数据业务对寻呼容量的影响研究

江门移动2008年数据业务优化项目 数据业务对寻呼容量的影响研究1背景在普通的话务模型下，GSM寻呼容量是足够的，但是在特定的高密度话务区域却容易出现明显的寻呼容量不足问题，伴随着大量的寻呼排队拥塞、超时和二次寻呼，而造成寻呼拥塞的原因，很大程度上是因为数据业务造成的，本文就对此类原因进行分析，并寻求解决方法。2寻呼原理简介无线寻呼的过程，即MSC通过寻呼寻找到MS的通信过程，只有在查找到移动用户后，MSC才能进行下一步的呼叫接续工作。下图是寻呼消息从MSC下发后的计数器跳转流程，其最终受众是BTS：GSM规范定义了3种GPRS网络工作模式，如下表所示：模式电路寻呼信道GPRS寻呼信道寻呼配合关系I分组寻呼信道分组寻呼信道 需要SGSN与MSC/VLR配合进行寻呼，应选用Gs接口。MS只需监视一个寻呼信道，如果给MS分配了分组数据信道，则MS就在该分组数据信道上接收电路业务的寻呼信息。 CCCH寻呼信道CCCH寻呼信道 分组数据信道 IICCCH寻呼信道CCCH寻呼信道不需要SGSN与MSC/VLR配合进行寻呼。MS只需监视CCCH寻呼信道，但即使给MS分配了分组数据信道，MS也仍在CCCH寻呼信道上接收电路业务的寻呼信息。IIICCCH寻呼信道分组寻呼信道不需要SGSN与MSC/VLR配合进行寻呼。MS需要监视CCCH寻呼信道和分组寻呼信道这两个信道。CCCH寻呼信道CCCH寻呼信道目前广东省的GPRS网络工作模式为II，也即是无Gs接口。v 模式II的具体定义为： Network operation mode II: the network sends a CS paging message for a GPRS-attached MS on the CCCH paging channel, and this channel is also used for GPRS paging. This means that the MS needs only to monitor the CCCH paging channel, but that CS paging continues on this paging channel even if the MS has been assigned a packet data channel. 因此，在第二种网络模式下，CCCH信道承担了语音和数据业务的寻呼，在部分区域产生PCH信道拥塞将会有较大的几率，这在数据业务并不繁忙地区出现的可能性将相对较低。寻呼是在BCCH(Broadcast Contro Channel ) 的0 时隙上进行的。0 时隙上承载以下几种信道：广播信道(BCH)，控制信道(CCCH)，如果采用了组合的BCCH/SDCCH，也有Dedicated Control Channel(DCCH)。BCH 承载频率校正信道(FCCH)，同步信道(SCH)以及BCCH。CCCH 承载以下两种子信道：PCH 和Access Grant Channel)AGCH)。其中PCH 就是用来向移动台传送寻呼请求信息的，但AGCH优先于PCH。DCCH 承载SDCCH，慢速随路控制信道(SACCH)，小区广播信道(CBCH)。0 时隙在逻辑上被分为复帧结构，每个复帧的发送时间为235.4ms。一个复帧等于51帧。复帧根据不同的帧结构，有不同的寻呼容量：无组合BCCH/SDCCH 每复帧能够提供9个寻呼块。在这种配置下，CCCH，在BCCH 的0 时隙上，不用为SDCCH 提供时隙(见图2)，而信令子信道将会被分配到另外的一个或多个时隙上。CCCH 可以与SDCCH/4 一起放置于BCCH 的0 时隙上。这样的配置意味着可以省一个时隙来用于话音或信令通讯。但是，这也对寻呼容量有影响：每个复帧只能提供3个寻呼块而不是原来的9 个(见图3)，而BTS 的寻呼容量也成为原来的1/3.我们可以用参数BCCHTYPE来选择组合或非组合结构。AGCH 在通话建立的过程中为移动台指配SDCCH(立即指配)，AGCH 占用PCH 的资源（因为接入信息比寻呼信息有更高的优先级）。CCCH 可以有指定的AGCH，或者AGCH 在偷帧的模式下工作，这样的话在需要的时候PCH 被AGCH 代替。如果使用指定的AGCH，每复帧会有2 个寻呼块(组合BCCH/SDCCH)或8 个寻呼块(非组合BCCH/SDCCH)。v 寻呼块结构：每个寻呼块最多可以发出4 个寻呼请求(Paging Request)。每个PAGING BLOCK为32位，IMSI为15位，TMSI为8位，故每个PAGING BLOCK为4 Byte,1个IMSI为2 Byte,1个TMSI为1 Byte每个寻呼块可以有以下三种组合：3小区寻呼容量分析寻呼是在BCCH(Broadcast Contro Channel ) 的0 时隙上进行的，其中的PCH 用来向移动台传送寻呼请求信息。