擁塞信息管理移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)論文

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1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

網(wǎng)絡(luò)擁塞控制是目前多數(shù)運(yùn)營(yíng)商的共同需求，受到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP和國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織CCSA的關(guān)注，并分別針對(duì)該需求和技術(shù)方案進(jìn)行了立項(xiàng)研究。截至目前，已取得了階段性進(jìn)展。

1.13GPP標(biāo)準(zhǔn)

3GPP在R12啟動(dòng)了用戶面擁塞管理（UPCON）的課題研究，該課題從立項(xiàng)伊始，受到幾乎絕大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商及廠商的支持和積極參與。由于涉及的范圍比較廣，技術(shù)具有一定的復(fù)雜性，R12并沒有完成課題研究，直至當(dāng)前的R13版本，才取得了階段性進(jìn)展。R12主要完成了用戶面擁塞場(chǎng)景和需求分析等Stage1的工作，并開始了Stage2階段的工作，主要研究了技術(shù)方案架構(gòu)，各個(gè)主要的備選技術(shù)方案參見研究報(bào)告TR23.705。之后的R13版本，目標(biāo)是在R12基礎(chǔ)上，對(duì)Stage2的備選方案進(jìn)行評(píng)估和標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)完成相應(yīng)的Stage3工作，截至目前，該項(xiàng)工作還在進(jìn)行中。

（1）網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的需求

場(chǎng)景3GPP針對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞，定義了小區(qū)資源耗盡和回傳鏈路資源不足的兩種擁塞場(chǎng)景，并定義了用戶層面的業(yè)務(wù)控制、應(yīng)用層面的數(shù)據(jù)控制、差異化計(jì)費(fèi)等13種擁塞管理場(chǎng)景。詳細(xì)場(chǎng)景參見3GPP研究報(bào)告TR22.805。

（2）網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的關(guān)鍵問題

網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的技術(shù)方案制定，需考慮如下5個(gè)方面的技術(shù)問題：用戶面擁塞的感知：主要研究及時(shí)感知用戶面擁塞，并通知到相關(guān)網(wǎng)元（如PCRF）的方法。用戶面擁塞的緩解方法：主要研究在獲知擁塞信息（包括擁塞小區(qū)、受影響的用戶及業(yè)務(wù)等）后，采取的緩解措施及方法。擁塞場(chǎng)景下不可演繹業(yè)務(wù)流的差異化處理：不可演繹業(yè)務(wù)流由于不能對(duì)應(yīng)出五元組，因此在策略控制時(shí)有一定的特殊性，該關(guān)鍵問題主要針對(duì)多應(yīng)用共用TCP/UDP等復(fù)雜場(chǎng)景下的策略控制進(jìn)行研究。針對(duì)Video業(yè)務(wù)的擁塞管理：Video是造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的一個(gè)很重要的因素，同時(shí)用戶對(duì)該業(yè)務(wù)的體驗(yàn)又比較敏感，因此將針對(duì)不同Video業(yè)務(wù)的不同級(jí)別用戶的差異化管理作為一個(gè)專門的問題進(jìn)行研究。上行業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)處理：進(jìn)行業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)排序和差異化處理是擁塞管理的重要方法，而上行業(yè)務(wù)的排序工作需要在終端用戶上進(jìn)行。該關(guān)鍵問題是研究用戶如何獲知網(wǎng)絡(luò)擁塞信息，并進(jìn)行上行業(yè)務(wù)排序。從上述分析可以看出，用戶面擁塞的感知和緩解方法是網(wǎng)絡(luò)擁塞課題研究的核心內(nèi)容，其他關(guān)鍵問題是針對(duì)特殊場(chǎng)景下?lián)砣芾淼脑鰪?qiáng)。

（3）針對(duì)擁塞感知和緩解，主要的技術(shù)方案有兩大類

CN-based的擁塞管理方法：即核心網(wǎng)實(shí)時(shí)參與擁塞的管理過程，RAN通過某種方法將擁塞信息傳遞到PCRF，由PCRF基于收到的擁塞信息進(jìn)行針對(duì)性的策略下發(fā)。RAN-based的擁塞管理方法：即擁塞信息勿需上報(bào)至核心網(wǎng)，當(dāng)擁塞發(fā)生時(shí)，由無線網(wǎng)絡(luò)基于預(yù)先定義的規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的處理。

1.1.1CN-based擁塞管理方案

CN-based擁塞管理方法的前提是擁塞信息的上報(bào)，即無線網(wǎng)絡(luò)通過相應(yīng)的方法將擁塞發(fā)生的信息傳遞到PCRF?；趽砣畔⑸蠄?bào)方法的不同，具體又有以下3種備選方案：

