SGSN设备现网实际容量研究

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  本文转载自《电信工程技术与标准化》2006年第7期。已上传到gprshome@163.com。
  全文如下：

SGSN设备现网实际容量研究

  作者：  李  威   任志强   袁  捷   董江波
    （1 中国移动通信集团公司     北京 100032)
       （2 京移通信设计院有限公司  北京 100035）

   摘 要   随着GPRS终端的普及以及GPRS业务的开放，现网的GPRS附着用户数大规模上升。据网管部门调查数据显示，现网中SGSN设备利用率普遍较高，甚至达到容量警戒线。面对并不产生业务收益的不断上升的附着用户数指标，SGSN扩容是否是唯一途径？本文从SGSN设备特点出发，通过研究SGSN容量与用户模型之间的关系，以及SGSN容量与设备内部模块之间的关系，结合全国范围内大规模调研数据，阐述了不同用户模型条件下SGSN设备容量瓶颈因素，提出了局部扩容的方法。最后给出了SGSN 容量规划的依据和方法。
   关键词   用户模型  附着用户数  PDP激活用户数  标称容量  实际容量

   

1  前言
   随着GPRS业务的推广以及GPRS终端的普及，可以预见GPRS附着用户数将急剧增多，这给现有网络容量提出了更高的要求。以忙时最大附着用户数与SGSN配置容量的比值作为SGSN设备忙时负荷指标，网管部门的统计数据显示，现有GPRS网络中SGSN设备忙时负荷普遍偏高，个别地区甚至超过了90％，为容纳更多的用户而进行网络扩容似乎是中国移动目前唯一的选择。但同时统计数据也显示GGSN等设备的负荷值却很低，是什么原因造成SGSN设备负荷居高不下，现有SGSN到底能支持多少用户容量，能否在不进行大规模扩容的前提下支持更多的用户，这些都需要从SGSN设备容量研究入手。
   本文第二节分析了用户模型对SGSN容量的影响。通过大规模现网数据调查阐述了用户模型的时变性，以及由此带来的SGSN 实际容量的变化。第三节结合SGSN设备内部模块特点，阐述了用户模型对SGSN设备容量瓶颈因素的影响，提出了针对现网用户模型特点进行局部扩容的方法。第四节从容量规划的角度分析了如何结合现网特点正确进行SGSN 设备配置。

2  用户模型对SGSN 容量的影响
2.1 SGSN用户模型与SGSN容量的关系
   对于特定网元设备而言，其所具有的软硬件资源是一个定值，而用户模型则决定了对设备资源的具体消耗情况， 不同用户模型会导致不一样的设备资源消耗,因而是一个变量。也就是说，任何设备的标称用户容量，只有与特定用户模型相结合才具有确切涵义，对SGSN设备也是如此。
   SGSN用户容量是指在已知的用户模型和软硬件处理能力条件下，能同时对多少移动台进行管理并对其提供数据发送接收需求的能力。SGSN的常见容量指标就是指Attach用户数量、PDP激活数量、分组转发能力等。对于SGSN 来说，用户模型（m）、硬件处理能力（k）、可支持的最大移动台数量（N）之间的关系可以简化为以下公式来表示。

   N=f（k，m）（1）
   由公式（1），我们可以看到，在一定硬件处理能力K下，设备容量N将随着用户模型m的改变而发生变化。

2.2 用户模型的差异性及其对SGSN设备实际容量的影响
    在工程建设中人们往往容易混淆以下几个概念: 建网规划用户模型是指在网络初期建设中，运营商提出的参照用户模型；GGSN厂商设计用户模型是指设备厂商设计SGSN时所选择的参照用户模型；现网实际用户模型是指依据现网用户行为抽象出的用户模型。由此，SGSN标称容量就是指设备出厂时厂商根据自己设计模型计算出的SGSN容量；SGSN实际容量是指在实际用户模型条件下SGSN设备所能承载的用户容量。因此，SGSN 标称容量与厂商设计用户模型相对应，而SGSN实际容量则与现网实际用户模型相对应。

