流量激增对核心网分组域的影响及解决方案

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付费下载自CNKI论文期刊网。发表于《移动通信》期刊2011年02期。

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【作者】 赵迎升; 李静;

【作者简介】

赵迎升：毕业于浙江大学，现就职于华信邮电咨询设计研究院有限公司，从事移动通信核心网网络及七号信
令网网络的研究、规划与设计，先后参与、负责过浙江移动、广东移动、云南移动的核心网网络规划与设计工作。

李   静：毕业于重庆邮电学院，现就职于中国移动通信集团云南有限公司，从事移动通信核心网网络、无线网络、七号信令网网络的研究、规划、项目管理工作，从1999年起先后参与、组织云南移动的核心网、无线网、信令网的网络规划、项目管理、项目实施。

【作者单位】 华信邮电咨询设计研究院有限公司; 中国移动通信集团云南有限公司;

【关键词】 每PDP流量; 核心网分组域; SGSN; Direct Tunnel; 3GPP R8;

【摘要】 文章分析了3G商用后用户数据业务流量激增的原因,及其对移动通信核心网分组域的影响;给出了应对流量激增的多种解决方案,并重点介绍了引入Direct Tunnel的方案,包括Direct Tunnel技术的要点及其引入条件与实施方案等。

1   引言

近年来，运营商之间竞争激烈，传统语音业务增长空间有限，各运营商都极为重视数据业务营销。而随着产业链的日趋成熟与用户使用习惯的初步养成，运营商的数据业务营销也取得了一定成绩，特别是在3G网络正式商用以来，每用户数据业务流量产生了激增。根据相关统计数据，中国移动全网2008年6月至2009年6月间，分组域流量增长接近300%。

抽样统计部分省份2G、3G分组域用户数及流量，截至2009年10月，3G用户占分组域业务比例统计如表1：

可见，3G网络每PDP流量远大于2G网络（根据抽样统计，TD网络单PDP速率为EDGE单PDP速率的93倍），随着3G业务的发展，运营商将面临数据风暴。

2    数据业务流量激增原因分析

（1）用户使用习惯已初步养成，数据业务产业链初具规模：产业链逐步成熟，社区类业务、网络直播等新兴业务已培养了大批忠实用户。已成规模的用户群体进一步刺激了新业务环境的壮大，增强了ICP/ISP的投入信心，极大丰富了内容平台，从而推动了用户数据流量的持续激增。

（2）无线网络覆盖范围扩大：3G HSPA网络覆盖范围扩大，中国联通WCDMA与HSPA网络同步建设，中国移动HSPA网络覆盖范围也超过了55%，HSPA实际网络速率可以达到或超过固定宽带，从而刺激用户流量的激增。根据国外运营经验，HSPA在达到50%的覆盖率后，流量将会有一次跳跃。

（3）运营商积极营销：作为今后的利润增长点，各运营商积极进行数据业务营销，推出灵活多变的套餐，数据业务资费实际已经明显下调。资费下调一定会引发用户数和流量增长，从国外资费调整经验来看，资费每下调1/3左右，流量增长4.5倍。

（4）智能终端日益普及：以Symbian、Windows Mobile、Android等为主流操作系统的智能终端已经非常普及。不同的终端有着不同的终端行为，例如iPhone手机是一部永不下线的手机，永远在线对分组网络来说是一个考验。根据经验统计，智能终端相对普通终端平均流量增长5.5倍。

3   流量激增对核心网分组域的影响分析

分析某运营商2009年分组域设备配置模型与2010年实际业务模型，如表2：

从上表可以看出，现网实际统计数据较配置模型有较大增长，现网设备将达不到规划设计指标。以2009年配置模型采购的100万容量的SGSN设备为例，设计支持100万附着用户、30万忙时PDP激活次数，则吞吐能力为300Mbps；该套设备在2010年的实际网络中，仅可支持(300Mbps/1.4kbps)/38%=56万附着用户，仅达到规划设计值的56%。同理，以2009年配置模型采购的GGSN设备为例，实际可支持的忙时PDP激活次数仅达到规划设计值的71%。

可见，数据业务流量激增在增加运营商业务收入的同时，也对核心网分组域产生了极大的影响。主要是由于用户业务模型的变化，导致网元能力不能达到原规划设计指标，特别是现网SGSN的吞吐能力将成为业务发展的瓶颈。

4   流量激增解决方案分析

应对流量激增可以考虑以下几种解决方案：

方案一，扩容分组域，增加SGSN设备数量和容量，从而满足流量激增的需求。

方案二，引入Direct Tunnel技术，解决SGSN吞吐能力瓶颈。Direct Tunnel实现用户面数据在“直达通道”中传送，不再经过SGSN，实现网络用户面扁平化；SGSN负责控制面的处理，从而规避了SGSN吞吐能力瓶颈。

