IM类应用对移动网络的拥塞机制分析及应对策略

薛立宏，孟建庭，罗 毅，周 涛

（中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 概述

随着全球3G网络覆盖的完善和智能化终端的普及，移动互联网业务得到快速发展。移动互联网应用逐渐渗透到人们生活、工作的各个领域，图铃下载、移动音乐、手机游戏、视频应用、手机支付、位置服务等丰富多彩的应用，改变着信息时代的社会生活，给用户带来了巨大的方便和丰富的体验。据Gartner公司预测，到了2013年，43%的全球设备都将使用移动宽带，未来10年整个网络的流量将增加75倍，其中移动宽带的流量增长将超过2000倍。

这种趋势对电信运营商而言，既是机遇，也是挑战。一方面，移动互联网应用极大地拉动了数据流量，并带来相应收入的增加，同时促进移动网络向高速率、低时延、扁平化的方向演进；另一方面，移动互联网流量爆炸式增长也带来了一系列问题。

（1）网络投资和运营成本激增

移动互联网流量占用了大部分的运营商管道资源，造成网络投资成本和运营成本骤增，业务投入产出比下降；

（2）客户业务使用体验下降

粗放式、管道化运营模式，无法对不同业务提供差别服务，突发流量造成网络拥塞，导致用户业务访问时延超出极限，客户业务使用体验下降。

相对核心网络的光传输高带宽通道而言，由于移动网络无线频谱资源稀缺性、受频率干扰限制基站不可密集部署、单载波接入带宽能力等因素限制，无线空口的接入容量是“受限的”，因此，移动通信网络数据业务接入瓶颈点在无线空中接口。下面，本文结合现有应用的流量特征情况，重点研究IM类应用对无线空口的拥塞机制，同时结合现网的实际情况，在不同层面提出相应的应对策略。

2 IM类应用对移动网络的拥塞机制

2.1 移动应用流量特征

应用流量是用来定量地表示通信系统中各种设备或通道承受的负荷，也用来定量地表示用户对通信业务需求的程度，研究应用的流量特征及各应用之间组合模型可以最终评估网络的承载压力。单一应用的流量特征综合考虑该应用的业务特征和市场需求，业务特征考虑的因素主要包括：平均会话数据量（KB）、平均会话时间（s）、占空比会话平均速率（kbit/s）、通道速率（kbit/s）、会话中平均分组呼叫次数、分组呼叫数据量（KB）等，而市场需求因素主要考虑用户使用总量、业务的用户渗透率等。

下面，基于现有移动互联网应用的流量统计结果，初步评估不同应用通信网络可能造成的影响。以国内某省运营商某月度数据为例,见表1。

虽然手机视频类应用接入带宽要求为至少70 kbit/s，单日流量也比较大，相对而言，IM应用、网页浏览类应用接入带宽要求为15 kbit/s，但IM应用日平均会话时间较长，且用户数较多，因此对网络拥塞影响比较大。假设应用流量和会话时间对信令影响因素各占50%，将上述2项结果归一化，初步得到如下结论：IM类 （IM应用和SNS社区，如QQ和开心网）、门户浏览为代表的小流量长连接类应用是目前网络拥塞的主要应用形式。

小流量长连接型IM类应用的主要特点是：用户数量基数量大，单用户会话时间长。手机客户端以一定时间间隔向网络平台发送数据（或网络平台主动要求终端上报数据），单次发送数据的TCP或UDP净荷较小 （一般1 KB以下），流量呈现为突发、间歇性的短包，主要应用形式是IM即时消息、微博、M2M行业应用。小流量长连接型IM类应用为何是目前网络上造成拥塞的主要应用形式，接下来，结合其业务的注册过程和挂起过程，进行详细分析。

2.2 IM应用对移动网络的影响

（1）IM应用注册过程对网络的影响

在不考虑功率分配以及干扰的情况下，cdma20001x系统的接入容量受限于码资源，如图1所示。

如图1所示，最底层的码为1x Walsh Code，速率为9.6 kbit/s,可以承载一个语音业务，一共是64个，但其中导频信道、同步信道以及寻呼信道占用了3个1x Walsh Code，则一个cdma20001x载波理论上可承载61个语音用户。

