GSM网络数据流量容量极限研究

中国联合网络通信有限公司邢台市分公司 田宏新

1.前言

智能终端的普及，3G用户的大发展，为丰富多彩的手机应用软件带来了巨大的市场潜力，网页浏览、微博、微信等业务的飞速发展，使得用户无线数据业务需求急速增长。如今2/3G/4G网络并存，GPRS数据业务作为3G、4G网络的补充，需维持很长一个阶段，且GSM的数据业务一直在增长，邢台2013年数据业务比2012年增长100%。而运营商已逐渐停止了2G载频资源投资。在无线资源不变的情况下，2G数据总流量的增长应存在一个极限，本文即致力于结合数据统计与理论探讨，研究这个极限值的计算方法。

2.TBF建立与PDCH信道

2.1 无线数据业务接入原理

MS开机时处于GPRS的空闲状态，没有附着到GPRS移动管理功能上，无法识别GPRS网络。如果想和外部数据网络进行通信，如发送电子邮件或浏览网页时，首先要申请PDCH信道分配，通过ATTCH附着到GPRSs网络，再执行PDP上下文激活，分配到一个IP地址，然后才能进行数据传输，此时MS处于STANDBY状态。

数据业务传输的每一个上、下行数据单元(LLC PDU)，都被当成是独立的个体，需要通过TBF建立，分配到相应的PDCH信道上，才能实现LLC PDU的传递。

空口数据传输的速率由PDTCH的编码方式决定，EDGE上下行PDTCH可使用9种编码方式MCS1到MCS9，单时隙应用层最大下行速率为59.2kbps，EDGE采用MCS9这种最高编码时，理论峰值可以达到384kbps。MCS编码方式受无线环境和资源等多方面影响，初始编码由参数INIT_MCS控制，编码方式的转换由MEAN_BEP(平均比特误码概率)、CV_BEP(平均比特误码概率波动系数)和LA(系统内置链路编码速率适配表)控制。

2.2 TBF、PDCH的定义

TBF(Temporary Block Flow)：是指两个无线资源实体所使用的一个物理连接，以达到在PDCH上支持单向传递LLC PDU的目的。网络可以给TBF分配一个或多个PDCH信道。

一个TBF包含很多RLC/MAC块，用来承载一个或多个LLC PDU。网络给每一个TBF安排一个TFI(Temporary Flow Indicator)，用来唯一的标识一个TBF。在上行链路方向，规范中使用USF(Uplink Status Flag)，从而允许不同的MS动态复用一个无线块。USF包含在下行RLC/MAC块的块头内，当MS收到一个下行RLC/MAC块内的USF值与之前分配给手机的USF值相同时，MS就准备在上行链路的对应时隙进行上行RLC/MAC块的传递。TBF是代表用户的一个会话的开始和结束的标志。

PDCH(Packet Data Channel)：分组数据信道，是实现GPRS的最基本要素，是无线数据业务在空中接口上的承载逻辑实体，它和话音信道一样都是由GSM载频提供的。BSC中的功能模块PCU(分组控制单元)负责为PS业务用户分配PDCH信道。

在GPRS网络中有两种PDCH分配，一种是专用PDCH(Dedicated PDCH或FPDCH)，一种是动态PDCH(on-demand PDCH)。专用PDCH是只用于承载GPRS数据业务，不能用于承载话音业务，在定义专用PDCH之后，专用PDCH信道将固定占用PCU的GSL(GPRS SIGNALLING LINK)设备。由于专用PDCH不能承载话音业务，所以增加小区的专用PDCH将减少话音TCH信道的容量，在CS话务量升高时，会影响小区的拥塞程度。动态PDCH是在一定条件下由系统触发分配，当需要更多的PDCH用于承载PS业务时，系统会从CSD(Circuit Switch Domain)里面分配空闲的TCH作为动态PDCH。动态PDCH只是临时分配给GPRS用户使用，当没有TBF在上面传送时，它会返回PSD(Packet Switch Domain)，如果在一定的时间内没有传送数据，它将返回电路域。

2.3 PDCH与TBF的关系

一个PDCH上可以同时复用多个TBF，最高复用TBF的个数可以由小区级参数MAX_UL_TBF_SPDCH、MAX_DL_TBF_SPDCH(一个SPDCH上允许建立的最大上、下行TBF数)来控制。这里可以引入PDCH复用度的概念，(PDCH复用度=下行平均并发TBF数/占用的PDCH的平均数目)来反映PDCH信道上TBF的复用情况。

一个TBF也可以同时占用多个PDCH信道，可以通过参数MAX_PDCH_PER_TBF(Ater负荷为正常时，单一TBF分配PDCH数最大值)来调整。

用户的TBF向PDCH分配时，不同厂家的分配方式不同。有的厂家采用平行算法，直接向所有PDCH信道分配，由于单个PDCH上的TBF并发数是有限制的，如果PDCH的上行或下行并发数满载，新TBF无法接入，需要调整PDCH信道的配置，这个过程需要一定的时间和算法，这也会对用户的感知受到一定影响；另外一种是垂直算法，即预留出一定的PDCH，为新进入的用户预留，但用户又不能得到最佳的带宽。

