常在线数据业务对网络资源影响研究分析报告.docx
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常在线数据业务对网络资源影响研究分析报告
常在线数据业务对网络资源影响研究分析报告
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1概述
常在线数据业务特性研究中，深入研究了三种典型业务的业务模型和信令模型，本文将基于特性研究的成果，量化研究EVDO网络资源的容量，量化研究三种典型业务对网络资源的影响。
研究方向包括：
Ø承载信令的信道，前向同步控制信道、前向异步控制信道、反向接入信道；
Ø干扰受限，反向ROT；
ØMACIndex；
Ø时隙。
2承载信令的信道研究
随着移动互联网的迅猛发展及智能终端的普及，信令风暴问题成为迫切关注的问题，三种常在线数据业务中，只有小流量频繁连接业务信令交互频繁，信令风暴问题的研究将基于此类业务，主要以在智能终端上应用QQ业务为对象。
在研究承载信令的信道前，首先需知道在控制信道和接入信道究竟发送那些消息。
1.固定发送的开销消息：
Ø每个控制信道周期，AN都在同步控制信道上发送QuickConfig、Sync；
Ø每两个控制信道周期，AN都在同步控制信道上发送AccessParameters、SectorParameters，且这两条开销消息间隔发送；
Ø中兴设备每四个控制信道周期，AN都在同步控制信道上发送BroadcastReverseRateLimit。
2.不固定发送的消息，分session协商、主叫、被叫三个阶段讨论：
Øsession协商阶段：
一般发生在用户开机和跨子网切换时，与后两种情况相比，信令发送量很少，可以忽略；
Ø主叫阶段：
在接入信道上发送RouteUpdateMessage和ConnectionRequestMessage，在前向异步信道上发送ACACK、TrafficChannelAssignment两条消息；
Ø被叫阶段：
在同步控制信道上发送Page消息，在接入信道上发送RouteUpdateMessage和ConnectionRequestMessage，在前向异步信道上发送ACACK、TrafficChannelAssignment两条消息。
2.1控制信道资源
控制信道包含同步控制信道、子同步控制信道，异步控制信道。
在中国电信CDMAEVDO网络中，若未开通Q-chat业务，只有同步控制信道和异步控制信道。
协议规定一个控制信道周期内只能发送一个同步控制信道包，可调用多个MAC层包，可发送多个子同步控制信道包和异步控制信道包。
一个控制信道周期为256个时隙，约426毫秒，图2-1给出了控制信道包分类与传输的示意图。
图21控制信道包的分类与传输
协议中对同步控制信道包和异步控制信道包的传输时间分别进行了规定，具体如下：
A：
同步控制信道包传输时间T满足：
T%256=Offset，传输该同步控制信道包的第一个MAC层分组包；
T%4=Offset，传输其该同步控制信道包的其他MAC层分组包；
B：
子同步控制信道包传输时间T（单位是时隙）满足：
T%4=Offset，并且T%256≠Offset
C：
异步控制信道包传输时间T满足：
在没有传输同步控制信道包及子同步控制信道包的时刻传输异步控制信道包；
2.1.1同步控制信道
同步控制信道传输格式有：
[256，4，1024]（38.4kbps），[512，4，1024]（76.8kbps），[1024，16，1024]（38.4kbps），[1024，8，512]（76.8kbps），在中国电信CDMAEVDO网络中同步信道传输格式为76.8kbps（[1024，8，512]），将根据这种传输格式深入研究同步控制信道利用率及同步控制信道容量。
2.1.1.1同步控制信道资源分析
2.1.1.1.1同步控制信道时隙利用率
根据高通芯片接口协议描述，一个控制信道周期，若同步控制信道速率为76.8kbps，可调用1-7个MAC包，传输7个MAC包最多需7*8=56个时隙，而一个控制信道周期为256个时隙，同步控制信道的时隙利用率为56/256=21.875%，但是高通公司给出最新解释：
一个控制信道周期，最多可调用8个MAC包，时隙利用率可达25%。
由于高通提供的芯片接口协议未更新，一些厂商在实现中，每控制信道周期最多仍只调用7个MAC包，本文研究将沿用芯片接口协议的规定。
图表21高通6800芯片驱动协议描述
