高级工程师论文基于SWPC构想的GSM/WLAN数据分流方法

　　【摘 要】为实现网络负荷的实时自动分流，保证用户良好的业务体验，提出了一种基于超级无线策略控制器构想的GSM/WLAN数据分流方法，并在高校场景下进行应用，详细阐述了超级无线策略控制器(SWPC)的实现原理。经过测试验证，能够实现GSM蜂窝网络的数据业务向WLAN网络的实时迁移与分流。

　　【关键词】高级工程师论文,超级无线策略控制器,全球移动通信系统,无线局域网,数据分流

　　1 引言

　　随着智能终端的普及，移动互联网呈迅猛发展态势，用户对无线宽带的需求逐渐增高。预计到2020年MBB(移动宽带)流量将增长500倍，热点流量将达到当前的2 000至3 000倍。如何应对激增的数据流量冲击是当前运营商面临的巨大挑战。

　　就中国移动的网络现状来看，在未来相当长的一段时间内，将同时运营GSM/TD-SCDMA/TD-LTE/WLAN四张网络，而不是遵循业界传统的2G/3G/4G之间网络生命周期替换规律。那么必然要求四张网络相互协同、优势互补，实现低成本、高效率的协调均衡发展，给用户提供“一张网”的业务体验。在定位上，四张网络各有其侧重点：GSM网络主要承载GSM语音、短信等基础业务以及中低速的数据业务;TD-SCDMA网络主要承载手机终端的移动数据业务以及部分话音业务;TD-LTE网络主要承载高速的数据业务，同时具备语音功能;WLAN网络主要作为热点区域的数据业务分流，承载低价值、低移动性、低QoS的数据业务。然而由于终端发展的限制以及用户习惯，四网现阶段并不能很好地协同并达到预期的效果，因此本文提出了SWPC(Super Wireless Policy Controller，超级无线策略控制器)的概念。

　　2 SWPC的设计原理

　　本文所介绍的SWPC作为独立的网元(基于IBM Server xSeries343基架式服务器)，储存有现网GSM小区及AP所有位置信息，并可以根据运营商需求进行策略定制，基于负荷、终端、签约方式等信息进行网络选择。同时，在终端侧需要按照与之相对应的客户端软件，通过TCP连接从SWPC服务器中获取选网策略。

　　SWPC的设计是基于3GPP R10协议中定义的ANDSF(Access Network Discovery Support Functions，接入网发现和选择功能单元)标准，初步实现了GSM与WLAN之间的“超级无线策略控制”，且SWPC作为终端的接入锚点实现GSM与WLAN之间的智能选网，通过网络与终端交互协同，实现网络接入的有效分类。其可以基于GSM与WLAN两网之间的负荷、终端能力、用户签约情况等信息制定策略，帮助终端用户选择最佳的网络制式，实现多种协同方式的协同运营。

　　2.1 SWPC组网方案

　　SWPC组网方案如图1所示：

　　图1 SWPC组网方案

　　SWPC组网方案的核心设计思想是主动实现资源与业务负荷的最优匹配。SWPC服务器位于核心网侧，一方面与GGSN打通路由，另一方面其配置了公网IP，通过CMNET与AC连通。将四张网在RAN侧汇聚成一个节点，充分利用网络资源，实现统一调度和控制。它位于核心网与RAN侧中间，将BSC/RNC/eNodeB/AC等节点的无线资源管理(RRM)功能逐渐汇聚到SWPC，实现RRM功能集中，并可基于终端位置以及申请的业务类型选择承载网络，协同使用四网资源。

　　2.2 SWPC的工作原理及流程

　　(1)终端安装客户端软件。当其发起数据业务时，首先向基站控制器BSC进行注册，并将相关Cell ID信息上报至SWPC服务器。

　　(2)SWPC服务器内存储有全网BSC小区及小区内AP相关信息，其根据小区负荷决定是否向用户发送WLAN热点被发现的通知消息;如果负荷达到一定门限则发送热点发现的通知消息，否则不发送。

　　负荷判决依据为考察时段内上行数据业务硬拥塞率大于2%或下行数据硬拥塞率大于2%且流量大于1MB的小区，其数据业务硬拥塞率计算公式如下：

　　上行硬拥塞率公式为：

　　(1)

　　下行硬拥塞率公式为：

　　(2)

　　其中，K是与天线特性有关的参数;γ是路损系数，对于Wi-Fi为5。

　　Pi表示SWPC中的优先级，网络运营商或提供商基于这个优先级选择最好的网络，计算公式如下：

　　(3)

　　T与时间有关，当优先级只适用于改善拥塞，则T设置为0，并且优先级设置为默认优先级;α是建议的优先级系数。

　　SWPC根据所获信息查询网络负载状态及用户相关信息，并根据用户终端上报的Cell ID向网管系统查询相对应的蜂窝网小区的负载信息，如当前激活用户数、物理资源块利用率等;同时，根据WLAN AP的MAC地址向网管系统查询相应AP的负载信息，如信道利用率、当前接入或活跃的用户数等。然后SWPC从用户信息数据库获取用户的相关信息，包括用户可接入的SSID列表等。