    由关系式(1),我们看到当用户模型m 发生变化时，由于其对硬件能力K的消耗不同，所以最终表现在设备承载用户数也不同.事实上， 随着人们话务行为的变化， 用户模型也具有时变性。本文选取某省现网数据为例来说明用户模型的差异性。  通过对某省现网2004年3月忙时平均附着用户数、忙时附着程序尝试次数、忙时PDP激活尝试次数、 忙时路由区更新次数以及每用户数据流量的统计，可以得到该省用户模型，与建网规划用户模型比较如表1所示。
    由此可得，在现网中除路由区更新次数增加外，其他参数都有明显降低。总的来说，模型变化对于SGSN分组数据转发能力上的要求有明显降低，但对其MM管理的能力要求有所提高.对比建设初期的用户模型，新模型体现出了附着用户数增加、每用户PDP激活次数减小、每用户数据流量极低、 忙时每用户路由区更新次数明显增多等特点。其中，每用户数据流量减少最为明显，PDP激活次数也大幅降低。 由于网络建设时主要是根据这些参数确定SGSN设备和GGSN设备的配置，因此相对于网络建设时期参照模型，现网模型中这些参数的变化就直接导致了SGSN与GGSN 容量利用率不均衡。
    同样，在本文研究过程中，通过与中国移动现网设备厂商的交流，获得了厂商设计用户模型， 参见表1。

表1  建网规划用户模型与现网用户模型的比较

    比较可得相比目前的现网实际模型，厂商设备设计依据模型也表现出PDP激活次数取定明显偏高、每用户数据流量太大、路由区更新次数设置较小等特点。由于各厂商对于PDP激活次数取定明显偏高， 这种设计思路和现网需求之间的偏差，直接导致了在现网模型下，SGSN设备PDP资源的浪费。同时，各厂商对于分组处理能力需求的预期也偏大，即每用户数据流量设定不准，这个偏差导致SGSN设备的的分组处理能力闲置。因此设计模型和现网模型之间的差异直接导致了SGSN设备内部各模块之间利用率的不均衡。
    本文研究过程中，完成了对实际用户模型以及SGSN实际用户容量的调研，调研结果证明在现网可能出现的多种用户模型下，厂商SGSN实际容量有着显著的变化。现以A省SGSN设备实际容量为例进行说明。

    如表2所示，在A省实际现网用户模型条件下，SGSN设备实际容量减少为21.9万，相比与标称容量下降了41.6%。再以B省SGSN设备实际容量为例，如表3所示。

表2 A省SGSN设备用户模型比较与容量调查比较表

                                   表3 B省SGSN设备用户模型比较与容量调查比较表
   如表3所示，在B省现网用户模型条件下，SGSN设备实际容量增加为96万 （主控板硬件升级前提下），相比标称容量上升了33％。这种变化趋势与设备特点以及现网实际用户模型有密切关系。因此，上述设备实际容量的变化也只是在特定用户模型条件下表现出的一种变化趋势。当实际用户模型进一步发生变化时，很有可能出现与上述表2/3中相反的变化趋势。

   通过上述两个现网的实例，我们可以很清楚地看到实际用户模型随着时间和地域的变化, 以及由于这种变化产生的对SGSN 设备实际用户容量的影响。

3 SGSN容量与内部模块之间的关系
    到目前为止，网络建设和维护中大多将网元设备看作一个整体来考虑，对于SGSN设备也是如此，常见的处理方式是当网络容量接近厂商的标称容量时，即开始进行扩容，增加网络设备。然而，当SGSN数量不断增加时会加重网络中SGSN之间RAU的频率，大量耗费系统资源，所以SGSN数量的增加与所支持用户数目增长并不是线性关系; 并且如前所述由于用户模型的差异性已经造成了SGSN设备内部各模块之间的利用率极不均衡，通过直接增加整体设备进行扩容的方式实际上进一步加重了这种设备内部资源的浪费。
    针对以上缺点，具体对SGSN设备深入分析就不难发现，目前遇到的SGSN容量不足只是表面现象。具体是什么因素导致了SGSN容量不足？是SGSN内部所有模块能力不足还是只有部分模块能力不足？能否通过对SGSN内部模块的合理配置来实现支持更多用户数？对能力不足的模块能否进行针对性扩容？寻找这些问题答案对于节省现网投资、提高现网设备利用率以及降低维护成本等方面具有深远意义。

