TD-SCDMA网络应对智能风暴的策略研究

（中国移动通信集团设计院有限公司广东分公司，广州 510623）

TD-SCDMA网络应对智能风暴的策略研究

陈勇辉

（中国移动通信集团设计院有限公司广东分公司，广州 510623）

全球智能终端的快速增长给移动网络带来了信令和流量冲击，中国移动TD-SCDMA网络也已经受到明显影响，文章结合TD-SCDMA现网业务承载特征、网络技术特点，提出采用提高接入能力和资源承载效率的新技术应对“智能风暴”，较好地解决了TD-SCDMA作为过渡性网络平衡好投资效益和满足一定时期业务需求的问题。

TD-SCDMA；智能风暴；新技术；组合策略

1 引言

全球移动智能终端的销量迭创新高，移动用户的话务模型也随之改变，几个重要的运营商都已经受到由智能手机引发的数据井喷、数据海啸的冲击，严重影响客户满意度，甚至导致网络故障。中国移动已经在全国启动大规模的4G网络建设，两期建设将实现全国主要数据业务热点全覆盖，TD-SCDMA网络已经被客观地定义为过渡性网络；既要严控投资、保证投资效益，又要满足客户业务发展需求，是当前TD-SCDMA网络投资建设的重点和难点。

2 现状和问题

2.1 智能风暴

中国智能手机市场在过去几年快速增长，2013年中国市场的智能手机销量达到了3.4亿台，比2012年增长了95.5%，据预测2014～2016年智能手机销量将分别达到4.2、4.8和5.4亿台。智能终端的操作系统、业务应用、话务模型都发生了巨大的变化，给移动运营商的网络带来信令和流量的巨大冲击。智能终端典型业务应用有如下几类。

2．1．1 即时类：小流量业务带来巨大的信令冲击

在线时间长、每小时流量100 kB，但是却产生80次左右的呼叫，每kB带来的信令影响巨大。

心跳周期180 s，每次心跳数据量750 byte；信息发送周期平均约30 s，数据量300 byte。

空口资源频繁释放，周期约为30 s，每次激活约5 s；实测每小时平均释放重建80次。

2．1．2 浏览类：信令和流量冲击相对均衡

浏览类业务，每小时流量3 000 kB左右，产生40次左右的呼叫，给网络带来了一定信令冲击。

页面打开3～ 10 s；1 000字左右的页面，阅读大概60 s左右。

每小时空口激活约40次。

2．1．3 流媒体和下载类：带来较大的流量

流媒体/下载类业务，每小时流量60～200 MB，产生1～15次的呼叫，给网络带来典型的流量冲击。

随着智能终端的增加，使用Push Mail、微博、IM、SNS、浏览网页、下载软件、视频点播等应用的终端不断增加，导致现网用户的话务模型偏离网络初期设计的话务模型，网络设计配置的各项资源无法支撑现网话务模型对应的信令负荷。当网络收到的终端信令请求超过了网络各项信令资源的处理能力，引发网络拥塞甚至雪崩效应，导致网络不可用，这就是信令风暴。iPhone等智能手机的自动休眠造成手机PDP激活/去激活次数超高，增加网络信令负荷，据统计8%的智能手机产生了55%的信令负荷，导致拥塞率增加、呼损率增加、网络质量下降、网络信令负载沉重。

2.2 TD-SCDMA网络存在的问题

传统3G网络更多关注大流量数据传输解决方案，例如长时间不中断的数据会话（视频会议等），但3G实际流量模型与当初设想大不相符；主流互联网应用为实现永久在线，采用UE向服务器频繁发心跳模式，信令流量大超预期呈几何级增长，带来危害逐步显现。

（1）根据现网统计，TD-SCDMA网络承载的业务中，80%以上均为数据业务。

由图1可见，手机QQ、微博等即时类小分组业务大量应用，导致数据业务构成发生了变化：单次传输的数据量较小、接入和释放频次较高、在线时间长但传送数据的时间很短（占空比低）、上下行传输的数据量较为对称；这样就导致了全网信令量的增幅远大于数据流量增幅。

