EPC業(yè)務(wù)云化后切換時延抖動分析

何東晨

【摘要】? ? 通信從語音通話到數(shù)據(jù)傳輸，從光纖通信到無線傳輸，電信行業(yè)的運(yùn)作模式和關(guān)鍵技術(shù)不停的在更新。運(yùn)營商為了提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維效率，降低運(yùn)維成本，提高產(chǎn)業(yè)競爭力，EPC（Evolved Packet Core 演進(jìn)的分組核心網(wǎng)）云化是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，主動發(fā)現(xiàn)并解決云化網(wǎng)絡(luò)帶來的業(yè)務(wù)感知問題至關(guān)重要。本文針對核心網(wǎng)業(yè)務(wù)上云后信令交互時延的變化進(jìn)行分析，結(jié)合理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，研究了核心網(wǎng)業(yè)務(wù)云化后由于信令交互距離變化對用戶面數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的影響，隨著信令交互距離變長，對時延及用戶面數(shù)據(jù)包造成的影響變大。最后，給出了運(yùn)營商云化網(wǎng)絡(luò)的時延優(yōu)化方案及合理化建議。

【關(guān)鍵字】? ? 核心網(wǎng)? ? 云化? ? 時延

引言

通信網(wǎng)絡(luò)是一個不斷引入新技術(shù)、不斷顛覆的過程。隨著硬件產(chǎn)業(yè)逐漸到了一定的瓶頸，并且配套資源對建網(wǎng)的要求越來越嚴(yán)苛，傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)暴露出弊端。傳統(tǒng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力和業(yè)務(wù)能力都無法適應(yīng)市場發(fā)展速度，不夠敏捷高效，拉長了業(yè)務(wù)上線周期。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備軟硬件一體化、豎井化，利用率極不均衡，無法調(diào)整共享，導(dǎo)致成本居高不下。運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)并未考慮開放性，開放的業(yè)務(wù)種類有限、新增能力開放響應(yīng)慢，制約了面向行業(yè)用戶的服務(wù)能力[1]。

隨著新一波技術(shù)浪潮的沖擊，通信網(wǎng)絡(luò)面臨著完全不同的發(fā)展環(huán)境，產(chǎn)生跨界變革的新趨勢，云網(wǎng)融合基于業(yè)務(wù)需求和技術(shù)創(chuàng)新并行驅(qū)動帶來的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的深刻變革，使得云和網(wǎng)高度協(xié)同、互為支撐[2-3]。NFV/SDN是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)軟件化、虛擬化的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可靈活調(diào)整，資源可彈性伸縮，能力可全面開放[4]。事物都有其兩面性，隨著EPC業(yè)務(wù)上云，也有新的問題需要關(guān)注，業(yè)務(wù)上云后信令交互距離變長，在發(fā)生切換時需要考慮時延抖動造成的影響。本文通過推演和分析，驗(yàn)證業(yè)務(wù)上云后對時延造成的影響，計(jì)算出能夠滿足切換條件的信令交互時延及傳輸距離，幫助提前做好網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，有效減少切換場景下時延抖動對用戶感知的影響。

一、核心網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)生切換的時延

在傳統(tǒng)組網(wǎng)的4G網(wǎng)絡(luò)下，用戶在移動過程中發(fā)生S1口切換時，有效的切換區(qū)域?yàn)閮苫拘盘柕闹丿B區(qū)域，超出區(qū)域?qū)⑶袚Q失敗。如圖1所示，切換所需要的時間等于測量時間d1、遲滯時間d2、執(zhí)行時間d3三者求和，d1依據(jù)3GPP規(guī)范中定義，d2為基站決策時間，d3為切換執(zhí)行時間，包括S1口信令交互時延及核心網(wǎng)元處理時延。

核心網(wǎng)業(yè)務(wù)上云后，云化設(shè)備部署在大區(qū)省份，導(dǎo)致信令交互的傳輸距離會發(fā)生變化，這些變化對時延的影響，直接關(guān)系到用戶的使用體驗(yàn)。

