LTE网络拥塞实时提醒服务实现方案研究

池炜成

【摘 要】为了减轻LTE网络拥塞带来的负面影响，提升移动用户的客户感知水平，首先阐述了PCC架构中的拥塞感知与缓解技术，然后分析用户对网络拥塞的感知问题，最后提出一种LTE网络拥塞实时提醒服务的实现方案，使用户及时获知网络拥塞情况，以提升LTE网络的服务水平。

【关键词】网络拥塞；拥塞感知；拥塞信息；策略与计费策略控制；实时提醒

Research on Real-Time Reminding Service Solution to

LTE Network Congestion

CHI Weicheng

[Abstract] In order to alleviate the negative effect resulting from the congestion in LTE networks and improve the perception of mobile customers， the congestion perception and alleviation technique in PCC architecture are elaborated firstly. Then， the network congestion perception of customers is analyzed. Finally， a real-time reminding service solution to LTE network congestion is proposed， by which customers can obtain the network congestion in time to improve the service level of LTE networks.

[Key words]network congestion； congestion perception； congestion information； PCC； real-time reminding

1 引言

经过不断的投入和优化，LTE网络的可用性和稳定性已大幅提升，在大多数情况下网络质量已得到充分保障，但在某些特殊场景或特定条件下，例如在大型活动或突发事件的现场，大量用户聚集并同时使用LTE网络，此时若网络资源不足以应付大量用户需求，就可能出现网络拥塞。为应对网络拥塞，LTE网络可以从多方面采集数据，及时分析并确定网络拥塞情况，进而采取多种手段缓解网络拥塞，如网络参数的调整与调优、负载均衡、PCC（Policy and Charging Control，策略与计费控制）等。然而，从用户角度来看，当网络拥塞发生时，用户并不确切了解网络是否拥塞以及拥塞的程度，用户很可能会继续不断尝试重连网络，从而为用户体验带来更多负面影响，并且可能会进一步加重网络的拥塞程度，不利于网络拥塞的缓解。因此，如何让用户及时获知网络拥塞情况值得研究，本文将阐述PCC架构中的拥塞感知与缓解技术，然后分析用户对网络拥塞的感知问题，最后提出一种LTE网络拥塞实时提醒服务的实现方案。

2 网络的拥塞感知与缓解

网络拥塞是指当网络资源不能满足用户数据传输需求时网络出现性能下降的现象。在LTE网络中，RAN（Radio Access Network，无线接入网）用户面拥塞是指在一段持续的时间内，RAN资源无法满足用户数据传输的需求，网络的整体吞吐量随着输入负荷的增大而下降。LTE网络能够分析网络拥塞情况，进而采取多种手段来缓解网络拥塞。其中，PCC策略控制是缓解网络拥塞的有效手段之一。为了让PCC架构具备基于网络拥塞的PCC策略控制能力，3GPP从R13开始在PCC架构中引入了新的功能——RCAF（RAN Congestion Awareness Function，无线接入网拥塞感知功能），它与PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功能）、PCEF（Policy and Charging Enforcement Function，策略与计费执行功能）/TDF（Traffic Detection Function，流量检测功能）/AF（Application Function，应用功能）一起组成了基于拥塞感知的PCC策略控制架构，如图1所示。

该架构能够完成拥塞控制的三阶段工作，包括拥塞感知、拥塞报告和拥塞缓解。在拥塞感知阶段，RCAF负责网络拥塞的检测和感知，它从RAN的OAM（Operation Administration Maintenance，运营管理维护）系统采集小区的状态数据，经过综合分析和判断，确定拥塞小区的范围及拥塞程度，并从MME获取受拥塞影响的用户和APN（Access Point Name，接入点名称）信息。RCAF通過Nq接口向MME发送用户/APN信息请求，请求中包含小区标识ECGI（E-UTRAN Cell Global Identifier），E-UTRAN小区全局标识符，MME向RCAF返回对应小区内的用户IMSI（International Mobile Subscriber Identification Number，国际移动用户识别码）/APN信息集合。