对于数据业务而言，为了承载更高带宽业务，需要通过码道捆绑，如2×19.2 kbit/s）、4×（38.4 kbit/s）、8×（76.8 kbit/s）、16×（153.6 kbit/s）等。对于捆绑码道要求是连续分配，并且归属一个根节点，而公共信道码道是固定位置的。由此可以得出：理论上，单载波19.2 kbit/s用户数为25个，38.4 kbit/s用户数为11个，76.8 kbit/s用户数为5个，153.6 kbit/s用户数为2个，同时在不建立SCH情况下，可以使用一个FCH（速率为9.6 kbit/s），一共有 61个，并且以上都是前向链路速率。反向链路速率是根据终端的发射功率、要发送的数据大小、终端缓存大小等条件来确定反向链路速率。

表1 移动互联网各类应用流量

图1 cdma20001x码资源情况

因此，受前向链路码资源的限制，cdma20001x数据网络单载扇最多支持61个用户同时在线。根据运营经验，考虑到功率与干扰的影响，单载扇最多支持40个左右用户同时在线（此为语音业务仿真结果，前反向速率均为9.6 kbit/s）。而对于是移动IM等小流量长连接类型的业务，反向链路干扰将更大，单载扇可同时接入的用户数将会更低。如果大量激活移动IM等小流量长连接类业务，势必会导致热点区域（如校园内）cdma20001x数据网络的拥塞，此拥塞原因可能并非是话务量受限，而是并发用户数受限。

因此，在校园推广移动IM类业务，势必导致移动通信网络出现容量限制、网络拥塞的问题，引发的原因也就是码资源受限或者功率（干扰）受限。

（2）IM应用挂起过程对网络的影响

移动IM业务挂起（空闲状态）时会触发终端进入休眠状态释放空口资源，但应用为了保持状态更新，定期通过心跳信息刷新用户状态，在此过程中也会产生小流量，从而触发休眠状态到激活状态的反复迁移，占用一定时间的空口资源。以某运营商校园QQ类业务应用为例，统计发现：该校园所在地区的基站所有载频寻呼消息数目约为80000条/小时，每小时平均注册用户数为150个，每个智能手机每小时就产生533条寻呼消息，系统平均6.7 s就对用户寻呼一次，建立一次数据连接。下面，为了更好地了解移动IM业务挂起过程中对空口资源的占用情况，对某用户一段时间内移动QQ业务挂起过程中信令切换行为进行监测，测试结果见表2。

上述测试结果表明：移动QQ业务在挂起状态时，会频繁发生激活状态与休眠状态间的迁移，其处于激活状态占用空口业务信道时长的比例接近40%，同时，频繁从休眠状态到激活状态迁移，尤其在校园这种使用时间密集、使用人员密集的特定区域，会造成接入信道的拥塞。因此，移动IM类应用在挂起过程会极大地消耗空口业务信道和接入信道资源，从而导致无线空口的网络拥塞。

表2 QQ挂起状态网络活动分析

（3）流量经济效益

由于移动通信网络资源有限，在进行流量经营的时候，运营商非常关注单位流量产生的价值。为评估现有移动互联网应用流量所产生的收益，下面以一个典型用户的使用行为情况为例，从经济效益所产生的角度进行分析,具体情况见表3。

表3 典型用户流量行为

传统通信模式下，用户的主要话务就是短信、语音。随着移动互联网时代的到来，用户更多使用一些数据业务，如浏览网页、IM、微博等。下面以移动互联网中IM类用户典型话务行为为例 （此类用户的特征就是经常使用IM应用，基本代替了长途语音话务，且短信业务很大一部分被替代），对传统通信模式与移动互联网模式下，不同的用户话务行为所产生的收入进行初步分析，见表4。

深入分析其中原因，发现：传统通信模式下10元300条短信套餐用户转成移动互联网模式下15元80 MB数据用户，80 MB流量平均可以发送8000条消息，对用户而言，信息沟通能力扩大了25倍。对运营商而言，由于IM类消息对短信和通话都有一定替代效应，从而导致运营商收入下降。

另一方面，移动互联网用户每月80 MB流量统计中平均每月在线时长为60 h，相当于每天2 h。而用户每月300条短信，平均每天5条短信，大约占用2.5 min的网络资源，相对于传统的短信用户，转到数据用户后，对网络资源的消耗增加了约50倍。

