基于S1-MME/S1-U信令的LTE网络生态分析系统及应用

吴栩欣，罗骁茜，陈伟栋

（1 中国移动通信集团广东有限公司佛山分公司, 佛山 528000；2 中国移动通信集团广东有限公司, 广州 510623)

随着4G网络规模、用户数量壮大，提升4G用户的移动互联网感知受到运营商越来越多关注。然而目前如何能够在LTE网络下均衡网络流量、研究用户行为和习惯，提供多维度、差异化的业务质量和服务，提高端到端质量和速率仍缺乏必要手段。利用Gb/Iu-ps信令可实现基于客户感知的2G/3G网络移动数据业务分析、投诉处理和市场支撑[1]，通过双信令仪采集A口信令极大地缩小了寻呼问题分析范围[2]；利用七号信令监测系统可对网间信令、回拨业务、日常话务、工程建设和日常投诉等工作起到很好的分析支撑作用[3]；对网络信令流程、信令数据分析得出了信令风暴的成因及对网络质量造成的影响[4]；信令技术对实时数据业务精确营销提供数据支撑[5，6]；在3G/LTE系统使用信令技术实现智能动态批价[7]；通过将信令技术结合运用于IEEE 802.16网络的服务质量（Quality of Service, QoS)模型[8]。文献[1]![8]都运用信令作为分析和解决问题的辅助手段。针对现状，本文提出了基于S1-MME/S1-U信令的LTE网络生态分析系统，并通过具体应用来体现该系统的有效性和实用性。

1 基于S1-MME/S1-U信令的LTE网络生态分析系统

基于S1-MME/S1-U信令的LTE网络生态分析系统最基础的资源是LTE网络的S1-MME/S1-U信令，通过信令数据从网络、终端、业务和用户等多维度分类分析，实现LTE网络生态分析；通过对网络指标、会话流量大小和速率高低等评估，可及时发现网络质量波动，从而发现网络、业务或者终端的某些问题或隐患,系统概况如图1所示。

1.1 系统硬件架构

系统硬件架构包括数据采集层、编解码及数据共享层和应用呈现层，通过在网络多个接口进行信令采集后，使用分布式服务器集群来实现数据源的存储和处理，如图2所示。

图1 基于S1-MME/S1-U信令的LTE网络生态分析系统

1.2 系统软件架构

如图3所示，系统软件架构包括4层：

（1）采集解码层主要有信令采集、协议解码、会话关联等功能获取原始数据。

（2）数据处理层主要有原始信令存储、XDR话单生成、数据入库和形成表格等功能对原始数据完成统计分析前的处理，为数据完整性和准确性提供保证。

（3）业务服务层包括查询统计、文件和报表管理、安全和系统维护等功能，为系统稳定运行提供保障。

（4）应用呈现层包括端到端质量分析、客户感知分析、终端分析等模块，实现多维度多角度的分析呈现，为体现网络生态状况提供数据支持。

图2 基于S1-MME/S1-U信令的LTE网络生态分析系统硬件架构

1.3 系统的特色和适用范围

多维度场景式的网络性能指标分析：针对自定义场景进行数据业务控制面承载性能（网络接入性、网络保持性、小区性能等）指标，数据业务业务面性能（业务接入性、业务完整性、彩信业务、网页浏览业务、微博业务、普通下载等）指标分析；针对自定义场景进行用户行为分析（业务、流量、请求数、用户数）。自定义场景包括：特定时间、特定区域（特定eNode B、特定批量小区）、特定批量用户、特定终端类型。

多角度业务质量分析：支持基于信令的各类业务速率情况分析；支持基于信令的各类业务分组丢失重传情况分析；支持统计各类业务在不同网元的速率情况以达到快速定位速率低网元的目的。

图3 基于S1-MME/S1-U信令的LTE网络生态分析系统软件架构

异常信令辅助故障分析：支持基于信令异常的故障定位分析；支持基于信令异常结束流程的故障定位分析；统计各类故障在各网元出现的比例以帮助分析人员快速定位故障集中的网元。