BCCH 的0 时隙在逻辑上被分为复帧结构，每个复帧的发送时间为235.4ms。BCCHTYPE=NCOMB 采用不同的配置时，一秒钟最多可以发送的寻呼块的数量。使用组合BCCH/SDCCH 的小区：(AGBLK=0)： 3/0.2354=12.75 paging blocks/second(AGBLK=1)： 2/0.2354=8.50 paging blocks/second非组合BCCH/SDCCH 的小区：(AGBLK=0)： 9/0.2354=38.35 paging block/second(AGBLK=1)： 8/0.2354=33.98 paging block/second为了计算小区的寻呼容量，我们必须知道使用第一和第二次寻呼数量上的关系。由于江门移动网络第一次采用TMSI寻呼，第二次也采用TMSI寻呼，二次寻呼与一次寻呼的比例为20%左右，这样，每个寻呼块可以容纳的寻呼尝试数为：4/(1+20%)=3.33 PA/paging block。按照江门小区的配置(BCCHTYPE=NCOM,AGBLK=1)，每个复帧上有8个寻呼块，那么理论上的最大寻呼容量为：3.33*(8/0.2354)=113.28 paging attemp/second由上面设定可知每个PA 发出1.2个PAGING命令（1个first pag,0.05个second pag）,所以基站每秒最多可发送PAGING数为：(1+20%)*113.28=135.936 paging command/second那么小区1个小时的寻呼容量为：135.936*3600=489370 paging command/hour即江门目前小区每个小时能够处理的最大寻呼命令为489370条左右；但寻呼信道并非完全专用， PCH与AGCH共享CCCH信道，并且任何时候AGCH优先于PCH，即当系统需要下发Immediate Assignment（立即指配）消息时，如果有AGCH空闲，就用预留/空闲的AGCH，如果没有空闲的AGCH，就抢占PCH资源做为AGCH。下表是小区AGCH和PCH共享CCCH时，立即指配抢占的PCH资源与Paging容量关系。表1：容量关系表可见，ImmAss/sec越大，空口的寻呼资源就越少，当ImmAss/sec超过20，留给PCH的资源只有最大容量的41.14，即只有20万次左右，如采用IMSI寻呼，寻呼容量将更小。同时，在爱立信系统中，GPRS分配TBF的信息是也是通过Immediate Assignment来下发的，因此除了大量的CS域的Immediate Assignment外，还有大量的PS域的Immediate Assignment共享AGCH信道资源。每一次CS立即指配对应一次用户请求（MO、MT、SMS、LU等），而每一次PS立即指配在大多数业务类型下对应多个用户请求，或者说，一次用户业务过程可能对应多次PS立即指配，这在WAP浏览、移动QQ等实时性并不强的业务尤其突出，这使得寻呼资源更加紧张。4实际案例分析2008年10月2324日，在江门中环广场举行美食节，高密度峰值话务对覆盖小区JMJJHJ9造成了巨大的冲击，语音通话和数据业务感知都受到较为严重的影响。在24日的20和21点JMJJHJ9的寻呼受限超过了14万次，造成大量的寻呼丢失，严重影响用户感知。NETIMEMOPagpchcongPagetoooldJMBBSC22008-10-24 21:00JMJJHJ91507100JMBBSC22008-10-24 20:00JMJJHJ91444621949JMBBSC22008-10-24 19:00JMJJHJ9474791023JMBBSC22008-10-24 22:00JMJJHJ945182246JMBBSC22008-10-23 19:00JMJJHJ929337814表2：小区寻呼丢失注：Pagpchcong：因寻呼队列满而抛弃的寻呼信息，当小区寻呼消息超出寻呼组队列长度，该计数器加1。Pagetooold：因寻呼排队太久而抛弃的寻呼消息，当寻呼消息进入寻呼队列和寻呼出队时间超过5秒，该计数器加1。而JMJJHJ9所在的JMBBSC2收到MSC下发的寻呼消息数为20万条，可见PS域的寻呼数所占比例非常大，这个也可从表4中的PSIMMASS得到验证。