（2）从网络侧分析，由业务占比决定了TD-SCDMA现网大多数载波均为HSDPA载波，HSDPA载波的时隙及码道配置如图2所示。

图1 TD-SCDMA现网承载业务分析

图2 HSDPA载波时隙及码道配置

表1 HSDPA载波上行接入能力

如表1所示，当上行初始速率为16 kbit/s时，HSDPA载波仅能同时接入6个用户，HSDPA载波上行时隙承载数据业务的能力较弱。HSDPA载波上下行时隙配比为2：4，上行仅为下行的一半，HSDPA载波上行时隙调制方式为QPSK，理论上最大带宽仅256 kbit/s（下行为1.68 Mbit/s），HSDPA载波上行时隙兼做业务信道及信令信道（伴随信道），进一步加剧了拥塞的可能。TD-SCDMA技术体制本身就决定了，HSDPA载波格外容易拥塞。

3 应对策略

智能终端带来的信令和流量冲击对TD-SCDMA网络而言是不断增长的压力，在技术受限的前提下，总体表现为资源不足，故扩容是一个良好的解决方案，但扩容也受频率资源和投资的限制。先看频率，中国移动TD-SCDMA可用频率有：A频段2010～2025 MHz，F频段1880～1900 MHz， E频段2330～2370 MHz（用于室内覆盖）；若要考虑预留F频段给TD-LTE使用，TD-SCDMA可用频率资源非常有限，根本无法满足业务需求。

中国移动TD-SCDMA网络经过多年建设，基站和载频资源都较为丰富，结合目前的特殊环境，推荐的应对策略是通过适当采用较低成本的新技术新功能充分盘活现有资源，以较小的投资获得整体较大的效益。针对现网的拥塞情况，在规划部分亟需的扩容载波资源后，推荐采用接入和承载的新技术组合应用策略，即（1）拓宽入口提高网络接入能力；（2）充分利用资源、提高承载效率应对智能风暴对网络的冲击。

3.1 提高接入能力技术

3．1．1 接入抢占

用户接入、切换、迁移时，如果目标小区资源不足，可以发起对已在线低优先级用户的资源抢占，优先对PS业务进行降速抢占，如果降速抢占无法满足抢占用户的需求，可以发起对低优先级用户的释放抢占；CS用户可抢占PS用户资源，VIP可抢占普通用户资源，接入PS用户可降速抢占在线PS资源。

开启接入抢占功能之后，网络拥塞改善明显，同时根据后台统计数据，网络接入能力增强（CS接通率由96.07%提升至97.84%，PS接通率提升了0.16%）、效益提升（话务量增长17.11%，流量增长8.42%）。

3．1．2 伴随信道帧分复用

由前文关于TD-SCDMA技术存在问题的分析可知，H载波接入用户数受限于下行的伴随信道数量，未开启帧分复用时，最多只能接入6个用户；伴随信道帧分复用技术即在伴随信道采用2倍、4倍帧分，理论上将最大接入用户数可提升2/4倍。

该技术主要突破了原有的最大接入用户数的限制，适用于现网单H载波用户数超过6的小区中应用，应用的效果首先提升了H载波最大在线用户数及平均在线用户数，同时改善了拥塞情况、提升了效益增加了PS域流量。

3．1．3 RRC信令帧分

图3 某地TD-SCDMA网络开启接入抢占功能前后拥塞率统计

现网的RRC信令一般采用非帧分的DCH进行承载，但是智能终端用户的信令需求非常高，导致大量R4载波资源被RRC信令占用，而R4资源有限，导致系统能够接入的用户数受限；通过采用RRC信令帧分技术，系统就可以接入更多RRC连接用户。当系统负载轻的时候，RRC信令一样通过普通的非帧分DCH承载；系统负载重的时候，RRC信令自适应采用帧分态资源接入，2倍帧分/4倍帧分可配。

