拥塞信息管理移动网络论文

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1标准进展

网络拥塞控制是目前多数运营商的共同需求，受到国际标准组织3GPP和国内行业标准组织CCSA的关注，并分别针对该需求和技术方案进行了立项研究。截至目前，已取得了阶段性进展。

1.13GPP标准

3GPP在R12启动了用户面拥塞管理（UPCON）的课题研究，该课题从立项伊始，受到几乎绝大多数运营商及厂商的支持和积极参与。由于涉及的范围比较广，技术具有一定的复杂性，R12并没有完成课题研究，直至当前的R13版本，才取得了阶段性进展。R12主要完成了用户面拥塞场景和需求分析等Stage1的工作，并开始了Stage2阶段的工作，主要研究了技术方案架构，各个主要的备选技术方案参见研究报告TR23.705。之后的R13版本，目标是在R12基础上，对Stage2的备选方案进行评估和标准化，同时完成相应的Stage3工作，截至目前，该项工作还在进行中。

（1）网络拥塞控制的需求

场景3GPP针对网络拥塞，定义了小区资源耗尽和回传链路资源不足的两种拥塞场景，并定义了用户层面的业务控制、应用层面的数据控制、差异化计费等13种拥塞管理场景。详细场景参见3GPP研究报告TR22.805。

（2）网络拥塞控制的关键问题

网络拥塞控制的技术方案制定，需考虑如下5个方面的技术问题：用户面拥塞的感知：主要研究及时感知用户面拥塞，并通知到相关网元（如PCRF）的方法。用户面拥塞的缓解方法：主要研究在获知拥塞信息（包括拥塞小区、受影响的用户及业务等）后，采取的缓解措施及方法。拥塞场景下不可演绎业务流的差异化处理：不可演绎业务流由于不能对应出五元组，因此在策略控制时有一定的特殊性，该关键问题主要针对多应用共用TCP/UDP等复杂场景下的策略控制进行研究。针对Video业务的拥塞管理：Video是造成网络拥塞的一个很重要的因素，同时用户对该业务的体验又比较敏感，因此将针对不同Video业务的不同级别用户的差异化管理作为一个专门的问题进行研究。上行业务的优先级处理：进行业务的优先级排序和差异化处理是拥塞管理的重要方法，而上行业务的排序工作需要在终端用户上进行。该关键问题是研究用户如何获知网络拥塞信息，并进行上行业务排序。从上述分析可以看出，用户面拥塞的感知和缓解方法是网络拥塞课题研究的核心内容，其他关键问题是针对特殊场景下拥塞管理的增强。

（3）针对拥塞感知和缓解，主要的技术方案有两大类

CN-based的拥塞管理方法：即核心网实时参与拥塞的管理过程，RAN通过某种方法将拥塞信息传递到PCRF，由PCRF基于收到的拥塞信息进行针对性的策略下发。RAN-based的拥塞管理方法：即拥塞信息勿需上报至核心网，当拥塞发生时，由无线网络基于预先定义的规则进行相应的处理。

1.1.1CN-based拥塞管理方案

CN-based拥塞管理方法的前提是拥塞信息的上报，即无线网络通过相应的方法将拥塞发生的信息传递到PCRF。基于拥塞信息上报方法的不同，具体又有以下3种备选方案：

（1）Off-path拥塞信息上报方法

即拥塞信息不通过EPC主设备传递，在网络中新增一个无线网络拥塞感知功能实体（RCAF），基于无线网管能监控无线网络拥塞的天然特性，从网管中获取网络拥塞信息，加以整理和用户信息补充，将拥塞小区及受影响的用户信息发送至PCRF。这种方案的优势在于大部分工作放在主设备之外的功能实体上去完成，对主设备影响小，且具有较好的部署灵活性；缺点在于需要新增设备。

（2）基于User-plane的拥塞信息上报方法

将S1/S5/S8用户面的GTP-U包头加以扩展，携带小区拥塞相关信息，PDN-GW基于收到的GTP-U包头的指示，将拥塞信息上报给PCRF。这种方案的优势在于可实现每包每用户的实时上报，对于拥塞信息的反应速度快；缺点在于增加了对主设备的处理能力要求，上报的可控性较差，处理不好易带来信令风暴。

（3）基于Control-plane的拥塞信息上报方法

扩展S1/S5/S8控制面的信令，增加新的信令流程用于拥塞信息的上报。这种方案需要重新设计端到端的信令，对端到端的设备都有较大的影响。

1.1.2RAN-based拥塞管理方案

RAN-based方案的共性是EPC不需要知道当前的网络状况，仅需要基于业务流的特征和优先级对下行业务流打上不同标签。一旦无线侧检测到拥塞发生，基于不同业务流的标签则进行差异化的处理。

（1）FP（IFlowPriorityIndicator）

同一承载内基于业务流优先级的差异化处理方法。不改变当前的承载规则，在同一承载内，对不同优先级的业务做标签处理。是基于承载内部的优先级处理，承载之间的FPI标签没有优先级上的交叉关系。这个标签可能是打在GTP-U的头部、PMIP数据包头部或重用IP净荷包的DSCP部位。