2.4 PDCH承载效率的引入

PDCH承载效率(Kbps)=[上下行总流量(MB)*8*1024]/[PDCH平均占用数*3600]。

PDCH承载效率描述的是网络的PDCH信道资源与单位时间段产生流量之间的关系，也可以理解为PDCH信道平均占用的速率。PDCH资源不变的情况下，随着流量的增长，网络整体的PDCH承载效率会逐渐提高，由于PDCH承载效率的极限值无法直接预估，无法由此预估流量增长极限。

3.流量极值研究

3.1 TBF占用与理论流量极限

设：S=总流量(KB) P=PDCH平均占用数T=TBF建立次数

由于每次TBF的建立有一个过程，而TBF释放时还有释放时延，虽然占用PDCH信道，无法产生有效流量，也就是说每次TBF建立尝试和释放都有一定的无效时间。下图为TBF释放的示意图(其中T3192指手机在下行TBF释放后，网络可直接在PACCH发送下行立即指配消息的时延)，根据TBF的建立流程及TBF释放相关参数，该无效时间约2s(Alcatel)。

(其中T3192指手机在下行TBF释放后，网络可直接在PACCH发送下行立即指配消息的时延。)

图1 TBF释放示意图

理论上单TBF使用最高编码(单时隙应用层最大下行速率为59.2kbps)，持续下载数据时，可达到极限流量，而每次TBF建立尝试和释放都有一定无效时间，因此在PDCH资源不变的情况下，当TBF建立趋于饱和时，TBF建立的次数越多，产生的无效时间就越长，从而导致有效流量和PDCH承载效率的逐渐降低。因此在极限情况下，总流量随TBF建立次数的增长将呈现为一条下降趋势的直线。

不定式一：

S=(P-(T*2/3600))*(59.2/8)*3600

3.2 实际数据分析TBF建立与流量的关系

随着数据用户和业务的增长，网络流量持续在增长。根据现网各BSC一段时间内的TBF建立成功次数与产生的流量，拟合出TBF建立次数与流量的关系，总流量随TBF建立次数的增长呈现为线性增长趋势。

不定式二：S=1.349T-11729

图2 BSC建立TBF次数与产生流量的散点图

由于数据流量的增长，不仅受空口资源的限制，还受GP负荷、Gb口负荷、G-Ater口负荷等多种因素影响，随着TBF建立数的增长，流量的增长体现出非线性。流量在研究空口流量极限时，应对以上数据有所修正。可以只筛选现网TBF建立成功率较好BSC为采样，拟合公式如下：

不定式三：S=1.512T-32658

图3 较好BSC建立TBF次数与产生流量的散点图

3.3 流量极限值计算

汇总比不定式一和不定式三，组成二元一次方程组，不定式一为随T增长下降的直线，不定式二位随T增长上升的准直线，两条线的交点即是流量极限值。

S=(P-(T*2/3600))*(59.2/8)*3600

S=1.512T-32658

上式中P为PDCH平均占用数，随流量增长变化不大，可作为一个常量，由此可解出当前网络的流量增长极限S_max以及对应TBF建立次数T。再由S_max和P可求出当前网络的PDCH承载效率极限值。

PDCH承载效率_max=[S_max*8]/[P*3600]

4.流量极限研究的意义及延伸

4.1 效益评估

目前运营商的无线数据业务都是根据流量包计费的，通过对现网流量极限的研究，可以对2G数据网络的效益增长极限直接进行预算。

4.2 数据网络饱和预警

随着2G数据业务需求的增长，数据总流量逐渐偏离线性增长，用忙时的总流量对比流量的增长极限，可以设定2G数据增长的饱和预警值，对全网数据服务质量进行预警。当数据流量趋于饱和预警值时，可通过2、3G互操作，临时资源调整、临时参数调整等手段进行干预控制。

4.3 极限值算法的偏差

通过本方法计算网络流量增长的极限值，是根据理论上TBF建立增多导致的无效占用时长增加，结合现网TBF建立与流量之间的散点图计算而得。由于无线数据业务还受到有线资源的限制，无线质量的影响等，编码方式也不会100%达到MCS9，而单个TBF建立的无效时间也是结合参数设置得出的经验值，因此最终结果和真实情况会存在误差。

[1]韩冰杰.GSM原理与网络优化[Z].河北移动公司BSS培训教材初稿.

[2]韩冰杰.GPRS原理与网络优化[M].机械工业出版社.

[3]段安石,张建奎,沙国益.无线网优参数集(GSM阿朗)V2.3.0-B11[D].上海贝尔阿尔卡特大学.

[4]BSC COUNTERS CATALOGUE B12[Z].上海贝尔阿尔卡特大学.