3.1 不同事件对SGSN物理能力的消耗及SGSN容量内部瓶颈因素
    目前常见的SGSN设备容量指标有最大ATTACH用户数、最大PDP激活数、端口吞吐能力。而制约SGSN支持能力扩展的因素则包括：CPU 处理能力、内存容量、端口数量与速率等。
    当移动台处在不同的MM状态或PDP状态，SGSN对移动台的管理有所区别，因此对SGSN资源占用情况以及对SGSN设备容量的利用情况也有所不同。为了更合理的分配SGSN的资源，就需要结合用户模型针对移动台不同的状态及其发生的信令流程，对可能的SGSN资源的占用情况进行具体分析。
    结合上节给出的现网用户模型特点，由于仅少量户有PDP激活请求， 目前绝大部分移动台在开机后处于Standby状态下，相对应的无线资源操作处于分组空闲模式，SGSN对移动台进行路由区级的位置管理；只有少量用户处于Ready状态，无线资源操作在分组传输模式下，SGSN对移动台进行小区级的位置管理。根据以上分析，大部分移动台处于Standby状态下，仅小部分移动台进行PDP激活，这种情况下移动台与网络之间的信令处理和数据传输过程应该主要包括Attach过程路由区更新（包括与更新同时进行的GMM的公共程序以及极少的PDP激活过程。SGSN容量的不足也主要体现在对这些处于Standby状态的用户的路由区级别的MM 管理上。
    通过对ATTACH、DETATTCH、PDP激活、PD去活、路由区更新以及MM上下文存储和PDP上下文存储过程的分析，我们可以将各种流程对SGSN物理能力占用情况排序归纳如下。

*  不同事件流程CPU资源的占用大小顺序为：
    Attach>RAU>DP;
* 不同事件流程占用的内存大小：

    MM上下文>DP上下文

*  不同事件对Gb口处理能力影响大小：

    PDP激活>Attach>RAU>Detach>DP 去激活;
* 不同事件流程对Gr口处理能力影响大小：

    Attach＝RAU;
* 不同事件流程对Gn口处理能力影响大小：

    PDP激活>RAU>DP 去激活。
     下面更直观地，可以将各种事件对SGSN物理能力的消耗程度表示如图1。图中左边的各项均为资源占用减少因素，而右边均为资源占用增加因素。

                                               图1 SGSN物理能力消耗
    结合现阶段现网用户模型的变化情况，根据对各厂商SGSN设备进行分析以及和各厂商交流结果，得到现阶段大部分厂商SGSN容量的主要瓶颈因素是内存容量或者CPU 处理能力。当然，随着用户模型的变化，瓶颈因素也会随之发生变化。
    由此，结合2.2节中现网实际用户模型、建网规划用户模型、厂商设计模型之间的差异性。我们可以更加深刻地理解表2和表3中SGSN实际用户容量的变化。
    如表2所示，由于在现网用户模型条件下，部分厂商SGSN 设备容量瓶颈因素为CPU处理能力，所以当现网实际用户模型中每用户ATTACH次数大幅增加时，就导致了每用户占用CPU处理能力比设计时大幅增加，而在整体表现上就是SGSN设备实际用户容量的降低。
    以表3所示，由于在现网用户模型条件下，部分厂商SGSN设备容量瓶颈因素为内存。那么当现网附着激活比与规划模型差距较大时，通过灵活调整内存分配（软件调整），消除了内存瓶颈之后，使得SGSN设备实际用户容量有所上升。
   可见，由于现网实际用户模型与建网规划用户模型以及厂商设计用户模型之间的差异性，使得现网SGSN容量不足现象明显。但是这种容量不足仅仅是由SGSN设备内部某个模块的不足所造成的，比如现网用户模型条件下，SGSN容量瓶颈因素为内存或者CPU。因此，这种SGSN容量的不足只是设备内部部分模块能力的不足。那么，此时的SGSN容量扩容，仅需要针对内部模块进行扩容即可。

3.2 SGSN局部扩容方案
    调查数据显示，目前SGSN实际用户模型最突出的特点就是附着用户数多，而PDP 激活用户数极少。同时，厂商设备特点分析也显示，在目前用户模型特点下大部分SGSN设备容量不足表现为附着用户数占用内存容量的不足，也存在少量SGSN设备容量瓶颈因素表现为CPU，端口处理能力暂时不是瓶颈因素。
    因此，在今后SGSN设备容量扩容时，需要分析现网用户模型特点，结合厂商设备特点，首先考虑进行针对性的局部扩容。如3.1节提到的，当该设备的内存容量在附着用户数和激活用户数之间进行重新分配时，可以使得SGSN设备容量有所上升。这就是局部扩容的典型例子。下面对传统扩容方案和针对性局部扩容方案在建设投资、设备维护等方面进行简单比较。
   以现网某厂商设备为例，该设备支持80万附着用户、80万个PDP激活用户。其增加容量的方法有两种.
方法一: 简单扩容SGSN设备数量;