　　(3)SWPC服务器向终端发送热点发现与通知消息，其中包含可用的Wi-Fi SSID等参数。

　　(4)终端打开根据接收到的热点发现通知信息启动Wi-Fi模块，并基于SSID进行网络搜索，若成功则选择最优的WLAN AP接入，若失败则关闭Wi-Fi模块，继续在蜂窝网进行数据业务。后续如果终端移动出了Wi-Fi覆盖区域而导致多次搜不到Wi-Fi网络，则终端软件自动关闭Wi-Fi功能模块。

　　通过此过程，在用户接入时进行蜂窝网络和WLAN网络的性能及负荷对比。在蜂窝网络负荷较高时引导用户从蜂窝网络切换到WLAN网络，减轻GSM网络的负荷;同时充分利用WLAN网络，降低WLAN网络热装冷用问题。

　　3 SWPC实验效果分析 　　本次实验试点方案选择西安财经学院(长安校区)，首先对该区域的宏基站流量及WLAN覆盖情况进行摸底。根据现网的分析，当前的WLAN覆盖主要满足了学生在宿舍内使用笔记本进行上网的需求，而宿舍外的教学楼、图书馆、体育场等区域仍有数据业务的需求，为了减轻这些区域室外宏站的压力，释放用户移动上网需求，建议对以下区域做覆盖，如图2所示。并通过基于SWPC的WLAN自动分流、PEAP自动认证和流量资费包等措施，将这些地方的数据业务引导到WLAN上来，同时验证SWPC解决方案的实施效果。

　　3.1 西安财经学院宏网与WLAN覆盖及性能情况

　　分析

　　西安财经学院(长安校区)分为4个区域：运动区、教学办公区、教工宿舍区、学生生活区，目前已经对人员密集的教工宿舍区(包括1至8号学生公寓楼、1至3号青教楼)做WLAN深度覆盖，设计目标覆盖16 560用户。

　　根据现网统计(1至8号宿舍楼)，总体使用情况较好，忙时数据具体如表1所示：

　　表1 1至8号学生宿舍楼的WLAN用户数据统计

　　热点 忙时平均在线

　　用户数 忙时总流量/MB 每用户平均下载速率/kbps

　　1号宿舍楼 104 10 932.04 160.9

　　2号宿舍楼 109 15 958.99 245.4

　　3号宿舍楼 169 21 788.9 213.0

　　4号宿舍楼 130 20 034.95 262.7

　　5号宿舍楼 526 45 820.54 137.4

　　6号宿舍楼 555 62 119.05 185.4

　　7号宿舍楼 1 023 115 043.14 183.7

　　8号宿舍楼 3 1 400.93 547.1

　　总计 2 619 293 098.5 /

　　以7号宿舍楼为例，虽然忙时平均在线用户数和总流量最多，但由于WLAN信道共享，忙时用户的平均速率不高。图3为7号宿舍楼忙时WLAN话务统计，话务主要集中在下午和晚上。

　　目前西安财经学院(长安校区)GSM覆盖正常使用的楼宇包括：第一教学楼、第二教学楼、1至8号宿舍楼、2个食堂、图书馆、校医院、行政楼、青教楼、实验楼。其中，有室分覆盖的是1至8号宿舍楼、青教楼;其余区域均使用室外5个宏站来覆盖。室外宏站24小时PDCH占用情况如图4所示。

　　采集了5个宏站的小区级24小时话务统计，发现室外宏站24小时占用PDCH最大值超过40(认为数据业务的负荷很重)的小区分别为：2874、2875、2876、17797、17798、5337、5338、5259、17247、17248、17249、17734。

　　从表2的统计可以看出，西安财经学院(长安校区)目前覆盖室外和非宿舍区的GSM宏站负荷普遍较高，说明这些区域仍有较大的数据业务需求，需要分流方案，而该区域WLAN负荷较低。利用ANDSF方案可以进行GSM与WLAN流量协同，充分利用现有WLAN网络来缓解GSM网络压力，释放用户上网需求。

　　表2 西安财经学院(长安校区)GSM基站及小区的覆盖区域小区 站址 覆盖区域

　　2875、2876 2号宿舍楼基站 知味苑食堂和第二教学楼及附近区域

　　17797、17798 5号宿舍楼基站 第二教学楼及附近空旷区域

　　5337、5338 8号宿舍楼基站 清真食堂及宿舍室外区域

　　5259 青教楼基站 第二教学楼和图书馆中间室外空旷区域

　　17247、17248、17249 3号基站

　　(图书馆) 图书馆内、行政楼、实验楼及周边室外区域

　　11734 2号宿舍楼基站 覆盖体育场及周边区域

　　3.2 财经学院基于SWPC的数据业务分流方法的

　　具体实现流程

　　终端安装连接管理器软件，进行数据业务时和SWPC交互，判断当前位置是否有WLAN覆盖，并根据小区和AP负荷确定是否需要切换至WLAN，总体流程分为3个阶段：选网时机判定、WLAN发现过程、WLAN选择过程。