在拥塞报告阶段，RCAF生成RUCI（RAN User Plane Congestion Information，RAN用户面拥塞信息）报告，然后通过Np接口将RUCI报告发送给PCRF。RUCI信息主要包括受拥塞影响用户的IMSI、拥塞小区标识ECGI、用户连接的APN、拥塞水平（Congestion Level）等。RUCI报告的发送形式分为两种：非聚合RUCI报告（Non-Aggregated RUCI Report）和聚合RUCI报告（Aggregated RUCI Report）。前者包含单个用户的拥塞信息，后者包含多个用户的拥塞信息，聚合报告中的用户可能在不同的拥塞小区，有不同的拥塞水平。当RCAF检测到用户受拥塞影响时，RCAF向PCRF发送拥塞状态的RUCI报告，而当RCAF检测到用户不再受拥塞影响，RCAF向PCRF发送无拥塞状态的RUCI报告。

在拥塞缓解阶段，PCRF负责制定缓解拥塞的PCC策略，在PCC决策时由网络拥塞因素，决定采取哪些拥塞缓解策略，包括业务/应用的门控（Gating Control）、QoS（Quality of Service，服务质量）控制（如带宽限制）、延迟服务等，并生成相应的PCC规则下发给PCEF，或者生成ADC（Application Detection and Control，应用检测和控制）规则下发给TDF。PCEF/TDF按照下发的PCC规则/ADC规则执行拥塞缓解策略，并向PCRF报告策略执行的结果。PCRF还可通过接受或拒绝AF策略控制请求来调整网络流量，当PCRF拒绝AF发起的请求时，AF不再接受UE的业务请求，从而达到缓解网络压力的目的。

3 用户的拥塞感知问题

随着LTE網络的不断完善和移动应用的日益丰富，用户已经习惯通过手机在线完成关键业务或交易，包括移动支付、移动购票、移动网购、共享单车获取、移动在线游戏、移动证券、移动办公等。这些关键业务经常具有实时性或时限性，要求底层的LTE网络具备良好的连通状态，但如果遇到网络拥塞，很可能会导致业务无法完成，影响用户体验。

从业务的数据流向分析，位于UE（User Equipment，用户设备）上的移动应用客户端向位于互联网上的服务端发送业务请求，UE应用层的请求数据向下通过多层的网络协议栈发送到LTE网络，LTE网络将数据传送到服务端，通过服务端的网络协议栈反向解析，最后将数据传送到服务端应用层。在网络畅通的场景下，从UE到LTE网络再到服务端的数据传输畅通无阻，用户体验到的是业务的快速顺利完成。在网络拥塞的场景下，UE与LTE网络之间的通讯受阻，数据包无法通过LTE网络到达服务端，用户体验到的是业务一直等待并在超时（如30 s）后报出网络错误，业务无法顺利完成，畅通场景与拥塞场景的用户感知对比如图2所示。

值得注意的是，当网络拥塞导致用户首次业务请求失败后，用户通常会多次尝试重连，特别是在关键业务进行时，如正在移动支付时、正在取共享单车时、正在订购高铁票时，用户甚至会打开不同的手机应用来检测网络是否正常。由于拥塞一般会持续一段时间，特别是在拥塞程度较高的情况下，网络难以及时恢复正常，在这种情况下，用户的不断重连行为可能会令情况变得更差。一方面用户多次尝试业务都不成功，导致用户的网络体验持续下降；另一方面UE不断向LTE网络发送分组，增大了对网络的访问压力，不利于网络拥塞的缓解。因此，在一些关键的业务场景中，用户实时获知网络的拥塞情况很重要，如果用户确切获知网络处于拥塞状态及拥塞的程度，用户就可以避免多次无用的网络重试，而是寻求其它方法解决当前的业务问题，包括转换网络、移动位置等，或改用传统的离线方法解决问题。这样做不但避免了用户的网络体验进一步下降，同时也防止网络进一步拥堵。

4 拥塞提醒服务方案

考虑到不同用户的需要及服务带来的资源消耗，不是任何拥塞都需要向所有用户发出拥塞提醒，可以通过订购（或注册）的方式向部分有需要的用户提供服务。拥塞提醒服务不仅涉及网络拥塞的感知和发现，还涉及提醒服务的订购、用户对拥塞提醒服务个性化定制、提醒服务控制等，所以需要LTE网络与BSS（Business Support System，业务支撑系统）协同工作。拥塞提醒服务的提供，在LTE网络侧主要涉及的网元包括RCAF、PCRF、SPR（Subscription Profile Repository，用户签约存储库）等；在BSS侧主要涉及的系统包括CRM（Customer Relationship Management，客户关系管理）系统、客服系统、OCS（Online Charging System，在线计费系统）/OFCS（Offline Charging System，离线计费系统）、CRRP（Congestion Real-time Reminding Platform，拥塞实时提醒平台），拥塞提醒服务的实现方案如图3所示。

