WCDMA网络QoS分级策略提升网络价值的研究

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付费下载自CNKI论文期刊网。发表于《电信网技术》2012年06期。

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【作者】 陈若炜； 张鹏； 李春林；

陈若炜： 中国联通广西分公司网优中心总经理

张 鹏： 中国联通广西分公司网优中心副总经理

李春林： 中国联通广西分公司网优中心工程师

【机构】 中国联通广西分公司网优中心；

【摘要】 针对3G网络高速数据业务快速增长后出现的网络资源紧张、客户感知下降的情况,通过研究3G网络QoS分级策略提出了运用用户分级和业务分级来提升网络价值的优化解决思路和方案,并结合广西联通WCDMA网络进行了试验验证。

【关键词】 WCDMA； QoS； 分级； 网络价值； 提升；

13G时代运营商面临的挑战

随着3G业务的深入发展，移动宽带业务将呈快速发展的势头，而移动宽带用户过多的接入将会对现有网络资源带来巨大的冲击，根据国外运营商的经验统计，20%的用户占有80的网络资源，投资和收入不成正比。更为突出的是移动数据业务中大量的P2P非价值业务占据了60%以上的流量总带宽。因此依靠用户大量增长而带来收入大幅度提升的粗放增长模式，在3G时代已经一去不复返。恰恰相反移动数据业务和流量的爆炸式增长，带来了网络建设和维护费用的成倍增加。一方面引发网络不同程度的拥塞，另一方面冲击了其它价值数据增值业务，使高价值业务的服务质量难以保证，最终导致3G VIP用户的体验和满意度下降。3G网络运营商普遍面临如下困境：

(1)如何在各种场景下尽量确保VIP用户使用各种业务的良好体验？

(2)3G运营商性价比最高的业务是什么？目前市场部门重点推荐的业务是什么？如何保证这些高价值业务和新推出业务的良好体验？

为了合理解决少量用户及低价值用户占用大量网络资源的情况，保证3G网络VIP用户和高性价比业务的良好体验，提升网络价值，我们在南宁WCDMA网络开展了运用QoS分级策略提升网络价值的研究。

2 WCDMA网络QoS原理

2.1 WCDMA网络QoS机制实现流程

主要流程如图1所示。用户签约QoS Profile保存在HLR，SGSN从HLR中读取用户QoS profile，然后SGSN与GGSN协商确定Iu口具体的RAB QoS参数；SGSN在Iu口将QoS参数传递给RAN；RAN侧再分配空口、Iub口，信道资源时区分用户，业务优先级实现差异化功能。

2.2 WCDMA网络QoS分级机制的主要原理

(1)ARP（资源分配保持优先级）

ARP是CN通过RAB指派请求和迁移请求消息下发给RNC的。BOSS系统把接口优先级参数传递给HLR（包括用户优先级、QoS特性、业务签约类别等）。HLR通过MAP接口将用户签约信息（包括优先级相关的参数）在位置更新、路由区更新时传递给MSC/SGSN，MSC/SGSN综合用户特性与业务特性，按照映射规则映射为RAB ARP参数，映射规则可以灵活配置。与Allocation/Retention Priority相关的信元包括Priority Level、Pre-emption Capability、Pre-emption Vulnerability。其中Priority Level取值范围是0~15，“0”不使用，表示“spare”；信元等于15时表明“no priority”，这时其它和优先级相关的信元均没有意义，这个业务即不抢占别人也不能被别人抢占；Pre-emption Capability表明该用户是否有抢占别人的能力，其取值为“shall not triggerpre-emption,maytrigger pre-emption“。Pre-emptionVulnerability表明是否允许别人抢占，其取值为”not pre-emtable,pre-emtable“。但是，如果一个RAB没有设置Allocation/Retention Priority属性，则其可以被抢占，也能抢占别人，其优先级按照14对待。（priority level）协议中定义：0表示出错，1表示最高优先级，14表示最低，15表示不考虑优先级。

