【摘 要】為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的實(shí)時自動分流，保證用戶良好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，提出了一種基于超級無線策略控制器構(gòu)想的GSM/WLAN數(shù)據(jù)分流方法，并在高校場景下進(jìn)行應(yīng)用，詳細(xì)闡述了超級無線策略控制器(SWPC)的實(shí)現(xiàn)原理。經(jīng)過測試驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)向WLAN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時遷移與分流。

　　【關(guān)鍵詞】高級工程師論文,超級無線策略控制器,全球移動通信系統(tǒng),無線局域網(wǎng),數(shù)據(jù)分流

　　1 引言

　　隨著智能終端的普及，移動互聯(lián)網(wǎng)呈迅猛發(fā)展態(tài)勢，用戶對無線寬帶的需求逐漸增高。預(yù)計到2020年MBB(移動寬帶)流量將增長500倍，熱點(diǎn)流量將達(dá)到當(dāng)前的2 000至3 000倍。如何應(yīng)對激增的數(shù)據(jù)流量沖擊是當(dāng)前運(yùn)營商面臨的巨大挑戰(zhàn)。

　　就中國移動的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀來看，在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，將同時運(yùn)營GSM/TD-SCDMA/TD-LTE/WLAN四張網(wǎng)絡(luò)，而不是遵循業(yè)界傳統(tǒng)的2G/3G/4G之間網(wǎng)絡(luò)生命周期替換規(guī)律。那么必然要求四張網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)同、優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的協(xié)調(diào)均衡發(fā)展，給用戶提供“一張網(wǎng)”的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。在定位上，四張網(wǎng)絡(luò)各有其側(cè)重點(diǎn)：GSM網(wǎng)絡(luò)主要承載GSM語音、短信等基礎(chǔ)業(yè)務(wù)以及中低速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)主要承載手機(jī)終端的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及部分話音業(yè)務(wù);TD-LTE網(wǎng)絡(luò)主要承載高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，同時具備語音功能;WLAN網(wǎng)絡(luò)主要作為熱點(diǎn)區(qū)域的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分流，承載低價值、低移動性、低QoS的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。然而由于終端發(fā)展的限制以及用戶習(xí)慣，四網(wǎng)現(xiàn)階段并不能很好地協(xié)同并達(dá)到預(yù)期的效果，因此本文提出了SWPC(Super Wireless Policy Controller，超級無線策略控制器)的概念。

　　2 SWPC的設(shè)計原理

　　本文所介紹的SWPC作為獨(dú)立的網(wǎng)元(基于IBM Server xSeries343基架式服務(wù)器)，儲存有現(xiàn)網(wǎng)GSM小區(qū)及AP所有位置信息，并可以根據(jù)運(yùn)營商需求進(jìn)行策略定制，基于負(fù)荷、終端、簽約方式等信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇。同時，在終端側(cè)需要按照與之相對應(yīng)的客戶端軟件，通過TCP連接從SWPC服務(wù)器中獲取選網(wǎng)策略。

　　SWPC的設(shè)計是基于3GPP R10協(xié)議中定義的ANDSF(Access Network Discovery Support Functions，接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和選擇功能單元)標(biāo)準(zhǔn)，初步實(shí)現(xiàn)了GSM與WLAN之間的“超級無線策略控制”，且SWPC作為終端的接入錨點(diǎn)實(shí)現(xiàn)GSM與WLAN之間的智能選網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)與終端交互協(xié)同，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入的有效分類。其可以基于GSM與WLAN兩網(wǎng)之間的負(fù)荷、終端能力、用戶簽約情況等信息制定策略，幫助終端用戶選擇最佳的網(wǎng)絡(luò)制式，實(shí)現(xiàn)多種協(xié)同方式的協(xié)同運(yùn)營。