　　(1)选网时机判定

　　安装在终端的客户端软件运行在后台，实时监控终端的状态和业务使用情况，以此判断是否有必要发起WLAN发现和选择过程。当终端处于2G/3G连接状态并同时满足如下条件时，客户端启动WLAN发现和选择，否则保持当前连接状态。

　　◆非锁屏状态，在锁屏状态时即使有业务流量也不大，没有必要切换到WLAN。有些用户也希望WLAN接入时进行提醒或确认。另外，如果WLAN按时长计费，锁屏状态自动连接WLAN可能导致资费问题。因此，锁屏状态没有必要进行WLAN自动分流。

　　◆累计到一定的业务流量(流量门限用户可配置，小流量应用或背景流量没有必要切换到WLAN)或者特定应用激活(可配置，如在线视频应用)。

　　(2)WLAN发现和选择过程

　　在判定需要进行WLAN选网后，首先发起WLAN发现过程。对于WLAN模块已经打开的终端，可以省略该过程，直接扫描网络即可。

　　◆客户端向SWPC请求网络发现信息，携带终端当前的位置信息，即小区ID。

　　◆SWPC预置小区和WLAN热点的对应关系，根据小区位置判断终端是否进入WLAN覆盖区域。

　　◆如果终端当前小区有WLAN，则指示客户端打开WLAN扫描网络(由于小区和WLAN未必共覆盖，只有通过扫描WLAN才能确定是否进入WLAN覆盖)。

　　如果搜索到用户感兴趣的SSID(根据用户的账号配置确定)，则启动WLAN选择过程。

　　◆客户端向ANDSF请求选网策略，携带扫描到的WLAN信息，包括SSID和BSSID等。 　　◆SWPC根据2G/3G和WLAN的网络状态，确定优先网络。

　　◆如果优选WLAN，则指示客户端接入WLAN，可以指定AP。

　　◆客户端根据ANDSF指示接入WLAN(是否提醒用户可配置)。对于Portal认证(CMCC或CMCC-EDU)，由客户端完成Portal认证;如果是EAP认证(CMCC-AUTO)，则由系统自动完成认证。

　　3.3 财经学院SWPC方案测试效果分析

　　在预装客户端的手机上成功验证了通过SWPC控制GSM/WLAN选网的机制。根据SWPC服务器所设置的策略，控制终端是否弹出WLAN登录提醒，手机用户确认登录后自动完成WLAN接入和认证，并设置友好页面对用户的WLAN包进行流量提醒。如图5所示。

　　通过对财经学院全校师生进行SWPC客户端软件预装，统计该区域内WLAN网络优化覆盖和用户体验得到了明显提升：WLAN忙时在线用户数提升26.7%，峰值流量增长56.3%，GSM的高负荷压力得以有效缓解。SWPC的分流策略执行较准确，分流成功率达到75%，但还有优化的空间。同时对用户的数据业务体验提升显著，80%以上的体验用户认为手机上网速率更快。如图6所示。

　　4 结束语

　　本文通过基于四网协同“超级无线策略控制器”的构想，结合3GPP中ANDSF标准设计出了基于ANDSF服务器实现GSM与WLAN之间数据流量协同的方案，根据用户接入时两网的负荷等情况，为用户选择体验最佳的网络。该方案在西安财经学院(长安校区)进行了部署试点，并达到了智能分流GSM/WLAN数据流量的效果，对用户的感知提升明显。

　　基于SWPC方案仅实现了“超级无线策略控制器”构想的第一步：完成GSM/WLAN两网间的策略控制。后续随着TD-SCDMA和TD-LTE网络接口进一步集成，“超级无线策略控制器”的方案将进一步成熟并扩展到3G、4G网络，真正实现中国移动GSM/TD-SCDMA/TD-LTE/WLAN网络的四网协同。

　　参考文献：

　　[1] 3GPP TS 23.402. Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses[S]. 2011.

　　[2] 工业和信息化部电信研究院. 移动互联网白皮书[R]. 2011.

　　[3] 杨静. 基于ANDSF实现WLAN和蜂窝网间选网机制的增强[J]. 电信科学， 2012(5)： 99-103.

　　[4] 薛忠余. 一种ANDSF获取接入网动态信息的方法[J]. 信息通信技术， 2012(3)： 88-91.

　　[5] 张振专. 基于智能终端辅助的ANDSF网络选择机制增强[J]. 信息通信， 2013(1)： 174-177.

　　[6] 胡陶军，胡铮，苗杰. 基于WLAN与蜂窝网协同的终端选择算法[J]. 计算机工程， 2013(1)： 116-119.

　　[7] 张科. GSM与WLAN融合与分流部署策略研究[J]. 电信工程技术与标准化， 2013(2)： 23-28.

　　[8] 王少波，冯传奋，付宏志，等. GSM/TD与WLAN网络深度融合方案研究[J]. 电信工程技术与标准化， 2011(2)： 32-35.

转载请注明来自：http://www.yueqikan.com/dianzijishulw/52376.html