(2)用户优先级

目前，用户可划分为3个等级，取值为（1、2、3），分别代表金、银、铜三个等级。缺省的金、银、铜与ARP的映射关系参见表1。

(3)业务处理优先级THP

THP仅仅对交互类业务才配置，指示了在接入网中该业务的数据包和其它数据包的相对重要性。协议定义：0不用，1表示最高优先级，14表示最低优先级，15表示没有优先级。

(4) RAB综合优先级

RNC主要使用RAB综合优先级进行负载控制。当小区资源拥塞时，RNC根据综合优先级进行用户排序，然后从低到高依次挑选业务或用户释放资源。根据综合优先级配置参考Priority Reference的不同设置，RAB综合优先级如下：

- 如果综合优先级配置参考设为“Traffic Class”，综合优先级遵从如下规则排列：

--- 业务类别：会话类业务--->流类业务--->交互类业务--->背景类业务。

--- 如果业务类别相同，根据ARP值确定优先级。即，ARP1--->ARP2--->ARP3--->...ARP14=>。

----对于具有相同ARP值的交互类业务，根据THP（Traffic Handling Priority）确定优先级。即THP1--->THP2---->THP3---->...---->THP14=>。

----对于具有ARP值和THP值的交互类业务：根据承载类型优先级指示CarrierTypePriorInd的设置，首选HSDPA或DCH业务。

- 如果综合优先级配置参考设为“ARP”，综合优先级遵从如下规则排列：

---- ARP：ARP1--->ARP2---->ARP3---->ARP14。

---- 如果ARP值相同，根据业务类型确定优先级。即会话类业务--->流类业务--->交互类业务---->背景类业务。

---- 对于具有相同ARP值的交互类业务，根据THP确定优先级。即THP1--->THP2--->THP3...--->THP14=>。

---- 对于具有相同ARP值和THP值的交互类业务：根据承载类型优先级指示CarrierTypePriorInd的设置，首选HSDPA或DCH业务。对于多个RAB的用户，取其中具有最高优先级的业务作为用户的综合优先级，此优先级适合于基于用户的动作，例如抢占中R99用户的选择，BE（Best effort）业务迁移到CCH时用户的选择。

2.3 下行HSDPA资源分配差异化

用户接入网络后，网络侧会根据用户的ARP/THP/TC信息进行SPI和SPI Factor的映射，然后根据SPI Factor的比例为它们分配资源。资源分配的基本原则如下：优先保证用户的GBR和实时业务的响应时延；在保证GBR的前提下，尽量满足用户SPI Factor的比例。

(1)SPI加权因子(factor)

参数SPI是HS-DSCHFP和SDU的相对优先级。SPI由Traffic Class，交互业务的THP（Traffic Handling Priority）和User Priority映射过来，具体参见图2。

图2 SPI加权因子映射过程示意

(2) 下行调度

当HS-DSCH承载BE业务时，PF（Proportional Fair）调度算法可以在用户公平性和小区吞吐量之间折中。HS-DSCH承载更多业务类型时，例如VoIP、streaming和IMS信令时，由于这类业务有很高的时延要求或GBR要求，HSDPA需要确保业务的QoS。因此，引入了基于PF算法的Enhanced Proportional Fair（EPF）算法以保证下列业务的QoS：

- SRB会影响业务连接时延和切换时延，并且它的平均业务流量和Uu资源消耗很低。因此，算法始终优先调度SRB信令队列。

- VoIP业务对时延很敏感。MAC-dPDU在队列里的最大时延由MAC-hs的Discardtimer参数指定。调度其需要在Discardtimer超时之前，把MAC-d PDU发出。Discard timer通常少于100ms、因此，调度其很少有机会考虑信道质量。在SRB调度之后，调度器总是优先选择VoIP等待时延超过紧急门限的业务。在VoIP业务的MAC-hs队列之间，根据时延和信道质量进行选择。