3.2 提高资源承载效率技术

3．2．1 R4与H共载波

R4载波传统的2：4时隙配置对于承载上下行对称类业务（如话音）导致下行2个整时隙空闲，造成无线资源浪费，可将该2个下行时隙配置为HSDPA的相关时隙。应用表明该技术可以明显提升效益（PS域流量增加、话务量增加）、增加HSDPA用户数、提升利用率、改善拥塞情况。

3．2．2 基于负荷的DCCC

系统自适应判决各小区典型负荷场景，根据每种场景的负荷及特点为用户分配不同的上行最大速率，从而保证接入成功率，减少拥塞，可有效规避智能机信令风暴，提升小区流量、用户数和码资源利用率。高负荷时，PS降速，CS抢占PS业务，确保CS接入；低负荷时，升速快，降速慢，保障用户感知。高负荷时，升速慢，降速快，保障用户接入；整合上行资源分配，按照某个PS的最大上行进行资源分配裁剪；RRC拥塞触发负荷均衡到2G或者PS降速；根据业务测量，自动匹配状态和帧分复用系数。

3．2．3 增强CELL-FACH

通过信道重配置算法，当Best Effort类业务有较多数据需要传送且有资源可用的条件下，为该业务配置较大的信道带宽；当BE业务长时间处于低活动状态时，可以通过该算法将用户迁移到CELL_FACH或CELL_ PCH状态，有效降低网络负荷。CELL_FACH为多用户共享信道，单用户平均速率越小，能接纳承载的用户数目越多。按照目前每个FACH用户默认配置最小FACH流量为1 kbit/s（这里指当用户下行流量需求大于1 kbit/s 且还存在待接入FACH用户时最小限制用户流量为1 kbit/s，当用户实际需求流量更低时FACH流量允许更小），SCCPCH上配置3个RU计算，至少可以增加FACH上小速率在线用户数为16个。

增强CELL_FACH技术可以保证用户更好的传输体验，CELL_FACH状态非常适合用于“永久在线”类型的服务。以前的HSDPA中多在CELL_DCH下操作，而CELL_FACH技术允许在CELL_FACH，甚至是CELL_PCH和URA_PCH下使用HS-DSCH，从而增强了可能的速率。尤其对于少量的数据而言，短时间就可以完成而不需要转化到CELL_DCH状态。

3．2．4 自适应PS永久在线

现网PS不活动释放定时器时长配置为静态机制，对网络性能存在一定负面影响：定时器太长会导致用户一直占用系统资源，特别是DCH状态的用户，影响系统接入用户数；定时器太短，用户再次发起接入时，需要经过多次信令交互，一方面增加信令分担，另外一方面影响用户感知。自适应PS永久在线用户释放算法（如图4所示）针对用户不同状态和网络负荷，自适应调整用户释放时长，解决网络拥塞和感知下降问题。

图4 自适应PS永久在线用户释放算法

根据网络负荷自适应调整永久在线实际时长，不仅改善PS掉话率，更进一步缓解拥塞，提升用户感知。当小区负荷较高时，可以自动缩短用户的PS永久在线时长，及时释放码资源，保证用户感知；当负荷较低时，可以采用更长的用户PS永久在线时长，当用户有业务需求时，能快速响应，减少信令接入尝试次数，提升用户感知。

3．2．5 小流量业务识别及承载

通过有效识别小流量用户，合理规划业务承载信道，提升接入网络的用户数量，为大流量用户提供更多的网络资源，提升小区吞吐量。通过PDCP实体的实际流量来统计应用层速率，可以对应用层的速率做到精准的把握，从而使系统对于资源的使用做到精准化，提升用户感知和系统资源使用效率。不同业务速率和对应承载如表2所示。

表2 不同业务速率和对应承载

根据某地TD-SCDMA网络测试结果，RRC请求次数降低18.5%；承载效率提升64.2%，PS域接通率提升0.16%；数据业务平均在线用户数提升了17.07%。

