LTE網(wǎng)絡(luò)擁塞實(shí)時(shí)提醒服務(wù)實(shí)現(xiàn)方案研究

池?zé)槼?/p>

【摘 要】為了減輕LTE網(wǎng)絡(luò)擁塞帶來的負(fù)面影響，提升移動(dòng)用戶的客戶感知水平，首先闡述了PCC架構(gòu)中的擁塞感知與緩解技術(shù)，然后分析用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞的感知問題，最后提出一種LTE網(wǎng)絡(luò)擁塞實(shí)時(shí)提醒服務(wù)的實(shí)現(xiàn)方案，使用戶及時(shí)獲知網(wǎng)絡(luò)擁塞情況，以提升LTE網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)水平。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)擁塞；擁塞感知；擁塞信息；策略與計(jì)費(fèi)策略控制；實(shí)時(shí)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(jīng)過不斷的投入和優(yōu)化，LTE網(wǎng)絡(luò)的可用性和穩(wěn)定性已大幅提升，在大多數(shù)情況下網(wǎng)絡(luò)質(zhì)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(dòng)或突發(fā)事件的現(xiàn)場，大量用戶聚集并同時(shí)使用LTE網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)若網(wǎng)絡(luò)資源不足以應(yīng)付大量用戶需求，就可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞。為應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞，LTE網(wǎng)絡(luò)可以從多方面采集數(shù)據(jù)，及時(shí)分析并確定網(wǎng)絡(luò)擁塞情況，進(jìn)而采取多種手段緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞，如網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的調(diào)整與調(diào)優(yōu)、負(fù)載均衡、PCC（Policy and Charging Control，策略與計(jì)費(fèi)控制）等。然而，從用戶角度來看，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生時(shí)，用戶并不確切了解網(wǎng)絡(luò)是否擁塞以及擁塞的程度，用戶很可能會(huì)繼續(xù)不斷嘗試重連網(wǎng)絡(luò)，從而為用戶體驗(yàn)帶來更多負(fù)面影響，并且可能會(huì)進(jìn)一步加重網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，不利于網(wǎng)絡(luò)擁塞的緩解。因此，如何讓用戶及時(shí)獲知網(wǎng)絡(luò)擁塞情況值得研究，本文將闡述PCC架構(gòu)中的擁塞感知與緩解技術(shù)，然后分析用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞的感知問題，最后提出一種LTE網(wǎng)絡(luò)擁塞實(shí)時(shí)提醒服務(wù)的實(shí)現(xiàn)方案。

2 網(wǎng)絡(luò)的擁塞感知與緩解

網(wǎng)絡(luò)擁塞是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)資源不能滿足用戶數(shù)據(jù)傳輸需求時(shí)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)性能下降的現(xiàn)象。在LTE網(wǎng)絡(luò)中，RAN（Radio Access Network，無線接入網(wǎng)）用戶面擁塞是指在一段持續(xù)的時(shí)間內(nèi)，RAN資源無法滿足用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量隨著輸入負(fù)荷的增大而下降。LTE網(wǎng)絡(luò)能夠分析網(wǎng)絡(luò)擁塞情況，進(jìn)而采取多種手段來緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞。其中，PCC策略控制是緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的有效手段之一。為了讓PCC架構(gòu)具備基于網(wǎng)絡(luò)擁塞的PCC策略控制能力，3GPP從R13開始在PCC架構(gòu)中引入了新的功能——RCAF（RAN Congestion Awareness Function，無線接入網(wǎng)擁塞感知功能），它與PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則功能）、PCEF（Policy and Charging Enforcement Function，策略與計(jì)費(fèi)執(zhí)行功能）/TDF（Traffic Detection Function，流量檢測功能）/AF（Application Function，應(yīng)用功能）一起組成了基于擁塞感知的PCC策略控制架構(gòu)，如圖1所示。

該架構(gòu)能夠完成擁塞控制的三階段工作，包括擁塞感知、擁塞報(bào)告和擁塞緩解。在擁塞感知階段，RCAF負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)擁塞的檢測和感知，它從RAN的OAM（Operation Administration Maintenance，運(yùn)營管理維護(hù)）系統(tǒng)采集小區(qū)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)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(diǎn)名稱）信息。RCAF通過Nq接口向MME發(fā)送用戶/APN信息請(qǐng)求，請(qǐng)求中包含小區(qū)標(biāo)識(shí)ECGI（E-UTRAN Cell Global Identifier），E-UTRAN小區(qū)全局標(biāo)識(shí)符，MME向RCAF返回對(duì)應(yīng)小區(qū)內(nèi)的用戶IMSI（International Mobile Subscriber Identification Number，國際移動(dòng)用戶識(shí)別碼）/APN信息集合。