图表22高通6850芯片驱动协议描述
2.1.1.1.2同步控制信道极限容量
一、消息长度计算方法
在未使能子同步控制信道时，每个控制信道周期最多发送7个MAC包，从MAC层推算同步控制信道最大容量。
一个格式为[1024，8，512]（76.8kbps）的同步控制信道包：
Ø物理层包长度为1024比特，其中包含16个比特的帧校验，6个比特的尾比特；
ØMAC层包长度为1002比特，其中包含8个比特的控制信道包头，2个比特的保留比特，pad为填充比特，都为“0”，在MAC层添加填充比特为保证控制信道物理层包长度为1024比特。
图22同步控制信道包物理层格式
图23同步控制信道MAC层格式
通过前文的协议分析可知，在MAC层可以有效传输开销消息和寻呼消息的字节数为1024-16-6-8-2=992比特。
三家设备厂商实现时，采用两种控制信道周期发送开销消息，AccessParameters消息和SectorParameters消息分别错开发送，而Sync、QuickConfig消息则在每个控制信道周期内都发送，寻呼消息在剩余字节封装。
计算出开销消息和寻呼消息的MAC层包长度，就可得出单载扇每控制信道周期最多能发送多少条寻呼消息，在中国电信CDMAEVDO网络中，Sync、AccessParameters两条消息长度固定，QuickConfig和SectorParameters两条消息长度可变，SectorParameters消息长度变化较大，与邻区及异频邻区个数、是否包含搜索窗信息等有关，由于EVDORevA只支持单用户寻呼，寻呼消息长度固定。
表格21同步控制信道消息体大小
消息名称
消息体大小（单位Byte）
QuickConfig
26（最大）
Sync
8
AccessParameter
13
SectorParameter
210（最大）
Page
1
BroadcastReverseRateLimit
3
控制信道开销消息封装过程如下图，应用层、流层、会话层、连接层、安全层、MAC层逐层封装，添加该层包头，再加上16bit的帧校验位，6bit尾比特，封装成控制信道物理层包。
图24开销消息封装过程
开销消息封装时，每层添加的包头长度如下表：
表格22开销消息每层包头
封装开销
长度（bit）
备注
SNPHeader
8~16
取决于消息的协议类型值，如果协议类型值多于7位，则总长度为16位
SLP-DHeader
1~9
可靠传输为9位
SLP-FHeader
5~14
如果消息分成几个MAC包传输，则为14
StreamHeader
2
Session
0
ConnectionHeader
8
Security
0
MACHeader
16~48
如果是单播消息，则是48位；广播则是16位
CCHeader
8
Reserved
2
FCS
16
TAIL
6
1.寻呼消息长度（MAC层）
每条寻呼消息只能寻呼一个AT，EVDO寻呼消息与CDMA1X不同，具体的形式不是将用户ID携带在寻呼消息中，而是将被寻呼AT的ID放在CCMAC的包头中，AT的ID为BATI，共16bit。
寻呼消息从SNP到SLP、Stream、PCP再到MAC逐层添加包头，如图表2-3所示，而且MAC层分为MAC包头和CC包头，CCMAC包中2个保留比特，物理层22bit帧校验和2bit尾比特。
图表23寻呼消息逐层添加示意图
2.QuickConfig+Sync+AccessParameters
发送QuickConfig+Sync+AccessParameters控制信道周期，三条开销消息封装在一个MAC包中，用一个控制信道包头（8bit）和保留位（2bit），QuickConfig消息最大256bit，三条开销消息MAC层最大520bit，只传三条开销消息时，MAC层包长度为530bit，包含8bit的控制信道包头，2bit的保留字节。
表格23APM、Sync、QC消息长度
Field
APM
Sync
QC
MessagePayload
13*8
8*8
26*8（最大）
SNPHeader
16
16
16
SLP-DHeader
1
1
1
SLP-FHeader
5
5
5
StreamHeader
2
2
2
Session
0
0
0
ConnectionHeader
8
8
8
Security
0
0
0
MACHeader
16
16
16
CCHeader
8
Reserved
2
FCS
16
TAIL
6