　　2.1 SWPC組網(wǎng)方案

　　SWPC組網(wǎng)方案如圖1所示：

　　圖1 SWPC組網(wǎng)方案

　　SWPC組網(wǎng)方案的核心設(shè)計思想是主動實(shí)現(xiàn)資源與業(yè)務(wù)負(fù)荷的最優(yōu)匹配。SWPC服務(wù)器位于核心網(wǎng)側(cè)，一方面與GGSN打通路由，另一方面其配置了公網(wǎng)IP，通過CMNET與AC連通。將四張網(wǎng)在RAN側(cè)匯聚成一個節(jié)點(diǎn)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度和控制。它位于核心網(wǎng)與RAN側(cè)中間，將BSC/RNC/eNodeB/AC等節(jié)點(diǎn)的無線資源管理(RRM)功能逐漸匯聚到SWPC，實(shí)現(xiàn)RRM功能集中，并可基于終端位置以及申請的業(yè)務(wù)類型選擇承載網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同使用四網(wǎng)資源。

　　2.2 SWPC的工作原理及流程

　　(1)終端安裝客戶端軟件。當(dāng)其發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時，首先向基站控制器BSC進(jìn)行注冊，并將相關(guān)Cell ID信息上報至SWPC服務(wù)器。

　　(2)SWPC服務(wù)器內(nèi)存儲有全網(wǎng)BSC小區(qū)及小區(qū)內(nèi)AP相關(guān)信息，其根據(jù)小區(qū)負(fù)荷決定是否向用戶發(fā)送WLAN熱點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)的通知消息;如果負(fù)荷達(dá)到一定門限則發(fā)送熱點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的通知消息，否則不發(fā)送。

　　負(fù)荷判決依據(jù)為考察時段內(nèi)上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)硬擁塞率大于2%或下行數(shù)據(jù)硬擁塞率大于2%且流量大于1MB的小區(qū)，其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)硬擁塞率計算公式如下：

　　上行硬擁塞率公式為：

　　(1)

　　下行硬擁塞率公式為：

　　(2)

　　其中，K是與天線特性有關(guān)的參數(shù);γ是路損系數(shù)，對于Wi-Fi為5。

　　Pi表示SWPC中的優(yōu)先級，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商或提供商基于這個優(yōu)先級選擇最好的網(wǎng)絡(luò)，計算公式如下：

　　(3)

　　T與時間有關(guān)，當(dāng)優(yōu)先級只適用于改善擁塞，則T設(shè)置為0，并且優(yōu)先級設(shè)置為默認(rèn)優(yōu)先級;α是建議的優(yōu)先級系數(shù)。

　　SWPC根據(jù)所獲信息查詢網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)及用戶相關(guān)信息，并根據(jù)用戶終端上報的Cell ID向網(wǎng)管系統(tǒng)查詢相對應(yīng)的蜂窩網(wǎng)小區(qū)的負(fù)載信息，如當(dāng)前激活用戶數(shù)、物理資源塊利用率等;同時，根據(jù)WLAN AP的MAC地址向網(wǎng)管系統(tǒng)查詢相應(yīng)AP的負(fù)載信息，如信道利用率、當(dāng)前接入或活躍的用戶數(shù)等。然后SWPC從用戶信息數(shù)據(jù)庫獲取用戶的相關(guān)信息，包括用戶可接入的SSID列表等。

　　(3)SWPC服務(wù)器向終端發(fā)送熱點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與通知消息，其中包含可用的Wi-Fi SSID等參數(shù)。

　　(4)終端打開根據(jù)接收到的熱點(diǎn)發(fā)現(xiàn)通知信息啟動Wi-Fi模塊，并基于SSID進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，若成功則選擇最優(yōu)的WLAN AP接入，若失敗則關(guān)閉Wi-Fi模塊，繼續(xù)在蜂窩網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。后續(xù)如果終端移動出了Wi-Fi覆蓋區(qū)域而導(dǎo)致多次搜不到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，則終端軟件自動關(guān)閉Wi-Fi功能模塊。

