（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)陜西有限公司，陜西 西安 710075）

基于SWPC構(gòu)想的GSM/WLAN數(shù)據(jù)分流方法研究

蘇 郁

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)陜西有限公司，陜西 西安 710075）

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的實(shí)時(shí)自動(dòng)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(jí)無(wú)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(chǎng)景下進(jìn)行應(yīng)用，詳細(xì)闡述了超級(jí)無(wú)線策略控制器（SWPC）的實(shí)現(xiàn)原理。經(jīng)過測(cè)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(shí)遷移與分流。

超級(jí)無(wú)線策略控制器 全球移動(dòng)通信系統(tǒng) 無(wú)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)呈迅猛發(fā)展態(tài)勢(shì)，用戶對(duì)無(wú)線寬帶的需求逐漸增高。預(yù)計(jì)到2020年MBB（移動(dòng)寬帶）流量將增長(zhǎng)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(duì)激增的數(shù)據(jù)流量沖擊是當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商面臨的巨大挑戰(zhàn)。

就中國(guó)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀來(lái)看，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，將同時(shí)運(yùn)營(yíng)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(shì)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(yǔ)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)；TDSCDMA網(wǎng)絡(luò)主要承載手機(jī)終端的移動(dòng)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(shí)具備語(yǔ)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(jià)值、低移動(dòng)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(jí)無(wú)線策略控制器）的概念。

2 SWPC的設(shè)計(jì)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(chǔ)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(yíng)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(shí)，在終端側(cè)需要按照與之相對(duì)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。

S W P C的設(shè)計(jì)是基于3 G P P R 1 0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(jí)無(wú)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(yíng)。

2.1 SWPC組網(wǎng)方案

圖1 SWPC組網(wǎng)方案

SWPC組網(wǎng)方案的核心設(shè)計(jì)思想是主動(dòng)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(gè)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(wú)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(qǐng)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(shí)，首先向基站控制器BSC進(jìn)行注冊(cè)，并將相關(guān)Cell ID信息上報(bào)至SWPC服務(wù)器。

（2）SWPC服務(wù)器內(nèi)存儲(chǔ)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(shí)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(jì)算公式如下：

上行硬擁塞率公式為：

下行硬擁塞率公式為：

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

Pi表示SWPC中的優(yōu)先級(jí)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商或提供商基于這個(gè)優(yōu)先級(jí)選擇最好的網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算公式如下：

T與時(shí)間有關(guān)，當(dāng)優(yōu)先級(jí)只適用于改善擁塞，則T設(shè)置為0，并且優(yōu)先級(jí)設(shè)置為默認(rèn)優(yōu)先級(jí)；α是建議的優(yōu)先級(jí)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(bào)的Cell ID向網(wǎng)管系統(tǒng)查詢相對(duì)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(shí)，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(kù)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(dòng)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(dòng)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(dòng)關(guān)閉Wi-Fi功能模塊。

通過此過程，在用戶接入時(shí)進(jìn)行蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的性能及負(fù)荷對(duì)比。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較高時(shí)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(shí)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(cái)經(jīng)學(xué)院（長(zhǎng)安校區(qū)），首先對(duì)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(chǎng)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(dòng)上網(wǎng)需求，建議對(duì)以下區(qū)域做覆蓋，如圖2所示。并通過基于SWPC的WLAN自動(dòng)分流、PEAP自動(dòng)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(lái)，同時(shí)驗(yàn)證SWPC解決方案的實(shí)施效果。

3.1 西安財(cái)經(jīng)學(xué)院宏網(wǎng)與WLAN覆蓋及性能情況分析

西安財(cái)經(jīng)學(xué)院（長(zhǎng)安校區(qū)）分為4個(gè)區(qū)域：運(yùn)動(dòng)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(duì)人員密集的教工宿舍區(qū)（包括1至8號(hào)學(xué)生公寓樓、1至3號(hào)青教樓）做WLAN深度覆蓋，設(shè)計(jì)目標(biāo)覆蓋16 560用戶。

根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)統(tǒng)計(jì)（1至8號(hào)宿舍樓），總體使用情況較好，忙時(shí)數(shù)據(jù)具體如表1所示：流量最多，但由于WLAN信道共享，忙時(shí)用戶的平均速率不高。圖3為7號(hào)宿舍樓忙時(shí)WLAN話務(wù)統(tǒng)計(jì)，話務(wù)主要集中在下午和晚上。