通过现网抓包验证理论推算结论，抓包发现在只发三条开销消息时，MAC层包大小为66byte，即528bit，包含8bit的控制信道包头。
图25QC、Sync、APM消息长度
三家设备厂商针对QuickConfig消息处理机制不同：
1）华为设备：
在QuickConfig消息中写入每个MACIndex占用情况，MACIndex分配原则从大到小，用fwd_traffic_valid[n]和fwd_traffic_valid_127_to_64[n]标识，大小为1字节，QuickConfig消息固定为256bit；
2）中兴设备：
在QuickConfig消息中只写入已占用MACIndex前所有MACIndex占用情况，MACIndex分配原则也是从大到小，例如已占用的MACIndex最小为104，QuickConfig消息中只有MACIndex127至MACIndex104的占用情况，用相同字段标识MACIndex占用情况，QuickConfig消息长度小于256bit；
3）上海贝尔设备：
与中兴设备处理机制相同。
3.QuickConfig+Sync+SectorParameters
发送QuickConfig+Sync+SectorParameters控制信道周期，SectorParameters消息大小可变，若使用最大的SectorParameters消息，三条开销消息MAC层长度为2119bit，若三条开销消息长度之和超过MAC层有效传输消息字节数（992bit），不同厂商处理机制不同，将在后文论述。
若MAC包中只封装QuickConfig和Sync消息，理论推算MAC层长度为378bit，包含8bit的控制信道包头，2bit的保留字节。
表格24SPM、Sync、QC消息长度
Field
SPM
Sync
QC
MessagePayload
210*8（最大）
8*8
26*8（最大）
SNPHeader
16
16
16
SLP-DHeader
1
1
1
SLP-FHeader
14*2
5
5
StreamHeader
2
2
2
Session
0
0
0
ConnectionHeader
8
8
8
Security
0
0
0
MACHeader
16
16
16
CCHeader
8
Reserved
2
FCS
16
TAIL
6
通过现网抓包验证理论推算结论，抓包发现在只传QuickConfig和Sync消息时，MAC层包大小为47byte，即376bit，包含8bit的控制信道包头。
图26QC、Sync消息长度
三家设备厂商针对SectorParameters消息处理机制不同：
1）华为设备：
没有每个邻区的搜索窗大小（nghbr_srch_win_size）及搜索窗偏置（nghbr_srch_win_offset）。
Ø优点：
SPM消息较小，节省资源。
Ø缺点：
搜索窗的信息只能在session协商阶段AN与AT协商，一个AN下所有基站的搜索窗大小需相同，在优化阶段，无法灵活调整；
2）中兴设备：
没有每个邻区的搜索窗大小（nghbr_srch_win_size）及搜索窗偏置（nghbr_srch_win_offset）。
Ø优缺点同华为设备；
3）上海贝尔设备：
带有每个邻区的搜索窗大小（nghbr_srch_win_size）及搜索窗偏置（nghbr_srch_win_offset）。
Ø优点：
在优化阶段，可灵活优化每个扇区的搜索窗；
Ø缺点：
SPM消息较大，分析现网数据发现，在20条同频邻区及8条异频邻区情况下，一个MAC包中只有一条SPM消息，大小120byte，即960bit。
图27SPM消息长度
二、单载扇极限寻呼容量
三家设备厂商处理开销消息和寻呼消息机制略有不同，导致同步控制信道极限容量稍有差异，分设备厂商研究同步控制信道容量。
1.华为公司设备
华为设备开销消息处理机制：
采用两种控制信道周期，AccessParameters消息和SectorParameters消息错开发送，Sync、QuickConfig消息在每个控制信道周期内发送，其中开销消息优先级最高，最先发送开销消息。
图28华为设备开销消息发送时序
理论分析华为设备的寻呼容量：
1）发送QuickConfig、Sync、AccessParameters周期：
第一个MAC包封装QuickConfig、Sync、AccessParameters、Page，剩余六个MAC包都封装Page，则：