方法二: 针对瓶颈因素进行调整。
    如采用方法二，由于该设备支持针对不同用户模型调整内存配置，在现网模型下可达到93万附着用户容量，仅需要增加部分服务费用（数额较小），投资较少。同时，与整设备扩容相比，局部调整极大加快扩容调整周期，大大节省了传输、电源、机房、 维护等相关投入。如采用方法一， 需要新增一台SGSN设备， 并购置13万附着用户容量。

    初步估算，方法二比方法一可以节约投资约15％根据目前调研结果，该设备在某些用户模型下最多可支持到108万用户，则节省投资比例将进一步提高。

    综上，可以看出在一定容量需求之内，选择局部扩容具有明显的优越性。

4 SGSN容量规划
    现网SGSN以及GGSN设备负荷及其不均衡的现状也暴露出了建网初期对于设备容量规划环节中欠科学性的弱点。下面针对SGSN容量规划问题提出一种较为科学的方法。

4.1 用户数预测方法
     首先阐述用户预测依据。我们知道目前网络建设中常用的用户预测方法有增长趋势法和市场渗透法两种而在GPRS网络建设中较多采用市场渗透法。这两种方法都会运用GSM放号用户数和GPRS 业务渗透率这两个参数。而这两个参数的取值直接决定着网络建设投资。考虑到移动运营商当前GSM网络的放号用户基数对GPRS渗透率的取值稍有不同便会造成GPRS网络建设投资的大幅波动。
     对于用户数，实际存在下面几个概念：放号用户数，放号用户数是指在业务系统上存有用户数据的用户档案数量; 有效用户数，有效用户数是指全球通品牌的在网用户，以及动感地带、神州行等品牌的有效期内用户和黑名单用户；通话用户数，通话用户数是指全球通品牌的在网用户，以及动感地带、神州行等品牌中产生计费话单的用户（包括频率占用费等）；同时开机用户数，同时开机用户数是指GSM用户中同时保持开机状态的峰值用户数。
    不难发现，以上几种用户分别对应的用户数量是有着巨大悬殊的，考虑到现有用户基数的巨大和业务推广的不断深入，今后这三种用户比例有可能进一步拉大差距。其中，只有通话用户才会贡献企业利润，有效用户才能成功登录移动网络。图2给出了某省2004年放号用户数与同时开机数的对比结果。

图2 放号用户数与同时开机用户数对比

   为使得用户估算更为贴近网络实际需要，使用渗透率方法计算GPRS总用户数时，不应采用GSM累计放号数做基数，而应该采用有效用户数为基础进行计算。而计算对SGSN的用户容量需求时，应采用同时开机用户数为基础计算。

4.2 SGSN设备容量规划方法
   前面的分析过程，实际是一个根据现网情况进行SGSN 容量研究的逆推过程。而在SGSN 容量规划阶段就结合前述问题一同考虑，正是一个防患于未然的先验过程，同时也是本文研究的现实意义所在。下面将SGSN设备容量规划方法简单归纳如下。

（1）根据前文介绍的方法得出需要支持的SGSN设备容量。
（2）调研现网用户模型，核实现网SGSN设备实际设备支持能力，以及SGSN设备容量瓶颈因素。
（3）如果（2）中，得到SGSN设备容量通过局部瓶颈因素调整能够达到（1）中的容量要求，按照设备特点进行局部扩容。
（4）如果（2）中，得到SGSN设备容量整体不足。
  按照（2）中所得SGSN设备实际用户模型，结合（1）中所需的容量需求，计算SGSN 设备配置。
   因此，在进行SGSN容量规划时，必须进行现网用户模型的调研。结合现网用户模型以及预测用户数正确进行SGSN 设备资源配置，是恰当科学的设备配置方法。

5  小结
    本文结合SGSN设备特点，通过SGSN用户模型的调研，详细分析了SGSN设备容量与用户模型的关系，以及SGSN设备容量和内部模块之间的关系。通过信令流程事件对SGSN物理能力消耗程度的分析比较，得出现阶段SGSN设备容量瓶颈因素。并且提出针对容量瓶颈因素进行局部扩容的方案。最后从SGSN容量规划的角度， 提出了如何正确进行用户数预测， 以及如何合理配置现网SGSN设备资源。这些均为中国移动今后精细化经营奠定了技术基础。

Mr.Poker

老大，logo影响阅读啊，想个办法吧

admin

Mr.Poker 发表于 2012-10-22 16:18
老大，logo影响阅读啊，想个办法吧

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