2 应用实例

通过基于S1-MME/S1-U信令的LTE网络生态分析系统统计2014年8月佛山LTE网络下视频业务的数据发现，在晚忙时优酷视频业务速率低于1 000 kbit/s。进一步分析发现主要是某个IP地址段的优酷视频业务速率明显偏低导致，如表1所示。

为了定位具体原因，我们将该IP地址段的优酷视频业务与和视频、腾讯视频业务的tcp.window_size_value分段对比如表2所示，优酷视频业务传输过程中tcp.window_size_value为0以 及tcp.window_size_value为1!1 024的小窗口占比明显高于其他两种业务。

根据TCP协议规范，tcp.window_ size_value的数值表示TCP窗口大小。当数值为0时，表示缓冲区满，发送方应等到收到新的或者非0的窗口大小的通知后才能继续发送数据，即当数值为0时，数据传输中断。选取该IP地址段的某条信令回溯如图4所示，第765帧网络侧下发HTTP_Segment数据包相隔66 ms后，收到响应Ack确认（对应第766帧），此次Ack携带的tcp.window_size_value为0，即通知网络侧接收端缓冲区满，发送方应等到收到新的或者非0的window size通知后才能继续发送数据。之后又重发了一次Ack确认（对应第768帧），此次tcp.window_size_value仍为0即没有数据包下发。直到第三次重发Ack确认（对应第769帧），此次Ack包中携带的tcp.window_size_value是1 024，为非0值可继续数据传输。由于前两次Ack确认的tcp.window_size_value=0，导致有819 ms没有数据传输，数据分组时延增加从而影响速率下降。由此我们初步定位为该IP地址段对应的优酷服务器窗口设置存在瓶颈，需要对服务器窗口和TCP拥塞处理参数优化。

我们将该问题反馈给省公司联系优酷业务提供商联合优化后，速率从优化前的950 kbit/s提升到优化后的1 200 kbit/s，速率提高26%。

表1 某个IP地址段的优酷视频业务速率

表2 3种视频业务的TCP窗口大小对比

图4 信令回溯

通过使用基于S1-MME/S1-U信令的LTE网络生态分析系统对佛山LTE现网优酷视频进行业务质量细化评估，并针对问题定位原因，从而找到有针对性的优化方法，为LTE网络视频业务流量和用户的保有和增长提供网络质量保证。从上述应用可见，该系统能很好的指导和支撑实际工作。

3 结束语

基于S1-MME/S1-U信令的LTE网络生态分析系统具备了信令采集、解码、分析和问题定位功能，提供了业务质量提升和优化的重要数据支撑。随着LTE网络的建设与扩大，用户规模必将呈现迅猛上升，可以预见，端到端质量问题将会不断涌现，下一步我们将继续研究在LTE网络下各种信令融合的分析应用。

[1]章蕾, 陈婷.基于客户感知的移动数据业务分析平台建设探讨[J].移动通信, 2011（9):71-74.

[2]周戈, 蔡勇.利用信令仪实现移动通信系统寻呼问题的分析[J].电信科学, 2006,22（11):69-71.

[3]赵恒, 李怀明.江苏移动利用信令监测系统实现回拨业务分析[J].电信网技术, 2012（3):72-77.

[4]周飞, 王建春.WCDMA网络RNC信令风暴研究[J].邮电设计技术, 2013,（8):62-66.

[5]谢志崇.基于网络信令技术的实时精确营销分析[J].电信技术, 2008,（1):34-37.

[6]王笑然, 任辉明, 韩雪.信令监测系统在移动数据业务中的应用[J].科协论坛, 2010,（7):36-37.

[7]Dat Vo.Estimating Smart Dynamic Pricing signalling in advanced cellular systems[C].//Proceedings of the 2012 IEEE Symposium on Humanities, Science and Engineering Research （SHUSER).Kuala Lumpur:IEEE Press, 2012:123-127.

[8]Ciulli N, Landi G, Curado M, et al.A QoS Model Based on NSIS Signalling Applied to IEEE 802.16 Networks[C].//Proceedings of the 2008 IEEE Consumer Communications and Networking Conference（CCNC).Las Vegas: IEEE Press, 2008:953-957.