方案三，引入PCC（Policy and Charging Control，基于策略的业务控制和计费），实现分组域差异化运营。

三种解决方案分析对比如表3。

方案一为常规手段，无需赘述。方案三从本质上是实现分级接入、提高运营商每bit收益的手段，而不是满足流量增长的方案，也不展开阐述。方案二则是解决流量激增的切实可行的技术方案，下文将予以重点介绍。

4.1 Direct Tunnel技术简介

（1）Direct Tunnel技术概述

Direct Tunnel是在传统3GPP 3G网络结构基础上提出的一项创新性的网络优化技术，SGSN控制建立RNC到GGSN的“直达通道”，用户面数据在“直达通道”中传送，不再经过SGSN，实现网络用户面扁平化，适合在3G网络中部署，以提高运营商的网络投资效益、网络扩展性及降低运维成本，并支持向LTE网络平滑演进。

在3GPP标准中，分组域的演进路标如图1所示：

可见，Direct Tunnel在3GPP R7中已经引入，而在3GPP R8中则是必须的；因此，在现网引入Direct Tunnel技术，可以平滑演进到LTE/SAE。

（2）Direct Tunnel技术要点

与2G分组域网络相比，3G分组核心网络结构一个重要特点是Iu-PS接口（RNC-SGSN间接口）上控制面和用户面可以完全分离，即信令通道和数据通道可以走不同的链路，这使3G分组域用户面网络扁平化演进成为可能。

传统3G网络连接如图1中HSPA R6所示，即控制面和用户面均走RNC—SGSN—GGSN，称之为Two Tunnel（双GTP通道）。Direct Tunnel如图1中Direct Tunnel HSPA R7所示：由SGSN作为Direct Tunnel的中心控制节点，信令控制面消息仍然走RNC—SGSN—GGSN，用户面数据则从RNC直接GGSN，数据流量旁路了SGSN节点。

从整个流程来看，SGSN通过增加第7和第8步将Two Tunnel转换成Direct Tunnel，过程中没有增加新的消息类型，所以对RNC和GGSN没有新功能要求，要求现网RNC和GGSN支持GTP版本1即可。

从呼叫流程可以看出，使用Direct Tunnel功能会增加2条更新PDP上下文消息，但该消息在整个信令流程中只占很小的比例，并不会对SGSN的负荷有很大影响；使用Direct Tunnel会减少SGSN准入控制的操作，从而释放了SGSN的相关资源以用于其他功能；使用Direct Tunnel后，数据流量旁路了SGSN设备，SGSN设备的吞吐能力不再成为瓶颈，可以提高SGSN设备利用率，减少设备数量。

4.2 Direct Tunnel引入分析

（1）Direct Tunnel版本选择

Direct Tunnel技术在3GPP R7已经引入，从3GPP R8起成为必须的技术。现阶段引入Direct Tunnel技术，需要比较选择哪个版本为宜，见表4：

因此，从长期演进角度考虑，在条件具备的情况下，建议直接选择R8 Direct Tunnel。

（2）Direct Tunnel引入条件分析从前文可知，现阶段数据风暴就要来临，Direct Tunnel技术作为最直接有效的解决核心网设备性能瓶颈的利器，其引入应该及时纳入日程表。

从技术成熟度、设备成熟度来看，引入Direct Tunnel技术是可行的。以沃达丰为例，先期已经在技术上做好准备，并有少量部署，在2009/2010财年大规模引入3G Direct Tunnel。而国内也已经有运营商在现网进行了Direct Tunnel试点，达到了预期目标。可以说，现阶段已经具备了引入Direct Tunnel的条件。

（3）Direct Tunnel引入方案

Direct Tunnel技术部署简单迅速，只需SGSN启用Direct Tunnel软件功能即可，其他网元如GGSN和RNC无需作任何变动，对运营中的业务没有影响。

SGSN能够配置Direct Tunnel RNC列表、APN列表，只对列表内的RNC、APN使用Direct Tunnel功能。运营商可以选择将流量较大的RNC、APN配置为Direct Tunnel，而其余RNC、APN仍然保持现状，从而更加平滑地实现现网升级改造。

（4）注意事项

虽然从理论上来说，Direct Tunnel仅仅增加了2条信令流程，对SGSN、GGSN信令负荷增加不多，各厂家GSN设备性能下降在1%～5%之间；但由于各厂家设备实现方式的不同，部分厂家GGSN设备性能下降会达到20%～30%。对于性能下降超过10%的设备，不建议引入Direct Tunnel。

5   结束语

数据风暴时代即将来临，它将给运营商的核心网分组域网络带来极大冲击。必须及时启动相应解决方案，以尽可能低的成本处理尽可能多的有收益流量，进而逐步通过策略控制与计费，提高每bit的实际收益，而Direct tunnel技术是吸收流量的最佳选择。

参考文献
[1]张力宏. Direct Tunnel技术在3G网络中的部署[J]. 信息通信技术,2009,3(5).   ★