　　通過此過程，在用戶接入時進(jìn)行蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的性能及負(fù)荷對比。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較高時引導(dǎo)用戶從蜂窩網(wǎng)絡(luò)切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)，減輕GSM網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷;同時充分利用WLAN網(wǎng)絡(luò)，降低WLAN網(wǎng)絡(luò)熱裝冷用問題。

　　3 SWPC實(shí)驗(yàn)效果分析 　　本次實(shí)驗(yàn)試點(diǎn)方案選擇西安財經(jīng)學(xué)院(長安校區(qū))，首先對該區(qū)域的宏基站流量及WLAN覆蓋情況進(jìn)行摸底。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)的分析，當(dāng)前的WLAN覆蓋主要滿足了學(xué)生在宿舍內(nèi)使用筆記本進(jìn)行上網(wǎng)的需求，而宿舍外的教學(xué)樓、圖書館、體育場等區(qū)域仍有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，為了減輕這些區(qū)域室外宏站的壓力，釋放用戶移動上網(wǎng)需求，建議對以下區(qū)域做覆蓋，如圖2所示。并通過基于SWPC的WLAN自動分流、PEAP自動認(rèn)證和流量資費(fèi)包等措施，將這些地方的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)引導(dǎo)到WLAN上來，同時驗(yàn)證SWPC解決方案的實(shí)施效果。

　　3.1 西安財經(jīng)學(xué)院宏網(wǎng)與WLAN覆蓋及性能情況

　　分析

　　西安財經(jīng)學(xué)院(長安校區(qū))分為4個區(qū)域：運(yùn)動區(qū)、教學(xué)辦公區(qū)、教工宿舍區(qū)、學(xué)生生活區(qū)，目前已經(jīng)對人員密集的教工宿舍區(qū)(包括1至8號學(xué)生公寓樓、1至3號青教樓)做WLAN深度覆蓋，設(shè)計目標(biāo)覆蓋16 560用戶。

　　根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)統(tǒng)計(1至8號宿舍樓)，總體使用情況較好，忙時數(shù)據(jù)具體如表1所示：

　　表1 1至8號學(xué)生宿舍樓的WLAN用戶數(shù)據(jù)統(tǒng)計

　　熱點(diǎn) 忙時平均在線

　　用戶數(shù) 忙時總流量/MB 每用戶平均下載速率/kbps

　　1號宿舍樓 104 10 932.04 160.9

　　2號宿舍樓 109 15 958.99 245.4

　　3號宿舍樓 169 21 788.9 213.0

　　4號宿舍樓 130 20 034.95 262.7

　　5號宿舍樓 526 45 820.54 137.4

　　6號宿舍樓 555 62 119.05 185.4

　　7號宿舍樓 1 023 115 043.14 183.7

　　8號宿舍樓 3 1 400.93 547.1

　　總計 2 619 293 098.5 /

　　以7號宿舍樓為例，雖然忙時平均在線用戶數(shù)和總流量最多，但由于WLAN信道共享，忙時用戶的平均速率不高。圖3為7號宿舍樓忙時WLAN話務(wù)統(tǒng)計，話務(wù)主要集中在下午和晚上。

　　目前西安財經(jīng)學(xué)院(長安校區(qū))GSM覆蓋正常使用的樓宇包括：第一教學(xué)樓、第二教學(xué)樓、1至8號宿舍樓、2個食堂、圖書館、校醫(yī)院、行政樓、青教樓、實(shí)驗(yàn)樓。其中，有室分覆蓋的是1至8號宿舍樓、青教樓;其余區(qū)域均使用室外5個宏站來覆蓋。室外宏站24小時PDCH占用情況如圖4所示。

　　采集了5個宏站的小區(qū)級24小時話務(wù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)室外宏站24小時占用PDCH最大值超過40(認(rèn)為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的負(fù)荷很重)的小區(qū)分別為：2874、2875、2876、17797、17798、5337、5338、5259、17247、17248、17249、17734。