最大寻呼消息次数=INT（（992-三条开销消息长度）/Page消息长度）+6*INT（992/Page消息长度）=INT（（992-520）/80）+6*INT（992/80）=77条。
2）发送QuickConfig、Sync、SectorParameters周期：
理论极限分析：
若SectorParameters最大，为1751bit。
SectorParameters消息将拆到两个MAC包中发送，方法为：
第一个MAC包只封装QuickConfig、Sync，SPM分片发送，分别封装在第二个MAC包和第三个MAC包，由于SPM优先级高于Page，Page不能放在SPM前，所以第一个MAC包只封装QuickConfig、Sync，不封装Page，第三个MAC包剩余字节封装Page，第四至第七个MAC包都用来封装Page，则：
最大寻呼消息次数=INT（（992-（1751-992））/80）+4*INT（992/80）=50条。
由于每个终端的寻呼消息在12个控制信道周期（即5.12秒）中，只在特定offset发送一次，如果未发送就会等待下一个周期发送，而AN的第二条寻呼消息会发送过来，于是丢弃前一条寻呼消息。
上述同步包组合：
“AccessParameters+Sync+QuickConfig”和“SectorParameters+Sync+QuickConfig”间隔发送，取能够支持发送的寻呼消息数为Min（77，50）=50。
现网极限分析：
通常华为设备的SectorParameters消息没有携带全部字段，在北京抓包发现，一条含有27条邻区的SectorParameters消息，大小只有90byte（720bit），小于992bit。
通常情况，一个MAC包足以容纳一条SectorParameters消息。
若SPM小于624bit，第一个MAC包中封装QuickConfig、Sync、SectorParameters及Page消息，若SPM大于624bit，小于992bit，由于开销消息优先级最高，第一个MAC包只封装QuickConfig、Sync两条消息，第二个MAC包封装SectorParameters消息和Page消息，考虑现网极限情况，SectorParameters独占一个MAC包，则：
最大寻呼消息次数=5*INT（992/Page消息长度）=5*INT（992/80）=60条。
取能够支持发送的寻呼消息数为Min（77，60）=60。
理论极限情况每秒支持最多的Page消息数量为：
每秒最多发送Page消息数量=50*（1000/（256*1.667））=117条/秒。
现网极限情况每秒支持最多的Page消息数量为：
每秒最多发送Page消息数量=60*（1000/（256*1.667））=140条/秒。
以1秒为颗粒度已经很精细，可以认为每载扇最多同时发140条寻呼消息。
2.中兴公司设备
中兴设备开销消息处理机制：
同样采用两种控制信道周期，但是中兴设备在同步控制信道多发一条消息，即BroadcastReverseRateLimit消息，用作反向速率控制，这条消息长度约10byte，即80bit，间隔两个控制信道周期发送，可能在发送QuickConfig、Sync、APM周期发送，也可能在发送QuickConfig、Sync、SPM周期发送。
图29中兴设备开销消息发送时序
理论分析中兴设备的寻呼容量：
1）发送QuickConfig、Sync、APM、BroadcastReverseRateLimit周期：
QuickConfig优先级最高，在第一个MAC包中最先封装QuickConfig消息，在第一个MAC包的剩余字节和其他MAC包封装Page消息，然后封装Sync消息，然后封装APM消息，最后封装BroadcastReverseRateLimit消息，则：
最大寻呼消息次数=INT（（992-256）/80）+5*INT（992/80）+INT（（992-152-112-80）/80）=77。
2）发送QuickConfig、Sync、SPM、BroadcastReverseRateLimit周期：
QuickConfig优先级最高，在第一个MAC包中最先封装QuickConfig消息，在第一个MAC包的剩余字节和其他MAC包封装Page消息，然后封装Sync消息，然后封装BroadcastReverseRateLimit消息，最后封装SPM消息，SPM消息不分片封装，只占一个MAC包。
最大寻呼消息次数=INT（（992-256）/80）+4*INT（992/80）+INT（（992-112-80）/80）=67次。