NETIMETOTPAGJMBBSC2 2008-10-24 16:00225001JMBBSC2 2008-10-24 17:00228899JMBBSC2 2008-10-24 18:00220546JMBBSC2 2008-10-24 19:00186669JMBBSC2 2008-10-24 20:00208479JMBBSC2 2008-10-24 21:00198288JMBBSC2 2008-10-24 22:00159809JMBBSC2 2008-10-24 23:00111398表3：BSC下发寻呼数与此同时，数据业务性能受影响严重：CELLTIME数据业务总流量KBPDCH分配成功率PDCH预清空数TBF每次中断保持时长（分钟）平均复用度PSIMMASSJMJJHJ92008-10-24 17:006214018.27%4302.654.1840914JMJJHJ92008-10-24 18:004759025.81%4301.54.1145143JMJJHJ92008-10-24 19:004187525.59%2041.082.94102184JMJJHJ92008-10-24 20:001671837.52%930.391.85235406JMJJHJ92008-10-24 21:002161965.50%70.51.61257920JMJJHJ92008-10-24 22:003787072.99%620.973.01113202JMJJHJ92008-10-24 23:003242087.17%73.782.4718207表4：数据业务感知PS域占用AGCH和CS域占用AGCH次数比值超过了10:1，表4中随着PS域立即指配数的激增，抢占PCH资源，使得TBF建立困难，进而无法分配PDCH资源，这从数据业务流量变小和PDCH预清空数减少现象可以得到验证，在20和21点的数据业务流量不升反降，同时与用户感知关系较为密切的PDCH复用度以及TBF中断保持时长等指标恶化严重，当时的用户感知受影响严重，当时此小区的瓶颈不在于PDCH和TCH信道资源，而在于公共信道资源。5寻呼资源优化在高密度的话务模型下，语音和数据业务话务量的过高，CS和PS域共同指配数剧增，当AGCH资源不足时，将会抢占寻呼资源，使得用户寻呼受影响，通话和数据业务感知将会较差。这样的话务模型普遍存在于高交会、校区，大型活动场所等地。如上所述，在高密度话务下，Um口的寻呼容量成为爱立信CME20系统的瓶颈，可通过增加CCCH资源或者减少CCCH使用的方法来解决或者缓解此类问题。5.1 增加单位面积的CCCH数量如果能够增加更多的小区就可以增加单位面积的CCCH数量，减小每小区服务的数据流量，从而减少PS域和CS域的AGCH需求对总CCCH资源构成的压力。需要说明的是，增加小区并不会减少落地（到BTS）的寻呼尝试次数。v 新增或分裂小区：增加小区可以通过在高密度话务区域规划建设新的基站，或者从现有的小区分裂出一个新的逻辑小区来实现。前者周期比较长，在做网络规划时需要充分测算该区域的话务量和数据流量，然后才能做出系统的规划方案。后者实现起来较为简单快捷。小区分裂就是在原有小区上再分裂出一个小区，间接实现CCCH信道的扩容。利用共TG多小区的功能，在不改变原小区的硬件和天馈系统的前提下，将一个小区分裂为两个小区，两个小区共TG同覆盖，这样不会改变原小区的覆盖特性，并实现CCCH的扩容。v 光纤拉远或者射频阀技术通过引入其他小区分担话务的同时增加单位面积的的CCCH数量，提高小区寻呼成功率。v 增加单小区的CCCH数目对于CCCH的配置，目前爱立信BSC R12版本中由BCCHTYPE这个参数设定，有三个选项：COMB、COMBC和NCOMB,只是定义与CBCH或者SDCCH组合方式，而并非定义CCCH物理信道的个数。而在GSM规范5.02中，有04五个选项，除了以上三种外，还可以定义2至4条非组合的CCCH，因此将使得寻呼容量大大提高。以下是GSM规范5.02中原文：相对于爱立信设备，HW设备是可以设定多个CCCH信道的，下图是HW公司GSM小区公共控制信道配置说明：因此，建议爱立信公司修改CCCH配置。5.2 LAC分裂在广东移动目前的GSM网络中，大部分BSC与LA是一一对应的关系。因此，每个BSC携带话务量的大小基本决定了从MSC下发到每个BSC的寻呼量，如果能够将LAC分得比较精细，提高寻呼落地的精确率，就能有效减少到达空口的寻呼数量。有两种方法：第一，每个BSC规划一个LAC，规划建设更多的BSC，缩小每个BSC覆盖面积，这需要增加投资；第二，分裂LAC，将LAC精细化，如下图将两个LAC分裂成3个LAC，可以有效减少每小区空口落地的寻呼尝试次数，该方法的缺点是会增加额外的位置更新信令负荷，需要综合考虑两者的平衡关系。LAC分裂示意图5.3 减少PS域的立即指配次数 除了上述方法外，如果能尽量减少数据业务对CCCH信道的占用，也可以缓解寻呼信道的压力。每一次CS立即指配就是对应一次用户请求（MO、MT、SMS、LU等），而每一次PS立即指配则不一定对应一次用户请求，或者说，一次用户业务过程可能对应多次PS立即指配，那么我们可以尝试通过减少PS立即指配来优化寻呼性能。爱立信在R10版本以后的系统，新增部分EDGE/GPRS功能，而对PS IM影响较大的主要是TBF上/下行延迟释放、TBF下行早建这三个功能。上述三种功能，在用户使用数据业务过程中是共同起作用的。