（1）Off-path擁塞信息上報(bào)方法

即擁塞信息不通過EPC主設(shè)備傳遞，在網(wǎng)絡(luò)中新增一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)擁塞感知功能實(shí)體（RCAF），基于無線網(wǎng)管能監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)擁塞的天然特性，從網(wǎng)管中獲取網(wǎng)絡(luò)擁塞信息，加以整理和用戶信息補(bǔ)充，將擁塞小區(qū)及受影響的用戶信息發(fā)送至PCRF。這種方案的優(yōu)勢(shì)在于大部分工作放在主設(shè)備之外的功能實(shí)體上去完成，對(duì)主設(shè)備影響小，且具有較好的部署靈活性；缺點(diǎn)在于需要新增設(shè)備。

（2）基于User-plane的擁塞信息上報(bào)方法

將S1/S5/S8用戶面的GTP-U包頭加以擴(kuò)展，攜帶小區(qū)擁塞相關(guān)信息，PDN-GW基于收到的GTP-U包頭的指示，將擁塞信息上報(bào)給PCRF。這種方案的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)每包每用戶的實(shí)時(shí)上報(bào)，對(duì)于擁塞信息的反應(yīng)速度快；缺點(diǎn)在于增加了對(duì)主設(shè)備的處理能力要求，上報(bào)的可控性較差，處理不好易帶來信令風(fēng)暴。

（3）基于Control-plane的擁塞信息上報(bào)方法

擴(kuò)展S1/S5/S8控制面的信令，增加新的信令流程用于擁塞信息的上報(bào)。這種方案需要重新設(shè)計(jì)端到端的信令，對(duì)端到端的設(shè)備都有較大的影響。

1.1.2RAN-based擁塞管理方案

RAN-based方案的共性是EPC不需要知道當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況，僅需要基于業(yè)務(wù)流的特征和優(yōu)先級(jí)對(duì)下行業(yè)務(wù)流打上不同標(biāo)簽。一旦無線側(cè)檢測(cè)到擁塞發(fā)生，基于不同業(yè)務(wù)流的標(biāo)簽則進(jìn)行差異化的處理。

（1）FP（IFlowPriorityIndicator）

同一承載內(nèi)基于業(yè)務(wù)流優(yōu)先級(jí)的差異化處理方法。不改變當(dāng)前的承載規(guī)則，在同一承載內(nèi)，對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)做標(biāo)簽處理。是基于承載內(nèi)部的優(yōu)先級(jí)處理，承載之間的FPI標(biāo)簽沒有優(yōu)先級(jí)上的交叉關(guān)系。這個(gè)標(biāo)簽可能是打在GTP-U的頭部、PMIP數(shù)據(jù)包頭部或重用IP凈荷包的DSCP部位。

（2）FQ（IFlowQoSIndex）

針對(duì)不同承載內(nèi)的業(yè)務(wù)流優(yōu)先級(jí)的差異化處理方法。對(duì)于不同的業(yè)務(wù)或運(yùn)營(yíng)商策略，打上不同的FQI標(biāo)簽。擁塞發(fā)生的時(shí)候，無線側(cè)基于業(yè)務(wù)所在的承載（即業(yè)務(wù)的QCI）+FQI+擁塞的級(jí)別綜合考慮，確定該業(yè)務(wù)流最終的優(yōu)先級(jí)。即業(yè)務(wù)最終處理的優(yōu)先級(jí)，由多個(gè)因素來決定，具有一定處理上的復(fù)雜性。

（3）增強(qiáng)現(xiàn)有承載概念的方案

基于不同承載在無線側(cè)能得到不同處理的前提，PDN-GW將相同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)放進(jìn)同一個(gè)Non-GBR的專有承載。當(dāng)擁塞發(fā)生時(shí)，無線側(cè)勿需通知核心網(wǎng)，即對(duì)不同的承載進(jìn)行不同的優(yōu)先級(jí)處理，即達(dá)到了分優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)處理的目的。這個(gè)方案擴(kuò)大了對(duì)Non-GBR專有承載的需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源將造成一定的浪費(fèi)。

1.1.3方案評(píng)估情況

3GPPR12版本由于時(shí)間原因，沒有對(duì)上述備選方案進(jìn)行充分評(píng)估。在2014年1月的SA2會(huì)議上，確定繼續(xù)在R13版本進(jìn)行UPCON相關(guān)的研究，重點(diǎn)對(duì)現(xiàn)有方案進(jìn)行完善和評(píng)估。截至2014年5月的SA2會(huì)議，已部分完成了現(xiàn)有方案的分析和評(píng)估，明確了Off-path方案作為CN-based的唯一解決方案，并最終寫進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。目前，SA2正在進(jìn)行Off-path方案的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)討論，其他的CT3和CT4工作組也已啟動(dòng)了Stage3的立項(xiàng)工作，后續(xù)會(huì)進(jìn)一步完成接口等細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)流程。

1.2CCSA標(biāo)準(zhǔn)