取能够支持发送的寻呼消息数为Min（77，67）=67。
理论上每秒支持最多的Page消息数量为：
每秒最多发送Page消息数量=67*（1000/（256*1.667））=157条/秒。
每载扇最多同时发157条寻呼消息。
3.上海贝尔设备
上海贝尔设备开销消息处理机制：
与中兴设备基本相同，只是不发BroadcastReverseRateLimit消息。
图210上海贝尔开销消息发送时序
理论分析上海贝尔设备的寻呼容量：
1）发送QuickConfig、Sync、APM周期：
QuickConfig优先级最高，在第一个MAC包中最先封装QuickConfig消息，在第一个MAC包的剩余字节和其他MAC包封装Page消息，然后封装Sync消息，最后封装APM消息，则：
最大寻呼消息次数=INT（（992-256）/80）+5*INT（992/80）+INT（（992-152-112）/80）=78；
2）发送QuickConfig、Sync、SPM周期：
QuickConfig优先级最高，在第一个MAC包中最先封装QuickConfig消息，在第一个MAC包的剩余字节和其他MAC包封装Page消息，然后封装Sync消息，最后封装SPM消息，根据现网数据分析未发现SPM消息分片封装情况，只占一个MAC包。
最大寻呼消息次数=INT（（992-256）/80+4*INT（992/80）+INT（（992-112）/80）=68。
取能够支持发送的寻呼消息数为Min（78，68）=68。
理论上每秒支持最多的Page消息数量为：
每秒支持最多的Page消息数量=68*（1000/（256*1.667））=159条/秒
每载扇最多同时发159条寻呼消息。
4.三种开销消息处理机制对比
华为开销消息处理机制：
开销消息优先级最高，同步控制信道容量稍受影响，每秒钟支持的寻呼消息数量比其他厂商少17条左右，降低10%左右，但是终端在连接状态时，解调前1-2个MAC包即可，终端耗电量较少；
中兴开销消息处理机制：
同步控制信道利用率最高，除了QuickConfig消息外，寻呼消息优先级最高，终端在连接状态时，需解调包含开销消息和寻呼消息的所有MAC包，终端耗电量比华为机制多；
上海贝尔开销消息处理机制：
与中兴基本相同，优缺点一致。
2.1.1.2常在线数据业务对同步控制信道的影响
根据前文信令模型的研究，在智能终端上应用QQ业务信令交互最为频繁，研究QQ业务对控制信道容量的影响，需同时考虑到寻呼机制。
2.1.1.2.1现网寻呼容量分析
考虑业务突发情况，分析控制信道利用率峰均比，研究每小时支持平均寻呼次数，峰均比为最大同步时隙占用率除以平均时隙占用率。
分析东南沿海某省一个中等城市的话务统计数据，发现DO控制信道平均时隙占用率“峰均比”大部分都分布在（1,3）之间，平均峰均比为：
2.2。
图211某中等城市DO控制信道占用率“峰均比”
分析该省一个发达城市的话务统计数据，发现一个BSC平均每秒寻呼8.36次，过滤掉TOP2%的每秒寻呼次数，98%的时间段最大每秒寻呼19次，峰均比2.27，与全网话务统计结果接近，约为2.2，为保证业务质量，取峰均比为2.5。
图212某发达城市每秒寻呼请求尝试次数
峰均比为2.5，每小时平均寻呼消息数=每秒支持的最大Page消息数*3600/2.5，可得出：
Ø华为设备每小时平均寻呼消息数=20.2万条
Ø中兴设备每小时平均寻呼消息数=22.6万条
Ø上海贝尔设备每小时平均寻呼消息数=22.9万条
2.1.1.2.2常在线数据业务对同步控制信道的影响
三种常在线数据业务中，只有小流量频繁连接业务对同步控制信道有一定冲击。
以智能终端上应用QQ业务为例，每用户1小时连接85次，被叫比例55%，被叫次数为85*55%=46.75次每小时，0.013次每秒。
1）基于AN寻呼
寻呼机制为AN寻呼时，所有寻呼在一个AN下所有基站发送，且AN下有单载频基站（由于上海贝尔设备寻呼在一个基站下所有载频寻呼，无此限制），采用三次寻呼，假设第一次寻呼成功率90%，第二次寻呼成功率75%。
假设一个AN一天在线用户数M万，智能终端比例为α，QQ业务忙时渗透率为η，峰均比为γ，QQ用户忙时激活比例为β（智能终端），则：
忙时持续激活QQ用户数（智能终端）=M*α*η*（γ/24）
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