在擁塞報(bào)告階段，RCAF生成RUCI（RAN User Plane Congestion Information，RAN用戶面擁塞信息）報(bào)告，然后通過Np接口將RUCI報(bào)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(biāo)識(shí)ECGI、用戶連接的APN、擁塞水平（Congestion Level）等。RUCI報(bào)告的發(fā)送形式分為兩種：非聚合RUCI報(bào)告（Non-Aggregated RUCI Report）和聚合RUCI報(bào)告（Aggregated RUCI Report）。前者包含單個(gè)用戶的擁塞信息，后者包含多個(gè)用戶的擁塞信息，聚合報(bào)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(dāng)RCAF檢測到用戶受擁塞影響時(shí)，RCAF向PCRF發(fā)送擁塞狀態(tài)的RUCI報(bào)告，而當(dāng)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(bào)告。

在擁塞緩解階段，PCRF負(fù)責(zé)制定緩解擁塞的PCC策略，在PCC決策時(shí)由網(wǎng)絡(luò)擁塞因素，決定采取哪些擁塞緩解策略，包括業(yè)務(wù)/應(yīng)用的門控（Gating Control）、QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）控制（如帶寬限制）、延遲服務(wù)等，并生成相應(yīng)的PCC規(guī)則下發(fā)給PCEF，或者生成ADC（Application Detection and Control，應(yīng)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(bào)告策略執(zhí)行的結(jié)果。PCRF還可通過接受或拒絕AF策略控制請(qǐng)求來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)流量，當(dāng)PCRF拒絕AF發(fā)起的請(qǐng)求時(shí)，AF不再接受UE的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，從而達(dá)到緩解網(wǎng)絡(luò)壓力的目的。

3 用戶的擁塞感知問題

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的不斷完善和移動(dòng)應(yīng)用的日益豐富，用戶已經(jīng)習(xí)慣通過手機(jī)在線完成關(guān)鍵業(yè)務(wù)或交易，包括移動(dòng)支付、移動(dòng)購票、移動(dòng)網(wǎng)購、共享單車獲取、移動(dòng)在線游戲、移動(dòng)證券、移動(dòng)辦公等。這些關(guān)鍵業(yè)務(wù)經(jīng)常具有實(shí)時(shí)性或時(shí)限性，要求底層的LTE網(wǎng)絡(luò)具備良好的連通狀態(tài)，但如果遇到網(wǎng)絡(luò)擁塞，很可能會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)無法完成，影響用戶體驗(yàn)。

從業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流向分析，位于UE（User Equipment，用戶設(shè)備）上的移動(dòng)應(yīng)用客戶端向位于互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)端發(fā)送業(yè)務(wù)請(qǐng)求，UE應(yīng)用層的請(qǐng)求數(shù)據(jù)向下通過多層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧發(fā)送到LTE網(wǎng)絡(luò)，LTE網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)端，通過服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧反向解析，最后將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)端應(yīng)用層。在網(wǎng)絡(luò)暢通的場景下，從UE到LTE網(wǎng)絡(luò)再到服務(wù)端的數(shù)據(jù)傳輸暢通無阻，用戶體驗(yàn)到的是業(yè)務(wù)的快速順利完成。在網(wǎng)絡(luò)擁塞的場景下，UE與LTE網(wǎng)絡(luò)之間的通訊受阻，數(shù)據(jù)包無法通過LTE網(wǎng)絡(luò)到達(dá)服務(wù)端，用戶體驗(yàn)到的是業(yè)務(wù)一直等待并在超時(shí)（如30 s）后報(bào)出網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤，業(yè)務(wù)無法順利完成，暢通場景與擁塞場景的用戶感知對(duì)比如圖2所示。