- 流业务通常是GBR业务，对时延较为敏感。如果业务速率不低于GBR，则用户可以获得较好的感受。因此，调度器需要满足流业务的GBR。在SRB/紧急VoIP调度之后，调度器优先选择平均速率低于GBR的流业务及IMS信令。选择方法基于PF。

- 在SRB/VoIP/Streaming/IMS业务调度后,BE业务被分配剩余的资源。在BE的MAC-hs的队列之间，选择方法基于PF。此外，资源分配需要考虑用户差异化的需求。对于小区内的所有用户，调度器按照SPI加权因子（Factor）的比例分配无线资源。例如假设Uu资源是瓶颈，金银铜用户具有相同的信道质量，正在同时使用FTP业务，那么不同用户间的Uu速率正比于SPI加权因子。

2.4上行HSUPA资源分配差异化

上行采用和下行相同的SPI加权因子映射机制。同样通过SPI Factor的比例来控制用户获得的资源。上行调度算法的基本原则如下：

- Voice业务采用非调度模式承载，网络侧会为他分配一个最大可用的授权，保证语音业务的时延。

- SRB/IMS业务可以采用调度模式承载，但网络侧会保证用户至少有一个RLCPD的授权，保证SRB/IMS的数据可以及时发送。

- 其他用户调度器按以下原则进行用户排序：

1）优先保证GBR没有满足的用户升速，存在多个GBR没有满足的用户时按SPI factor和用户已获得的速率进行加权后计算优先级，按优先级高低顺序依次对用户升速直至小区过载。

2）如果保证用户GBR之后还有资源剩余，对GBR满足的用户按SPI factor和用户已获得的速率进行加权后计算优先级，按优先级高低顺序依次对用户升速、保证用户获得和SPI factor成比例的速率、

3 WCDMA网络QoS分级策略提升网络价值研究方案和效果验证

3.1广西WCDMA网络QoS分级策略研究试点方案

(1)研究方案

- 为不同的用户设置差异化的用户优先级，但业务不区分优先级，验证网络资源分配是否与用户优先级设置权重相当？验证能否尽量保证VIP用户的体验。

- 为不同的业务设置差异化的业务优先级，但用户不区分优先级，验证网络资源分配是否与业务优先级设置权重相当？验证能否尽量保证运营商签约业务的体验。

- 同时设置用户优先级和业务优先级，验证不同优先级用户在使用不同业务的情况下能否尽量保证VIP用户体验和运营商签约业务的体验？

(2)WCDMA网络综合QoS分级原理图（见图3）

3.2 WCDMA网络QoS分级策略测试验证

3.2.1 WCDMA网络QoS分级策略应用研究场景一用户分级保证高端用户体验

(1)测试方案见（图4）

用户差异化试点，选择ARP方式，设备调度的基本原理如下：

- 根据用户级别，在HLR配置用户签约QoS Pro-file；QoS Profile中指定了用户优先级（金、银、铜）。

- 发起业务时SGSN从HLR中读取用户QoS profile，SGSN与GGSN协商确定IU口RAB QoS参数。

- SGSN在IU口通过RAB指派和迁移消息将QoS参数带给RAN。

- RAN根据收到的QoS参数调度资源，实现用户差异化的带宽保障调度。

(2)测试场景参数

- 三个可用的HSDPA CAT8用户（UE1、UE2、UE3），三个UE均在HLR上开户成交互类，UL 2048kbit/s，/DL7296kbit/s，保留优先级分别为高中低，事务优先级设为PRIORITY1，使得UE在RNC侧分别映射为金银铜用户三个用户。的SPIweight分别设置为（100，50，10）。