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

圖2 西安財(cái)經(jīng)學(xué)院（長(zhǎng)安校區(qū)）SWPC組網(wǎng)方案

目前西安財(cái)經(jīng)學(xué)院（長(zhǎng)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(hào)宿舍樓、2個(gè)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(hào)宿舍樓、青教樓；其余區(qū)域均使用室外5個(gè)宏站來(lái)覆蓋。室外宏站24小時(shí)PDCH占用情況如圖4所示。

采集了5個(gè)宏站的小區(qū)級(jí)24小時(shí)話務(wù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)室外宏站24小時(shí)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(jì)可以看出，西安財(cái)經(jīng)學(xué)院（長(zhǎng)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WL AN流量協(xié)同，充分利用現(xiàn)有WLAN網(wǎng)絡(luò)來(lái)緩解GSM網(wǎng)絡(luò)壓力，釋放用戶上網(wǎng)需求。

表2 西安財(cái)經(jīng)學(xué)院（長(zhǎng)安校區(qū)）GSM基站及小區(qū)的覆蓋區(qū)域

圖3 7號(hào)宿舍樓忙時(shí)WLAN話務(wù)統(tǒng)計(jì)（24小時(shí)）

圖4 西安財(cái)經(jīng)學(xué)院（長(zhǎng)安校區(qū)）室外宏站24小時(shí)PDCH占用情況

3.2 財(cái)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(shí)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(gè)階段：選網(wǎng)時(shí)機(jī)判定、WLAN發(fā)現(xiàn)過程、WLAN選擇過程。

（1）選網(wǎng)時(shí)機(jī)判定

安裝在終端的客戶端軟件運(yùn)行在后臺(tái)，實(shí)時(shí)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(shí)滿足如下條件時(shí)，客戶端啟動(dòng)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(shí)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(shí)進(jìn)行提醒或確認(rèn)。另外，如果WLAN按時(shí)長(zhǎng)計(jì)費(fèi)，鎖屏狀態(tài)自動(dòng)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(dòng)分流。

◆累計(jì)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(duì)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(qǐng)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(duì)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(hào)配置確定），則啟動(dòng)WLAN選擇過程。

◆客戶端向ANDSF請(qǐng)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(duì)于Portal認(rèn)證（CMCC或CMCCEDU），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(dòng)完成認(rèn)證。

圖5 SWPC客戶端的手機(jī)界面

3.3 財(cái)經(jīng)學(xué)院SWPC方案測(cè)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(dòng)完成WLAN接入和認(rèn)證，并設(shè)置友好頁(yè)面對(duì)用戶的WLAN包進(jìn)行流量提醒。如圖5所示。

通過對(duì)財(cái)經(jīng)學(xué)院全校師生進(jìn)行SWPC客戶端軟件預(yù)裝，統(tǒng)計(jì)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(shí)在線用戶數(shù)提升26.7%，峰值流量增長(zhǎng)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(shí)對(duì)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(yǔ)

本文通過基于四網(wǎng)協(xié)同“超級(jí)無(wú)線策略控制器”的構(gòu)想，結(jié)合3GPP中ANDSF標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(shí)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(cái)經(jīng)學(xué)院（長(zhǎng)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(duì)用戶的感知提升明顯。

圖6 SWPC方案對(duì)WLAN網(wǎng)絡(luò)利用率提升情況

基于SWPC方案僅實(shí)現(xiàn)了“超級(jí)無(wú)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(jí)無(wú)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(guó)移動(dòng)GSM/TD-SCDMA/ TD-LTE/WLAN網(wǎng)絡(luò)的四網(wǎng)協(xié)同。

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Research on GSM/WLAN Data Shunt Method Based on Super Wireless Policy Controller

SU Yu

(China Mobile Group Shanxi Co., Ltd., Xi’an 710075, China)

In order to achieve automatically real-time load shunt and guarantee user’s better service experience, a GSM/ WLAN data shunt method based on super wireless policy controller (SWPC), which had been applied on university campus, was proposed in this paper. The implementation principle of SWPC was elaborated. Test results show that the proposed method can achieve real-time data transition and shunt from GSM network to WLAN.

super wireless policy controller GSM WLAN data shunt

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.08.009

TN929.5

A

1006-1010(2015)08-0042-06

蘇郁. 基于SWPC構(gòu)想的GSM/WLAN數(shù)據(jù)分流方法研究[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(8): 42-47.

2015-02-11

責(zé)任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn

蘇郁：博士畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)信息與通信工程專業(yè)，中國(guó)移動(dòng)技術(shù)委員會(huì)專家組成員，現(xiàn)任中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)陜西有限公司計(jì)劃部總經(jīng)理，長(zhǎng)期負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)、核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)的技術(shù)規(guī)劃與建設(shè)工作。