（2）FQ（IFlowQoSIndex）

针对不同承载内的业务流优先级的差异化处理方法。对于不同的业务或运营商策略，打上不同的FQI标签。拥塞发生的时候，无线侧基于业务所在的承载（即业务的QCI）+FQI+拥塞的级别综合考虑，确定该业务流最终的优先级。即业务最终处理的优先级，由多个因素来决定，具有一定处理上的复杂性。

（3）增强现有承载概念的方案

基于不同承载在无线侧能得到不同处理的前提，PDN-GW将相同优先级的业务放进同一个Non-GBR的专有承载。当拥塞发生时，无线侧勿需通知核心网，即对不同的承载进行不同的优先级处理，即达到了分优先级的业务处理的目的。这个方案扩大了对Non-GBR专有承载的需求，对网络资源将造成一定的浪费。

1.1.3方案评估情况

3GPPR12版本由于时间原因，没有对上述备选方案进行充分评估。在2014年1月的SA2会议上，确定继续在R13版本进行UPCON相关的研究，重点对现有方案进行完善和评估。截至2014年5月的SA2会议，已部分完成了现有方案的分析和评估，明确了Off-path方案作为CN-based的唯一解决方案，并最终写进标准。目前，SA2正在进行Off-path方案的进一步的细节讨论，其他的CT3和CT4工作组也已启动了Stage3的立项工作，后续会进一步完成接口等细节实现流程。

1.2CCSA标准

目前，国内移动网络正处于3G向4G演进阶段，4G网络尚未大规模部署应用。随着国内移动互联网业务的飞速发展，已对目前的3G和4G网络的数据流量和性能方面提出了很高的要求，网络在用户面处理方面已经不堪重负。针对用户面拥塞感知和网络资源优化管理这一需求，国内标准化组织CCSA早在3GPP立项研究之前，便在运营商的牵头下，启动了用户面拥塞管理的架构研究（详见CCSATC5#WG9研究课题2013B1），并在2014年4月完成了Off-path方案研究和评估结论，也与3GPPSA2在2014年5月会议上的最终评估结论高度一致，体验了国内研究的技术水平。目前，网络拥塞控制的国内行业标准化规范制定工作也已开始，计划2014年年内完成。

2技术方案

通过深入研究后，CCSA和3GPP最终均得出Off-path方案。该方案是感知网络拥塞并进行相应拥塞管理的最好办法，引入该方案后的EPC架构如图1所示。在EPC架构中，增加了RCAF（无线拥塞感知实体），它与OAM系统交互获知小区或基站的拥塞信息，通过Nq/Nq’接口向MME/SGSN查询拥塞小区中当前受影响的用户及APN信息，RCAF进行DRA查询对应的PCRF，通过Np接口将拥塞小区及对应的用户信息发送给相应的PCRF。PCRF为支持基于网络状态的策略管理，需做如下增强：支持Np接口，用于从RCAF处收集拥塞信息。基于用户面拥塞信息、用户签约、应用类型、内容类型等决定控制策略。MME/SGSN需要增强支持Nq/Nq’接口，上报或应RCAF的要求响应拥塞小区内的用户信息。OAM需要增强，使其可向RCAF提供包括小区负荷在内的相关拥塞信息。基于该方案，对于网络总体影响还是比较小的。在一些无线网络长期处于资源紧张状态的热点地区以及密集商业区，可在网络中开启上述拥塞管理功能。RCAF无线网络状态感知功能实体对该地区进行密切的、动态的监控，一旦从网管处获知网络处于物理资源的分配耗尽、掉话率急增等异常拥塞的状况，即启动向PCRF的状态上报，PCRF通过Np接口获知了异常拥塞小区的名单，及这些小区下的活动用户的名单，由PCRF根据运营商的策略下发基于网络状态的拥塞管理策略。如可实现基于用户级别的差异化拥塞管理，为保证重要用户的业务体验，仅针对级别较低的用户的QoS加以干预，缓解整体小区拥塞状况的同时，重要用户的体验也得到了提升。也可以针对业务价值实现差异化的QoS策略，为保证价值业务的用户体验，降低所有用户低价值业务的QoS，缓解小区拥塞状况的同时，价值业务用户的体验也得到了提升，可吸引更多的用户签约价值业务。

3结束语

用户面拥塞管理架构的核心是感知相应的无线网络拥塞状态，并进行相应的资源策略控制。方案中的无线参数可直接或间接反映网络拥塞状态，各个运营商也可制定个性化的资源管理策略，可以通过实践，不断积累并逐步找到最适合的拥塞判断参数和门限配置方法。用户面拥塞管理的研究对于运营商提升网络KPI指标和用户体验具有重要意义，基于标准化的Off-path网络架构，可以在最少影响现有网络架构，便于实现大规模的商业部署，可以预期，具有较好的应用潜力。

作者：李金艳 周雁 梅承力 单位：中国电信股份有限公司