因此，从移动互联网流量经济效益分析的角度看，随着带宽提升、互联网替代通信类应用的进入以及运营商间竞争的加剧，一方面运营商非话业务收入占比将进一步下降，另一方面总体收入面临下降的风险，运营商希望依靠流量增量的收入来弥补传统通信收入的下降还远远不够。

3 应对策略

3.1 技术策略

3.1.1 应用软件层面

从上面分析可知，应用软件的挂起过程中交互行为导致消耗大量的空口资源，因此，首先可以结合应用软件的实际情况，通过优化业务交互流程，降低频次和交互报文数量，从而减少对空口资源的占用，具体可以采取如下措施。

（1）网络平台侧，针对下行网络连接交互报文进行优化

精简合并网络通信协议，如通过新增拼包缓存逻辑将好友状态变化和消息都进行后台缓存拼包下发，减少下行包量；针对移动版本应用取消部分增值应用减少报文数量，在最新优化版本中将优化版本建议取消“好友上下线”的状态通知，以此降低对移动网络的冲击。

（2）客户端侧，针对上行网络连接交互报文进行优化

针对移动版本客户端取消用于维持TCP网络链接的心跳包；采取降低常用功能网络交互频率，尽量减少网络交互或增加网络交互延时等方式，如降低状态查询（心跳）频率，减少连接网络的频率。

（3）研究客户端与服务平台之间数据连接的心跳替代方案

采取匿名短信方式承载心跳（短信的无线空口接入效率比数据连接高）；建立网络和应用的信任机制，将网络记录的用户状态、位置信息、会话状态转换为心跳信息，传递到应用层，从而替代心跳。

在应用软件层面，初期可迅速采用客户端优化方案，如建议QQ心跳连接报改为10 min发送一次，但采用客户端优化方案网络拥塞状况很难有大改善，且延长心跳间隔会影响客户体验，故后期优化策略建议采用应用软件网络平台侧优化和心跳替代方案。

3.1.2 网络服务层面

移动网络资源是按需分配、分时使用，而移动互联网应用的设计是按照固网永远占用资源方式进行设计，如小流量长连接型应用中心跳连接过程会导致短包频发，从而引发长时间大量无效占用宝贵的无线网络资源。因此，运营商可以基于移动网络的特点，在网络服务层面采取如下措施进行引导和优化。

（1）网络休眠定时器优化

如在CDMA网络系统中，可根据业务情况调整Domancy定时器，在用户比较多的cdma20001x扇区，修改Domancy定时器时间间隔，避免业务信道长期占用。

（2）打造智能管道，网络感知应用，实现差异化接入

相对于目前粗放的纯管道方式，智能管道的目的是疏导、压缩和优化现有网络流量。通过在网络中引入PCC架构，基于资源灵活指配和定制化管理等技术手段，智能管道能实现端到端QoS控制，如按用户自助需求对带宽、时长、流量、服务等级等资源进行快速指配，提供业务自管理服务；按网络管理需求，对用户、业务所需资源进行定制化管理调配，包括分时段、按流量、分等级的精细管理等。

在网络服务层面，初期可采用网络休眠定时器优化措施优化长连接应用占用业务信道，从而间隔提升网络容量，但根本性措施是运营商需要逐步打造智能管道能力，利用网络实现对用户信息和业务的感知及标识，差异化通道实现对重点业务及用户个性需求业务的端到端质量保证，优化服务能力和流量价值，对资源消耗高、对其他业务影响大的业务流量进行管控。

3.1.3 无线接入层面

从上述分析可以看出，网络拥塞的主要原因在无线空间资源不足，因此有必要采取一系列措施优化现有无线接入手段，扩宽无线空口链路。

（1）优化提升现有空口参数配置

以CDMA网络为例，可以采用指配更多R-ACH、反向链路干扰消除（RLIC）、反向增强接入信道（R-EACH）等技术有效提升系统容量。在800 MHz容量不够时，采用2 GHz及以上频段扩大网络容量，如图2所示。