目前，國(guó)內(nèi)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)正處于3G向4G演進(jìn)階段，4G網(wǎng)絡(luò)尚未大規(guī)模部署應(yīng)用。隨著國(guó)內(nèi)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，已對(duì)目前的3G和4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量和性能方面提出了很高的要求，網(wǎng)絡(luò)在用戶面處理方面已經(jīng)不堪重負(fù)。針對(duì)用戶面擁塞感知和網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化管理這一需求，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織CCSA早在3GPP立項(xiàng)研究之前，便在運(yùn)營(yíng)商的牽頭下，啟動(dòng)了用戶面擁塞管理的架構(gòu)研究（詳見CCSATC5#WG9研究課題2013B1），并在2014年4月完成了Off-path方案研究和評(píng)估結(jié)論，也與3GPPSA2在2014年5月會(huì)議上的最終評(píng)估結(jié)論高度一致，體驗(yàn)了國(guó)內(nèi)研究的技術(shù)水平。目前，網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范制定工作也已開始，計(jì)劃2014年年內(nèi)完成。

2技術(shù)方案

通過深入研究后，CCSA和3GPP最終均得出Off-path方案。該方案是感知網(wǎng)絡(luò)擁塞并進(jìn)行相應(yīng)擁塞管理的最好辦法，引入該方案后的EPC架構(gòu)如圖1所示。在EPC架構(gòu)中，增加了RCAF（無線擁塞感知實(shí)體），它與OAM系統(tǒng)交互獲知小區(qū)或基站的擁塞信息，通過Nq/Nq’接口向MME/SGSN查詢擁塞小區(qū)中當(dāng)前受影響的用戶及APN信息，RCAF進(jìn)行DRA查詢對(duì)應(yīng)的PCRF，通過Np接口將擁塞小區(qū)及對(duì)應(yīng)的用戶信息發(fā)送給相應(yīng)的PCRF。PCRF為支持基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的策略管理，需做如下增強(qiáng)：支持Np接口，用于從RCAF處收集擁塞信息?；谟脩裘鎿砣畔?、用戶簽約、應(yīng)用類型、內(nèi)容類型等決定控制策略。MME/SGSN需要增強(qiáng)支持Nq/Nq’接口，上報(bào)或應(yīng)RCAF的要求響應(yīng)擁塞小區(qū)內(nèi)的用戶信息。OAM需要增強(qiáng)，使其可向RCAF提供包括小區(qū)負(fù)荷在內(nèi)的相關(guān)擁塞信息?；谠摲桨福瑢?duì)于網(wǎng)絡(luò)總體影響還是比較小的。在一些無線網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期處于資源緊張狀態(tài)的熱點(diǎn)地區(qū)以及密集商業(yè)區(qū)，可在網(wǎng)絡(luò)中開啟上述擁塞管理功能。RCAF無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知功能實(shí)體對(duì)該地區(qū)進(jìn)行密切的、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控，一旦從網(wǎng)管處獲知網(wǎng)絡(luò)處于物理資源的分配耗盡、掉話率急增等異常擁塞的狀況，即啟動(dòng)向PCRF的狀態(tài)上報(bào)，PCRF通過Np接口獲知了異常擁塞小區(qū)的名單，及這些小區(qū)下的活動(dòng)用戶的名單，由PCRF根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的策略下發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的擁塞管理策略。如可實(shí)現(xiàn)基于用戶級(jí)別的差異化擁塞管理，為保證重要用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，僅針對(duì)級(jí)別較低的用戶的QoS加以干預(yù)，緩解整體小區(qū)擁塞狀況的同時(shí)，重要用戶的體驗(yàn)也得到了提升。也可以針對(duì)業(yè)務(wù)價(jià)值實(shí)現(xiàn)差異化的QoS策略，為保證價(jià)值業(yè)務(wù)的用戶體驗(yàn)，降低所有用戶低價(jià)值業(yè)務(wù)的QoS，緩解小區(qū)擁塞狀況的同時(shí)，價(jià)值業(yè)務(wù)用戶的體驗(yàn)也得到了提升，可吸引更多的用戶簽約價(jià)值業(yè)務(wù)。

3結(jié)束語(yǔ)

用戶面擁塞管理架構(gòu)的核心是感知相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的資源策略控制。方案中的無線參數(shù)可直接或間接反映網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)，各個(gè)運(yùn)營(yíng)商也可制定個(gè)性化的資源管理策略，可以通過實(shí)踐，不斷積累并逐步找到最適合的擁塞判斷參數(shù)和門限配置方法。用戶面擁塞管理的研究對(duì)于運(yùn)營(yíng)商提升網(wǎng)絡(luò)KPI指標(biāo)和用戶體驗(yàn)具有重要意義，基于標(biāo)準(zhǔn)化的Off-path網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以在最少影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)部署，可以預(yù)期，具有較好的應(yīng)用潛力。

作者：李金艷 周雁 梅承力 單位：中國(guó)電信股份有限公司