二、業(yè)務(wù)上云后切換時延抖動分析

核心網(wǎng)業(yè)務(wù)云化后由于部分設(shè)備虛擬化部署在大區(qū)省份，信令交互消息時延由于傳輸距離變化而受到影響，信令交互時延將會發(fā)生抖動，通過對切換時的信令流程分析，時延的變化對于用戶面數(shù)據(jù)傳送主要會產(chǎn)生以下兩種影響。

S1切換信令流程如圖2所示，第1-13步為切換準(zhǔn)備階段，此時的業(yè)務(wù)上、下行數(shù)據(jù)通道為：UE<->源eNB<->源SGW<->錨定PGW<->互聯(lián)網(wǎng)，和原始通道一致未發(fā)生變化。該階段由于信令面網(wǎng)元云化后部署在大區(qū)，受信令網(wǎng)元交互距離的影響，信令交互時間變長，切換準(zhǔn)備耗時變長。此時UE到源eNB的距離越遠(yuǎn)，源eNB信號強(qiáng)度越弱，業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量越差，中間丟包、重傳的可能性越大。因此切換準(zhǔn)備耗時越長，用戶時延越長，受無線信號質(zhì)量劣化影響的數(shù)據(jù)包增多。

如圖3所示，第13-17步為切換中轉(zhuǎn)階段，目標(biāo)eNB和目標(biāo)SGW在切換準(zhǔn)備階段均收到上行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)信息，上行流量在Handover Confirm后由目標(biāo)eNB、目標(biāo)SGW轉(zhuǎn)發(fā)至錨定PGW，即第17步后上行數(shù)據(jù)恢復(fù)并由目標(biāo)路徑轉(zhuǎn)發(fā)，上行數(shù)據(jù)通道變?yōu)椋篣E->目標(biāo)eNB->目標(biāo)SGW->錨定PGW->互聯(lián)網(wǎng)。

第13-24步為切換中轉(zhuǎn)階段。此時下行數(shù)據(jù)傳輸分兩種情況，第一種是基站間支持X2接口切換，下行流量通過源eNB X2接口目標(biāo)eNB緩存，下行數(shù)據(jù)通道為：互聯(lián)網(wǎng)->錨定PGW->源SGW->源eNB->目標(biāo)eNB->UE;第二種是基站間不支持X2接口切換，此時數(shù)據(jù)傳輸會在核心網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生迂回，通過核心網(wǎng)用戶面接口迂回至目標(biāo)eNB緩存，下行數(shù)據(jù)通道為：互聯(lián)網(wǎng)->錨定PGW->源SGW->源eNB->源SGW->目標(biāo)SGW->目標(biāo)eNB->UE。直到目標(biāo)eNB收到Handover Confirm建立空口連接后才將緩存的下行流量轉(zhuǎn)發(fā)給UE。最終，Modify Bearer流程后，錨定PGW收到下行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)信息，完成中轉(zhuǎn)通道到目標(biāo)通道的切換，此時下行流量才通過目標(biāo)SGW、目標(biāo)eNB轉(zhuǎn)發(fā)至UE。此處分析可以看出如果基站間支持X2接口切換，可以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒獭?/p>

在切換中轉(zhuǎn)階段，業(yè)務(wù)上云后，信令面消息較傳統(tǒng)EPC切換時交互信令受距離的影響需耗時更長，由于這個原因?qū)е虑袚Q中轉(zhuǎn)耗時增加，用戶面時延增加，此時延增大的上、下行數(shù)據(jù)包增多。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文通過實(shí)驗(yàn)對前面的分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)通過分別在傳統(tǒng)EPC網(wǎng)絡(luò)和云化EPC網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行業(yè)務(wù)測試，根據(jù)核心網(wǎng)采集信令時間點(diǎn)進(jìn)行切換時長統(tǒng)計(jì)，并通過在核心網(wǎng)S1-U口抓取切換測試時用戶面數(shù)據(jù)包，對比傳統(tǒng)EPC和云化EPC切換過程中的時延和切換期間的數(shù)據(jù)包個數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1，可以看出與分析結(jié)果一致。信令面交互距離越遠(yuǎn)，切換耗時越長，影響的數(shù)據(jù)包越多，影響用戶感知可能性越大。