　　從表2的統(tǒng)計可以看出，西安財經(jīng)學(xué)院(長安校區(qū))目前覆蓋室外和非宿舍區(qū)的GSM宏站負(fù)荷普遍較高，說明這些區(qū)域仍有較大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，需要分流方案，而該區(qū)域WLAN負(fù)荷較低。利用ANDSF方案可以進(jìn)行GSM與WLAN流量協(xié)同，充分利用現(xiàn)有WLAN網(wǎng)絡(luò)來緩解GSM網(wǎng)絡(luò)壓力，釋放用戶上網(wǎng)需求。

　　表2 西安財經(jīng)學(xué)院(長安校區(qū))GSM基站及小區(qū)的覆蓋區(qū)域小區(qū) 站址 覆蓋區(qū)域

　　2875、2876 2號宿舍樓基站 知味苑食堂和第二教學(xué)樓及附近區(qū)域

　　17797、17798 5號宿舍樓基站 第二教學(xué)樓及附近空曠區(qū)域

　　5337、5338 8號宿舍樓基站 清真食堂及宿舍室外區(qū)域

　　5259 青教樓基站 第二教學(xué)樓和圖書館中間室外空曠區(qū)域

　　17247、17248、17249 3號基站

　　(圖書館) 圖書館內(nèi)、行政樓、實(shí)驗(yàn)樓及周邊室外區(qū)域

　　11734 2號宿舍樓基站 覆蓋體育場及周邊區(qū)域

　　3.2 財經(jīng)學(xué)院基于SWPC的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分流方法的

　　具體實(shí)現(xiàn)流程

　　終端安裝連接管理器軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時和SWPC交互，判斷當(dāng)前位置是否有WLAN覆蓋，并根據(jù)小區(qū)和AP負(fù)荷確定是否需要切換至WLAN，總體流程分為3個階段：選網(wǎng)時機(jī)判定、WLAN發(fā)現(xiàn)過程、WLAN選擇過程。

　　(1)選網(wǎng)時機(jī)判定

　　安裝在終端的客戶端軟件運(yùn)行在后臺，實(shí)時監(jiān)控終端的狀態(tài)和業(yè)務(wù)使用情況，以此判斷是否有必要發(fā)起WLAN發(fā)現(xiàn)和選擇過程。當(dāng)終端處于2G/3G連接狀態(tài)并同時滿足如下條件時，客戶端啟動WLAN發(fā)現(xiàn)和選擇，否則保持當(dāng)前連接狀態(tài)。

　　◆非鎖屏狀態(tài)，在鎖屏狀態(tài)時即使有業(yè)務(wù)流量也不大，沒有必要切換到WLAN。有些用戶也希望WLAN接入時進(jìn)行提醒或確認(rèn)。另外，如果WLAN按時長計費(fèi)，鎖屏狀態(tài)自動連接WLAN可能導(dǎo)致資費(fèi)問題。因此，鎖屏狀態(tài)沒有必要進(jìn)行WLAN自動分流。

　　◆累計到一定的業(yè)務(wù)流量(流量門限用戶可配置，小流量應(yīng)用或背景流量沒有必要切換到WLAN)或者特定應(yīng)用激活(可配置，如在線視頻應(yīng)用)。

　　(2)WLAN發(fā)現(xiàn)和選擇過程

　　在判定需要進(jìn)行WLAN選網(wǎng)后，首先發(fā)起WLAN發(fā)現(xiàn)過程。對于WLAN模塊已經(jīng)打開的終端，可以省略該過程，直接掃描網(wǎng)絡(luò)即可。

　　◆客戶端向SWPC請求網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)信息，攜帶終端當(dāng)前的位置信息，即小區(qū)ID。