其中，RCAF负责拥塞的检测和感知，向PCRF报告拥塞情况；PCRF负责接收来自RCAF的拥塞报告，服务用户的筛选及拥塞状态同步；SPR负责存储服务订购信息以供PCRF使用；CRRP负责接收PCRF的拥塞状态同步信息，拥塞提醒控制，拥塞提醒脚本管理，拥塞提醒历史记录以及发送提醒短信等；CRM负责完成拥塞提醒服务订购的受理，管理服务订购信息和服务配置信息等；客户服务系统负责提供渠道完成拥塞提醒服务的自助服务设置；OCS/OFCS负责接收CRM的拥塞提醒服务订购信息，完成服务计费帐务等。拥塞提醒服务流程主要包括以下环节：

（1）CRM完成用户的拥塞提醒服务订购，生成提醒服务的订购记录，然后将服务订购信息CRM同步给SPR以及OCS/OFCS。

（2）用户通过客服系统完成拥塞提醒服务规则的自助设置，包括打开或关闭拥塞提醒、需提醒拥塞等级、需提醒时段等，服务配置信息保存到CRM系统中，并实时生效。

（3）RCAF从OAM系统采集小区状态数据，通过分析判断确定拥塞小区范围，以及各个小区的拥塞水平。

（4）RCAF从MME获取正受到拥塞小区影响的用户列表及相应的APN信息，生成用户拥塞报告，并向PCRF发送RUCI报告。

（5）PCRF接收RUCI报告后，一方面采取PCC策略缓解拥塞，另一方面从SPR获取用户对拥塞提醒服务的订购信息。对于订购了服务的用户，PCRF将服务用户的拥塞状态信息同步给CRRP。

（6）CRRP接收到PCRF的拥塞状态同步信息后，从CRM获取用户的拥塞提醒服务配置信息。

（7）CRRP根据用户的服务配置判定是否提醒，并根据最新的拥塞同步信息，历史提醒记录等确定提醒的类型（如拥塞通知、拥塞升降级通知、拥塞消除通知）以及相应的提醒脚本等，并通过短信中心向用户发送提醒短信。

实时拥塞提醒服务的实现流程如图4所示。

为了对拥塞进行精细化的策略控制，RUCI中报告的拥塞水平划分比较细致，例如由低至高可划分为1至31个拥塞等级，但在面向用户的拥塞提醒服务中，为了让用户更易理解，服务设置了更易操作，提醒服务的拥塞等级需要简化，比如分为3个等级：轻度拥塞、中度拥塞、严重拥塞，所以服务侧的拥塞等级与网络侧的拥塞等级有一个对应关系，比如网络的1至10级对应轻度拥塞，10至21级对应中度拥塞，21至31级对应严重拥塞。这个映射关系由CRRP管理，PCRF将原始的网络拥塞级别同步给CRRP，CRRP完成等级转换。另外，PCRF只需将当前的拥塞状态信息同步给CRRP，由CRRP基于历史信息完成合理的提醒控制，包括当PCRF同步的拥塞状态与之前服务拥塞等级相同时，CRRP控制不重复提醒；当PCRF同步的拥塞状态与之前服务拥塞等级不同时，CRRP向用户发送拥塞升级/降级提醒，当PCRF同步已无拥塞状态信息时，CRRP及时向用户发送拥塞消除通知。

5 结束语

拥塞实时提醒服务可以进一步提升网络的服务水平，提高用户的客户感知。本文阐述了PCC架构中的拥塞感知与缓解技术，分析了用户对网络拥塞的感知问题，并提出了一种LTE网络拥塞实时提醒服务的实现方案。方案通过LTE网络与BSS的紧密协同工作，可向用户提供实时的拥塞提醒，让用户及时获得所处网络的拥塞情况，避免重复尝试已拥塞的网络，能够防止用户体验进一步下降，同时减缓网络压力和缓解拥塞。

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