目前数据业务大部分都是由用户自身发起，并主要以下行业务为主，用户在做一次例如页面浏览时，将会依次进入这三种功能时间，如下图所示：根据数据业务接入信令流程，当手机处于上下行均不存在TBF的状态下，用户若有数据传输需求，就会触发TBF接入过程，从而引起PS立即指配。当用户只要存在一个TBF，无论是上行还是下行，都不需要通过CCCH信道来指配信道，只需通过PACCH信道就能完成所需的TBF建立过程。假设用户在较短的时间内发起两次数据请求，若TBF延迟释放时间大于第二次数据请求间隔时间，就可以在不进行PS立即指配的基础上传输第二次的用户数据。因此适当增加TBF延迟释放时间应该可以减少PS立即指配，从而减少减少PS域对AGCH资源的需求，进而减少寻呼拥塞。在寻呼拥塞较为严重的区域，将这三个BSC属性参数的值适当增大，可获得一定改善。ULDELAY：This exchange property specifies the maximum time UL TBF is kept in EUL TBF mode. This value is given in milliseconds.ESDELAY：This exchange property specifies the maximum time DL TBF is kept in Early Set-up mode.DLDELAY：This exchange property specifies the maximum time Downlink (DL) Temporary Block Flow (TBF) is kept in delayed release mode.5.4 通过市场营销手段控制某些业务的应用 部分业务，如移动QQ、飞信以及手机股票等软件，因为其功能的实时性，需要不定期的与服务器进行数据交互，这就会导致频繁的立即指配，这种业务在所有业务应用中所占比例较大（远大于FTP下载等信道利用率较高的业务），特别是移动QQ，在高校区尤其明显，这也就是为什么大学城等学生密集场所，覆盖小区寻呼拥塞比例较大的原因。而从市场营销策略方面，因为移动QQ属于WAP方式，采用包月方式收费，费用很低，这就使得“挂机”所带来的话费较低，而其对PDCH资源以及PCU的GSL资源所造成的影响却是巨大的。下面就以移动QQ为例，通过TEMS的LAYER 3信令，分析其在挂机状态下的行为：v 测试环境：测试手机：索尼爱立信K790测试软件：TEMS_Investigation_8.0.3测试地点：江门移动大楼封闭微蜂窝测试方式：K790安装移动QQ，用TEMS记录信令流程手机挂移动QQ状态下层三信令流程分析:下面四个图是移动QQ用户在挂机状态下的LAYER 3信令流程，可以看到，其与登录网页等其他类型业务并无区别，都是需要进行PDCH的指配过程，而且是频繁进行的的，大概是5秒左右就需要进行一次立即指配过程，这与CS有很大不同，因此移动QQ这类即时业务对于AGCH抢占PCH资源是具有决定性的，相对于这类应用，FTP下载等业务因为是连续的，并不需要间歇的进行立即指配，其对AGCH资源的需求相对少的对。而通过类似项目的研究（基于GI和GN的抓包分析），可以发现CNWAP业务是要比CMNET有更多的应用(这与资费有很大关系)，因此CMWAP业务对网络造成的冲击是巨大的，而这类业务的PDCH利用率是较低的。标注二标注一标注一（信道请求）：标注二（二阶段指配）：另一方面，通过对手机移动QQ的TCP/IP包分析（使用Sniffe），用户在挂机时需与服务器交互的信息，即用户本身并没有进行发信息等主动操作，只是被动挂机状态，后台进行的业务，因为流量小，并不会产生很大的流量（大多是几个字节），再加上程序开发商鼓励用户长时间在线（增加积分等级等），因此挂机现象普遍存在。以下是挂机状态下用户需要申请网络资源的动作：1、用户好友状态信息更新2、用户本身与服务器信息交互：如告知在线的状态（隐身/离线/在线等）3、好友发来的信息（含群信息）4、接收广告信息5、版本更新以及查杀木马等信息飞信等IM即时软件的后台数据业务基本类似综上所述，这种普遍存在的挂机现象对网络资源消耗较大，因为其实时在线，除了占用PDCH信道资源外，还对PCU，以及AGCH资源造成影响，造成GSL利用率升高，PDCH的利用率偏低以及小区级的寻呼拥塞这几个主要问题，为了降低这方面的应用，只能通过市场营销策略来解决，而从网络侧，见效最快而且成本相对较低的方法就是增加CCCH的数目，增加CCCH的可行性分析请见5.1中的 “增加单小区的CCCH数目”。6结束语随着数据业务的多样化，以及营销手段的变化，爱立信GSM网络中寻呼受限的问题将会越来越多，因此需综合分析问题根结，从根本上解决此类问题。 参考文献1、GSM规范05022、MF010001 GSM网络系统消息和小区参数 ISSUE3，华为3、GPRS原理及其网络优化，韩斌杰4、BSC R12 APZ 212 30 IOG20 AC-A2 ，Ericsson16