　　◆SWPC預(yù)置小區(qū)和WLAN熱點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)小區(qū)位置判斷終端是否進(jìn)入WLAN覆蓋區(qū)域。

　　◆如果終端當(dāng)前小區(qū)有WLAN，則指示客戶端打開WLAN掃描網(wǎng)絡(luò)(由于小區(qū)和WLAN未必共覆蓋，只有通過掃描WLAN才能確定是否進(jìn)入WLAN覆蓋)。

　　如果搜索到用戶感興趣的SSID(根據(jù)用戶的賬號配置確定)，則啟動WLAN選擇過程。

　　◆客戶端向ANDSF請求選網(wǎng)策略，攜帶掃描到的WLAN信息，包括SSID和BSSID等。 　　◆SWPC根據(jù)2G/3G和WLAN的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，確定優(yōu)先網(wǎng)絡(luò)。

　　◆如果優(yōu)選WLAN，則指示客戶端接入WLAN，可以指定AP。

　　◆客戶端根據(jù)ANDSF指示接入WLAN(是否提醒用戶可配置)。對于Portal認(rèn)證(CMCC或CMCC-EDU)，由客戶端完成Portal認(rèn)證;如果是EAP認(rèn)證(CMCC-AUTO)，則由系統(tǒng)自動完成認(rèn)證。

　　3.3 財經(jīng)學(xué)院SWPC方案測試效果分析

　　在預(yù)裝客戶端的手機(jī)上成功驗(yàn)證了通過SWPC控制GSM/WLAN選網(wǎng)的機(jī)制。根據(jù)SWPC服務(wù)器所設(shè)置的策略，控制終端是否彈出WLAN登錄提醒，手機(jī)用戶確認(rèn)登錄后自動完成WLAN接入和認(rèn)證，并設(shè)置友好頁面對用戶的WLAN包進(jìn)行流量提醒。如圖5所示。

　　通過對財經(jīng)學(xué)院全校師生進(jìn)行SWPC客戶端軟件預(yù)裝，統(tǒng)計該區(qū)域內(nèi)WLAN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋和用戶體驗(yàn)得到了明顯提升：WLAN忙時在線用戶數(shù)提升26.7%，峰值流量增長56.3%，GSM的高負(fù)荷壓力得以有效緩解。SWPC的分流策略執(zhí)行較準(zhǔn)確，分流成功率達(dá)到75%，但還有優(yōu)化的空間。同時對用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗(yàn)提升顯著，80%以上的體驗(yàn)用戶認(rèn)為手機(jī)上網(wǎng)速率更快。如圖6所示。

　　4 結(jié)束語

　　本文通過基于四網(wǎng)協(xié)同“超級無線策略控制器”的構(gòu)想，結(jié)合3GPP中ANDSF標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計出了基于ANDSF服務(wù)器實(shí)現(xiàn)GSM與WLAN之間數(shù)據(jù)流量協(xié)同的方案，根據(jù)用戶接入時兩網(wǎng)的負(fù)荷等情況，為用戶選擇體驗(yàn)最佳的網(wǎng)絡(luò)。該方案在西安財經(jīng)學(xué)院(長安校區(qū))進(jìn)行了部署試點(diǎn)，并達(dá)到了智能分流GSM/WLAN數(shù)據(jù)流量的效果，對用戶的感知提升明顯。

　　基于SWPC方案僅實(shí)現(xiàn)了“超級無線策略控制器”構(gòu)想的第一步：完成GSM/WLAN兩網(wǎng)間的策略控制。后續(xù)隨著TD-SCDMA和TD-LTE網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)一步集成，“超級無線策略控制器”的方案將進(jìn)一步成熟并擴(kuò)展到3G、4G網(wǎng)絡(luò)，真正實(shí)現(xiàn)中國移動GSM/TD-SCDMA/TD-LTE/WLAN網(wǎng)絡(luò)的四網(wǎng)協(xié)同。

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