值得注意的是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致用戶首次業(yè)務(wù)請(qǐng)求失敗后，用戶通常會(huì)多次嘗試重連，特別是在關(guān)鍵業(yè)務(wù)進(jìn)行時(shí)，如正在移動(dòng)支付時(shí)、正在取共享單車時(shí)、正在訂購高鐵票時(shí)，用戶甚至?xí)蜷_不同的手機(jī)應(yīng)用來檢測網(wǎng)絡(luò)是否正常。由于擁塞一般會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，特別是在擁塞程度較高的情況下，網(wǎng)絡(luò)難以及時(shí)恢復(fù)正常，在這種情況下，用戶的不斷重連行為可能會(huì)令情況變得更差。一方面用戶多次嘗試業(yè)務(wù)都不成功，導(dǎo)致用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)持續(xù)下降；另一方面UE不斷向LTE網(wǎng)絡(luò)發(fā)送分組，增大了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問壓力，不利于網(wǎng)絡(luò)擁塞的緩解。因此，在一些關(guān)鍵的業(yè)務(wù)場景中，用戶實(shí)時(shí)獲知網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況很重要，如果用戶確切獲知網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)重試，而是尋求其它方法解決當(dāng)前的業(yè)務(wù)問題，包括轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)位置等，或改用傳統(tǒng)的離線方法解決問題。這樣做不但避免了用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)進(jìn)一步下降，同時(shí)也防止網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步擁堵。

4 擁塞提醒服務(wù)方案

考慮到不同用戶的需要及服務(wù)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(cè)）的方式向部分有需要的用戶提供服務(wù)。擁塞提醒服務(wù)不僅涉及網(wǎng)絡(luò)擁塞的感知和發(fā)現(xiàn)，還涉及提醒服務(wù)的訂購、用戶對(duì)擁塞提醒服務(wù)個(gè)性化定制、提醒服務(wù)控制等，所以需要LTE網(wǎng)絡(luò)與BSS（Business Support System，業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)）協(xié)同工作。擁塞提醒服務(wù)的提供，在LTE網(wǎng)絡(luò)側(cè)主要涉及的網(wǎng)元包括RCAF、PCRF、SPR（Subscription Profile Repository，用戶簽約存儲(chǔ)庫）等；在BSS側(cè)主要涉及的系統(tǒng)包括CRM（Customer Relationship Management，客戶關(guān)系管理）系統(tǒng)、客服系統(tǒng)、OCS（Online Charging System，在線計(jì)費(fèi)系統(tǒng)）/OFCS（Offline Charging System，離線計(jì)費(fèi)系統(tǒng)）、CRRP（Congestion Real-time Reminding Platform，擁塞實(shí)時(shí)提醒平臺(tái)），擁塞提醒服務(wù)的實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。

其中，RCAF負(fù)責(zé)擁塞的檢測和感知，向PCRF報(bào)告擁塞情況；PCRF負(fù)責(zé)接收來自RCAF的擁塞報(bào)告，服務(wù)用戶的篩選及擁塞狀態(tài)同步；SPR負(fù)責(zé)存儲(chǔ)服務(wù)訂購信息以供PCRF使用；CRRP負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)完成擁塞提醒服務(wù)訂購的受理，管理服務(wù)訂購信息和服務(wù)配置信息等；客戶服務(wù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供渠道完成擁塞提醒服務(wù)的自助服務(wù)設(shè)置；OCS/OFCS負(fù)責(zé)接收CRM的擁塞提醒服務(wù)訂購信息，完成服務(wù)計(jì)費(fèi)帳務(wù)等。擁塞提醒服務(wù)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(wù)訂購，生成提醒服務(wù)的訂購記錄，然后將服務(wù)訂購信息CRM同步給SPR以及OCS/OFCS。

（2）用戶通過客服系統(tǒng)完成擁塞提醒服務(wù)規(guī)則的自助設(shè)置，包括打開或關(guān)閉擁塞提醒、需提醒擁塞等級(jí)、需提醒時(shí)段等，服務(wù)配置信息保存到CRM系統(tǒng)中，并實(shí)時(shí)生效。

（3）RCAF從OAM系統(tǒng)采集小區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過分析判斷確定擁塞小區(qū)范圍，以及各個(gè)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(yīng)的APN信息，生成用戶擁塞報(bào)告，并向PCRF發(fā)送RUCI報(bào)告。

（5）PCRF接收RUCI報(bào)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(duì)擁塞提醒服務(wù)的訂購信息。對(duì)于訂購了服務(wù)的用戶，PCRF將服務(wù)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(wù)配置信息。

（7）CRRP根據(jù)用戶的服務(wù)配置判定是否提醒，并根據(jù)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(jí)通知、擁塞消除通知）以及相應(yīng)的提醒腳本等，并通過短信中心向用戶發(fā)送提醒短信。