通過前面的分析，已得出云化后信令交互時延將增加，并會影響數(shù)據(jù)的傳送質(zhì)量。一個用戶在特定移速下，在源eNB和目標(biāo)eNB重疊覆蓋區(qū)的中間點(diǎn)觸發(fā)切換，在超出源eNB覆蓋范圍后未完成的S1切換將失敗，用戶將重新附著至目標(biāo)eNB。那么如何保證用戶能夠正常在切換區(qū)域內(nèi)完成切換，保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性，提供給用戶更好的感知就顯得尤為重要。為保證S1切換不中斷，核心網(wǎng)信令時延應(yīng)該控制在多少能夠保證切換流程在切換區(qū)域內(nèi)完成，通過公式（1）可以推導(dǎo)得出。

式中V--用戶移動速度，取一般用戶移動上限值為120km/h;d1--基站測量時間，依據(jù)3GPP規(guī)范TS 36.133中定義取為200ms[5];d2--基站決策時間，取設(shè)備提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)約為40ms;d3--切換執(zhí)行時間，包括S1口信令交互時延及核心網(wǎng)元處理時延，從切換信令流程圖中可以看出涉及S1切換核心網(wǎng)元交互消息數(shù)12條，網(wǎng)元處理時延取2ms;R--基站間重疊覆蓋區(qū)，取通?；局丿B覆蓋最小距離50m，通過計(jì)算可以得到切換時單條核心網(wǎng)元信令交互時延應(yīng)小于40.5ms。按照每千公里10ms雙向傳輸承載時延計(jì)算，接入省至大區(qū)光纜長度應(yīng)小于4000公里。

通過推演分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，已得出核心網(wǎng)業(yè)務(wù)上云后用戶發(fā)生切換時的影響。為保障用戶業(yè)務(wù)使用感知，需要確保S1接口切換的連續(xù)性，在基站在條件許可情況下，應(yīng)開啟X2接口中轉(zhuǎn)功能，避免下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)因通過距離更長的核心網(wǎng)通道傳輸導(dǎo)致用戶面時延增加。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、設(shè)計(jì)初期應(yīng)考慮接入省至大區(qū)省之間傳輸距離，避免傳輸距離對切換時延產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

四、結(jié)語

本文重點(diǎn)針對核心網(wǎng)業(yè)務(wù)采用新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)后切換時延的變化進(jìn)行分析，通過理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以看出，核心網(wǎng)業(yè)務(wù)上云后會對S1接口切換信令交互時延造成影響，隨著信令交互距離變長，切換時延會變長，期間受到影響的用戶面數(shù)據(jù)包會變多。最后通過公式計(jì)算得出不影響用戶感知的情況下信令交互的時延，并給出了時延優(yōu)化的方案及對后續(xù)EPC業(yè)務(wù)云化的合理化建議，可以更加有效發(fā)揮新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的效能。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 包峰巖.電信運(yùn)營商業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)云化規(guī)劃演進(jìn)路線研究[D].北京郵電大學(xué).2014

[2] 季 鍇，銀 偉.“云網(wǎng)融合”——新時代運(yùn)營商增長藍(lán)海[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2020，28（01）

[3] 畢以峰.電信云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及對云網(wǎng)融合的要求[J]. 信息通信技術(shù).2019（02）

[4] ETSI.Network Functions Virtualisation （NFV）; Ecosystem; Report on SDN Usage in NFV Architectural Framework： ETSI GS NFV-EVE 005 V1.1.1[S].Sophia Antipolis Cedex-France： ETSI，2015

[5] Requirements for support of radio resource management.3GPP TS 36.133 version 15.3.0 Release 15 [S]， 2019