3．2．6 业务帧分

采用动态的上行业务帧分算法解决上行用户数受限问题，当负荷较低时，RNC对用户不应用帧分速率，保证用户的感知；当负荷较高时，通过小包检测算法来识别小速率用户，并将这些用户使用帧分资源进行承载；当负荷拥塞时，强制未进入帧分速率的用户进行帧分状态，提高系统承载用户数，提升用户接入成功率。

3.3 辅助技术

在网络设备侧运营商具有绝对的话语权，可以随时根据需要应用各种新技术，但通过多年的市场推广，现网已经存在众多支持能力不一的终端，如不根据终端能力分配新技术应用，可能导致终端异常重启、接入失败、掉话等问题，影响客户使用和感知。

“IMEI跟踪分析及应用技术” 是无线网络控制在进行资源分配时，依据UE实际能力量身定制的最佳无线资源配置，基于IMEI定制用户优先级参数，对于TDSCDMA现网解决终端兼容性问题效果非常明显。同时，该技术可以保障高优先级终端用户感受，包括接入优先、空口资源分配等，提升业务感知，增加用户粘性；保障特殊场景下VIP用户，提高VIP用户AMR、VP业务质量，提高接入和切换成功率，提高PS业务的平均吞吐量；以及应对重要场合和应急场景的业务保障。

4 总结

本文通过智能终端快速增长的趋势以及其业务应用给移动网络带来的信令和流量冲击分析，结合TDSCDMA现网业务承载特征、网络技术体制缺陷、所处的特殊历史阶段，综合研究方案、投资和可行性分析，提出采用提高接入能力和资源承载效率的新技术应对“智能风暴”，并针对网络、终端情况提出必要的辅助技术。采用该组合技术的单位综合投资不到扩容载频的20%、新建载频的5%，解决了TD-SCDMA作为过渡性网络平衡好投资效益和满足一定时期业务需求的问题，能有效提升网络应对智能风暴冲击的能力。

[1] 段玉宏等． TD-SCDMA无线系统原理与实现[M]． 北京： 人民邮电出版社， 2007．

[2] 罗建迪等． TD-SCDMA无线网络规划设计与优化[M]． 北京：人民邮电出版社， 2010．

[3] 李世鹤． TD-SCDMA第三代移动通信系统标准[M]． 北京： 人民邮电出版社， 2004．

News

设计院代表中国移动在IEC TC106电磁辐射标准会议上发言

IEC（国际电工委员会）TC106工作组会议于2014年6月13～15日在南非开普敦召开，由来自澳大利亚、英国、加拿大、日本、法国、瑞典、南非以及中国等国家的代表，讨论了4G移动通信电磁辐射安全评估技术和方法。设计院研究所马文华博士代表中国移动参加会议，重点讨论了针对制式为TD-LTE的电磁辐射的安全评估方法、并向会议各位代表介绍了中国移动在电磁辐射监测网络建设方面取得的最新进展，该项目旨在通过向普通公众展示居民生活环境中的电磁辐射量值以降低公众对基站电磁辐射担忧。

设计院研究所从2004年初开始，就开始对集团电磁辐射工作进行了全面支撑，先后主导、参与并完成了十余项有关电磁辐射的国际、行业及企业标准，代表中国移动通信集团公司向IEC组织提出了TD-SCDMA基站电磁辐射安全评估方案，获得了IEC组织的采纳，目前该标准正在转化为中国国家标准。

Research on strategy of TD-SCDMA network with smart storm

CHEN Yong-hui
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Guangdong Branch, Guangzhou 510623, China)

The rapid growth of the global smart terminal brings signaling and traff c impact to the mobile network, China Mobile TD-SCDMA network has been signif cantly affected, in combination with TD-SCDMA network services carrying features and network technical characteristics, this article proposed to use new technologies to improve access capabilities and resource eff ciency to deal with "smart storm", solved the problem of TD-SCDMA as a transitional network balance investment eff ciency and a certain period business needs.

TD-SCDMA; smart storm; new technology; combination strategy

TN929.5

A

1008-5599（2014）07-0005-06

2014-03-18