實(shí)時(shí)擁塞提醒服務(wù)的實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

為了對(duì)擁塞進(jìn)行精細(xì)化的策略控制，RUCI中報(bào)告的擁塞水平劃分比較細(xì)致，例如由低至高可劃分為1至31個(gè)擁塞等級(jí)，但在面向用戶的擁塞提醒服務(wù)中，為了讓用戶更易理解，服務(wù)設(shè)置了更易操作，提醒服務(wù)的擁塞等級(jí)需要簡化，比如分為3個(gè)等級(jí)：輕度擁塞、中度擁塞、嚴(yán)重?fù)砣苑?wù)側(cè)的擁塞等級(jí)與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的擁塞等級(jí)有一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，比如網(wǎng)絡(luò)的1至10級(jí)對(duì)應(yīng)輕度擁塞，10至21級(jí)對(duì)應(yīng)中度擁塞，21至31級(jí)對(duì)應(yīng)嚴(yán)重?fù)砣?。這個(gè)映射關(guān)系由CRRP管理，PCRF將原始的網(wǎng)絡(luò)擁塞級(jí)別同步給CRRP，CRRP完成等級(jí)轉(zhuǎn)換。另外，PCRF只需將當(dāng)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(dāng)PCRF同步的擁塞狀態(tài)與之前服務(wù)擁塞等級(jí)相同時(shí)，CRRP控制不重復(fù)提醒；當(dāng)PCRF同步的擁塞狀態(tài)與之前服務(wù)擁塞等級(jí)不同時(shí)，CRRP向用戶發(fā)送擁塞升級(jí)/降級(jí)提醒，當(dāng)PCRF同步已無擁塞狀態(tài)信息時(shí)，CRRP及時(shí)向用戶發(fā)送擁塞消除通知。

5 結(jié)束語

擁塞實(shí)時(shí)提醒服務(wù)可以進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)水平，提高用戶的客戶感知。本文闡述了PCC架構(gòu)中的擁塞感知與緩解技術(shù)，分析了用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞的感知問題，并提出了一種LTE網(wǎng)絡(luò)擁塞實(shí)時(shí)提醒服務(wù)的實(shí)現(xiàn)方案。方案通過LTE網(wǎng)絡(luò)與BSS的緊密協(xié)同工作，可向用戶提供實(shí)時(shí)的擁塞提醒，讓用戶及時(shí)獲得所處網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況，避免重復(fù)嘗試已擁塞的網(wǎng)絡(luò)，能夠防止用戶體驗(yàn)進(jìn)一步下降，同時(shí)減緩網(wǎng)絡(luò)壓力和緩解擁塞。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPP TS 23.203. Policy and charging control architecture （Release 15）[EB/OL]. （2017-09-18）[2017-12-20]. http：//www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/23_series/23.203/23203-f00.zip.

[2] 3GPP TS 29.217. Congestion reporting over Np reference point （Release 14）[EB/OL]. （2017-06-15）[2017-12-20]. http：//www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/29_series/29.217/29217-e20.zip.

[3] 3GPP TS 23.401. General Packet Radio Service （GPRS） enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） access （Release 15）[EB/OL]. （2017-09-18） [2017-12-20]. http：//www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/23_series/23.401/23401-f10.zip.

[4] 3GPP TR 23.060. General Packet Radio Service （GPRS）； Service description； Stage 2 （Release 15）[EB/OL]. （2017-09-17）[2017-12-20]. http：//www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/23_series/23.060/23060-f00.zip.

[5] 3GPP TS 36.300. E-UTRA and E-UTRAN Overall description； Stage 2 （Release 14）[EB/OL]. （2017-09-25）[2017-12-20]. http：//www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/36_series/36.300/36300-e40.zip.

[6] 謝希仁. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M]. 7版. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2017.

[7] 許光斌. 基于齊次泊松過程的靈活雙工與FDD擁塞率分析[J]. 移動(dòng)通信， 2017，41（6）： 35-38.

[8] 曹志強(qiáng). 城市無線通信的保障策略[J]. 移動(dòng)通信， 2015，39（14）： 29-33.

[9] 張慧娟. TDS高負(fù)荷場景特征分析與應(yīng)用[J]. 移動(dòng)通信， 2014，38（12）： 9-14.

[10] 李雪馨，呂振華. C2G數(shù)據(jù)國際漫游流量實(shí)時(shí)提醒實(shí)現(xiàn)方案研究[J]. 移動(dòng)通信， 2016，40（20）： 66-69.