- 在NodeB上设置小区调度算法为EPF，将功率余量设为60，使得H可用功率易于受限。

三个用户置于同一近点场景（拨号后CQI都基本在26以上）。

- 三个用户同时做FTP下载，并开始在RNC侧或UE侧统计吞吐率；3min后停止统计。

(3) 测试结果

- 平均速率（见表2）

- 用户速率变化如下：

------- 铜牌用户在银牌金牌用户依次接入时的HSDPA速率变化（见图5）。

-------铜牌用户在金牌、银牌用户依次退出时的HSDPA速率变化（见图6）。

- 测试结论

通过为QoS分级策略为不同的用户设置优先级，可以在资源受限条件下的尽量保证VIP用户的带宽资源保证，保证VIP用户的良好体验。

3.2.2 WCDMA网络QoS分级策略应用研究场景二：用户间签约业务与非签约业务的差异化

(1)测试方案

业务差异化试点，选择ARP+PCC方式设备调度的基本原理如下：

- 根据用户级别，在HLR配置用户签约QoS Profile；QoS profile中指定了用户优先级（金、银、铜），业务处理优先级(Interactive RAB的THP）。

- 发起业务时SGSN从HLR中读取用户QoS profile，SGSN与GGSN协商确定IU口RAB QoS参数。

- GGSN在Gn接口执行流类、背景类、交互类和会话类业务的调度。

- SGSN在IU口RAB指派和迁移消息将QoS参数带给RAN，RAN完成无线侧的差异化调度。

(2)测试场景设置

- HLR中签约3个交互类金、银、铜用户，ARP分别为{HIGH、MID、LOW}。

- 用户通过3G网络接入，系统运行正常。

- RNC上指定金银铜用户的带宽比为{100:50:10}，设置FTP业务为签约业务（推荐业务），权重为40，HTTP为非签约业务。

- 打开差分调度开关以及签约业务控制开关。

- 设置空口码资源受限，构造空口资源受限场景。

- 观察金银用户使用非签约业务HTTP，铜牌用户使用签约业务FTP的带宽分配情况。

(3)测试结果

- 测试过程和结果

------ 金牌用户首先接入，使用HTTP下载业务，单独接入速率为5.2M。

------- 银牌用户接入，开始使用HTTP业务，此时金牌速率降为4.0M，银牌速率为2.1M，满足100：50的SPI调度系数。

------- 铜牌用户开始接入，使用HTTP非签约业务。此时金牌速率为3.8M，银牌为1.9M，铜牌为0.385M，满足100：50：10的SPI调度系数。

------- 铜牌开始使用FTP签约业务，铜牌SPI调度系数提升到40，此时金牌速率为3M，银牌速率1.3M，铜牌速率1.2M。基本满足100：50：40的SPI调度系数，签约业务FTP的带宽得到提升，普通用户使用签约业务也保证了正常体验。

- 测试结果图例

金牌用户测试数据见图7

银牌用户测试数据见图8

铜牌用户测试数据见图9

- 测试结论

通过QoS分级策略为不同用户和业务设置差异化的优先级，在资源受限的条件下VIP用户依然可以得到较好的网络体验，普通用户使用高优先级的签约业务也可以保证正常的使用体验。同时，由于现网其他用户的影响，导致验证测试过程中出现速率不稳定的情况，表现在速率统计波形出现一定的毛刺。

4 结束语

广西联通研究、分析了WCDMA网络在资源受限条件下如何通过QoS分级策略运用提升网络网络性能和价值的思路和实现方法，并通过案例验证了运用QoS分级策略在资源受限条件下既可以保证VIP数据用户的良好体验，也可以保证普通用户使用签约数据业务的正常使用。由于3G移动宽带业务快速发展后各运营商会普遍面临网络资源紧张的问题，WCDMA网络QoS分级策略的研究应用有助于我们通过用户分级和业务分级实现网络价值的有效提升，提升网络精细化运营水平。同时在研究过程中，我们看到WCDMA网络QoS体系比较完善，潜在的功能应用丰富，由于作者时间和水平有限，不能一一列举验证，我们希望能通过本次研究引起公司关注WCDMA网络QoS分级策略在3G网络运营中的巨大潜在价值。

参考文献
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5张长钢等.WCDMA无线网络规划.人民邮电出版社
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收稿日期2012-05-21