图2 空口信道接口优化提升方法

（2）可采用扇区小区化方式扩大系统容量

如在公众场合，将单载频单全向基站升级为多扇区基站，在家庭场合采用微蜂窝基站（femto）利用家庭中的固定接入带宽分类大网容量。如在cdma20001x数据网络扩容规划时，在估算话务量的同时更应该考虑网络允许的并发用户数。目前，普遍提出的网络扩容思路是基于每用户平均话务量估算网络容量，这没有解决校园的“朝夕效应”（即校园人流特点是白天过于集中在教学楼，晚上又过于集中在寝室楼），依此方式进行网络扩容，仍会有“不同载扇在不同时间段发生拥塞”的问题发生。因此，基于载扇的并发用户数进行扩容规划，可能会进一步增加投资，但仍无法避免网络拥塞问题的发生。

（3）采用WLAN分流移动网络流量

如中国电信专有的C+W融合技术，就可以通过公众场合的WLAN接入网络分流移动流量。C+W融合技术本质上将WLAN作为一种特殊形式的无线蜂窝，其鉴权认证方式完全采用现有移动网络方式，如图3所示。

从网络结构上看，wPDIF和RNC/PCF（无线网络控制器）处于同一位置，完成的功能也类似，区别在于RNC是接入的基于无线的用户，而wPDIF是接入的基于Wi-Fi宽带IP的用户。

3.2 资费策略

目前，数据流量套餐的计费方式主要有：按流量计费、按时长计费、按内容计费，其中按时间计费主要用于早期固网方式和移动网络建网初期，在移动通信网络中现已基本废除不用。

按流量计费是在使用的业务被接入网络后，按照实际产生的数据比特流来进行计费。从国外成熟运营商流量计费形式来看，主要有如下几种典型形式，见表5。

按内容计费方式是指运营商通过对用户使用的数据包进行过滤和分析，然后识别和区分出用户数据传送的内容种类和属性，并把相关信息传送到计费系统进行计费。按内容计费可以最大程度地实现灵活计费，满足业务发展要求，但目前由于技术成熟度的原因，在全网实施实现难度较大。

图3 C+W融合系统架构

表5 国外运营商主要流量计费形式

目前，国内运营商的数据业务流量套餐体系不是非常合理（如目前的校园营销套餐中主推无线上网流量，而大部分用户将流量用于移动IM等低价值类业务，从而导致校园地区网络拥塞），因此需要借鉴国外运营商经验，如在现有的套餐体系中考虑。

· 自营业务加入套餐体系，鼓励用户使用，包月使用流量不封顶；

· 独立第三方业务在调研基础上设置基本套餐，满足基本需求，在容量富余地区超出部分采取折扣优惠，在网络拥塞地区采取标准资费收费；

· 考虑语音、短信和数据业务融合套餐，一方面满足用户基本数据通信需求，另一方面引导用户通信时尽量采取传统的通信方式，从而防止传统通信业务量下滑；

· 在未来技术条件具备时，引入按内容计费形式。

运营商需要逐步优化现有的套餐体系，引导用户流向使用高价值的应用、自有业务应用，更多使用传统通信业务，从而提升网络价值。

另外，从日韩等运营商移动互联网战略来看，移动互联网业务平台化是大势所趋，如日本NTT DoCoMo主导的以I-mode为品牌的移动数据业务模式、国内中国移动Mobile Market模式等。因此，运营商应该通过应用下载、数字阅读、彩铃音乐、视频等基地的产业化运作，将用户吸引到运营商的平台上来，满足移动互联网“长尾”客户需求，同时通过跟这些领域中的优秀厂商合作，发挥各自的优势，以最小的流量成本获得最大的运营收益。

4 结束语

虽然随着传统语音通信市场的日趋饱和，移动互联网的发展给电信运营商带来了移动数据流量的巨大提升和一定收入提升，但总体上移动互联网应用流量带来的拥塞压力犹存，运营商管道化趋势难以避免，实施精细化流量经营是必然选择。因此，聚焦流量经营，通过应用软件功能改进、网络服务性能优化、无线接入分流及技术演进、市场营销引导合理消费等层面措施，延缓现网拥塞压力，避免沦为各服务提供商的纯数据传输管道，同时更好地关注用户移动互联网业务使用体验，是运营商需要持续研究课题。

1 3GPP2 C.R1002-B v1.0 cdma2000 evaluation methodology,December 2009

2 IEEE 802.16m-07/080.Evaluation methodology document

3 沈晶歆.移动互联网关键技术及典型业务产品研究.电信科学，2010（10）

4 李一明.移动互联网增值业务发展研究.电信科学，2010（10）

5 CNNIC.第 27次中国互联网络发展状况统计报告,2011