳本等，并通過短信中心向用戶發(fā)送提醒短信。

實時擁塞提醒服務的實現流程如圖4所示。

為了對擁塞進行精細化的策略控制，RUCI中報告的擁塞水平劃分比較細致，例如由低至高可劃分為1至31個擁塞等級，但在面向用戶的擁塞提醒服務中，為了讓用戶更易理解，服務設置了更易操作，提醒服務的擁塞等級需要簡化，比如分為3個等級：輕度擁塞、中度擁塞、嚴重擁塞，所以服務側的擁塞等級與網絡側的擁塞等級有一個對應關系，比如網絡的1至10級對應輕度擁塞，10至21級對應中度擁塞，21至31級對應嚴重擁塞。這個映射關系由CRRP管理，PCRF將原始的網絡擁塞級別同步給CRRP，CRRP完成等級轉換。另外，PCRF只需將當前的擁塞狀態(tài)信息同步給CRRP，由CRRP基于歷史信息完成合理的提醒控制，包括當PCRF同步的擁塞狀態(tài)與之前服務擁塞等級相同時，CRRP控制不重復提醒；當PCRF同步的擁塞狀態(tài)與之前服務擁塞等級不同時，CRRP向用戶發(fā)送擁塞升級/降級提醒，當PCRF同步已無擁塞狀態(tài)信息時，CRRP及時向用戶發(fā)送擁塞消除通知。

5 結束語

擁塞實時提醒服務可以進一步提升網絡的服務水平，提高用戶的客戶感知。本文闡述了PCC架構中的擁塞感知與緩解技術，分析了用戶對網絡擁塞的感知問題，并提出了一種LTE網絡擁塞實時提醒服務的實現方案。方案通過LTE網絡與BSS的緊密協同工作，可向用戶提供實時的擁塞提醒，讓用戶及時獲得所處網絡的擁塞情況，避免重復嘗試已擁塞的網絡，能夠防止用戶體驗進一步下降，同時減緩網絡壓力和緩解擁塞。

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