基于GSM/TD-SCDMA/TD-LTE/WLAN的數(shù)據業(yè)務互切換技術的研究

陳景航，潘廣津，趙明偉

（中國移動通信集團廣東有限公司中山分公司，中山 528400）

移動互聯(lián)網業(yè)務的快速發(fā)展和激烈的市場競爭，在中國移動已投入運營和即將投入運營的4張?zhí)峁?shù)據業(yè)務的移動網GSM/TD-SCDMA/TD-LTE/WLAN中：GSM運營穩(wěn)定成熟，但速率較低客戶感知不好；具有中國自主知識產權的TD-SCDMA網絡運營由于還處在不斷積累經驗與改進中客戶感知狀況不良好；TD-LTE和WLAN網絡還處于快速建設中。

本研究項目針對上述問題，研究分析各種用戶行為及各種類型業(yè)務QoS和網絡資源情況，給出可實施的解決方案：

（1）改善用戶使用數(shù)據業(yè)務的感知度。

（2）提升WLAN、TD-SCDMA、TD-LTE網絡資源利用率。

（3）實現(xiàn)業(yè)務分流、緩解GSM網絡資源緊張狀況。

（4）設計多IP通道的網絡選擇器，對大流量的移動互聯(lián)網業(yè)務進行業(yè)務分流。

1 研究內容

開展GSM/TD-SCDMA/TD-LTE/WLAN網絡數(shù)據的采集、解析；定制用戶行為模型，包括用戶號碼，用戶品牌，定制業(yè)務套餐，登陸時間，流量，訪問地址，終端類型，小區(qū)負荷，小區(qū)資源（載波，數(shù)據業(yè)務配置情況),具體實現(xiàn)是通過連接GSM、TD-SCDMA、WLAN和TD-LTE網管系統(tǒng)采集網絡資源數(shù)據和用戶數(shù)據業(yè)務數(shù)據。

通過對網管數(shù)據的采集和分析，開展用戶行為模型的建模，研發(fā)支持TD-LTE終端的自適應網絡判決器，支持用戶終端可以根據用戶終端業(yè)務來選擇和自動化切換到異構的GSM/TD-SCDMA/TD-LTE/WLAN網絡中，并且在終端的判決器中開發(fā)用戶業(yè)務分析模塊，用于匹配網絡側的用戶行為模型。

在智能手機終端的網絡判決器中，集成多IP通道的網絡判決器，對大流量的移動互聯(lián)網業(yè)務進行業(yè)務分流。

2 系統(tǒng)設計方案

根據用戶行為及多模上網終端所處的每個具體地點4個網絡各自的資源、負荷容量等狀況，結合客戶上網的相關數(shù)據業(yè)務KPI及所需網絡資源，給出終端用戶上網需選擇的最佳的網絡信息，在負荷擁塞等較差地方，讓多模上網終端如在G網資源較少或負荷較重的情況下將相應終端的數(shù)據業(yè)務自動切換到相應區(qū)域的性能較好的如WLAN移動網絡上，以改進用戶的服務質量、客戶感知及收益。

2.1 系統(tǒng)總體設計框架

多模終端手機側：多模終端內置“網絡判決器功能模塊”,基于網絡端服務器的對用戶行為分析及異構網的分析結果判決選擇最佳網絡獲取數(shù)據業(yè)務服務。

服務器側：網絡端服務器完成異構網的網絡性能分析功能和用戶行為分析（網絡端服務器采用B/S架構便于應用及維護）。

2.2 系統(tǒng)同步

本優(yōu)化系統(tǒng)平臺，一方面優(yōu)化服務器和其它4個移動網絡的網管服務器之間的通信方式優(yōu)化服務器每隔一定時間去分別訪問4個移動網的網管服務器，若許可的話在 4個移動網的網管服務器內置一個軟件模塊，完成當有新的網管數(shù)據輸出就自動將所輸出的數(shù)據發(fā)送給優(yōu)化平臺服務器，另一方面多模上網終端訪問優(yōu)化平臺服務器的時間，根據實際情況都可通過Web遠程終端隨時修改即可。

2.3 用戶分析行為服務器的設計

為達到讓多模終端能實時地根據網優(yōu)平臺的各個網絡資源利用狀況的分析結果、資費方式及多模終端所在的無線環(huán)境等因素，自動觸發(fā)選擇合適的網絡上網，通過主要的工作過程，包括用戶類型定義及在各種場景下的各個網絡數(shù)據業(yè)務行為分析、4種網絡數(shù)據業(yè)務的QoS、資費方式及網絡資源狀況分析設計、相關數(shù)據采集和解析；由于所采集的數(shù)據來自于一直不間斷運行的網管等設備，且多個多模終端每隔一定時間并發(fā)通過IP方式自動訪問載有“4網融合的業(yè)務分析及資源優(yōu)化平臺”服務器，服務器除完成上述來自各個網絡實時數(shù)據解析分析外，還要將結果自動發(fā)送給自動訪問該服務器的大量多模終端，因此還需分析實時業(yè)務并發(fā)處理的軟硬件需求，而后開始設計軟件總體框架及各個模塊，代碼實現(xiàn)及調試，包括內置在多模終端內自動觸發(fā)終端的軟件設計及實現(xiàn)，最后在現(xiàn)有的實際網絡上集成測試。

其優(yōu)化平臺服務器、多模終端及4網絡的網管系統(tǒng)的交互信息如圖1所示，優(yōu)化平臺服務器每隔Δt2時間分別自動訪問4網絡的網管設備，當收到4網網管設備發(fā)過來的數(shù)據后，運行相應軟件模塊并刷新原有的分析報告結果，而多模手機終端通過每隔Δt1時間自動訪問優(yōu)化平臺服務器，并對所收到的優(yōu)化平臺服務器發(fā)回的數(shù)據進行比較分析后，若與原來結果不同，進行重選網絡上網。

圖1 四網協(xié)同數(shù)據業(yè)務分析及資源優(yōu)化平臺系統(tǒng)同步示意圖

網絡側優(yōu)化平臺服務器軟件：采用3層處理，使用B/S架構,服務端采用Web服務器（Tomcat），開發(fā)分為兩部分：Web服務部分：該部分是用戶接口，負責接受用戶瀏覽器的請求和響應，并展示結果。這一部分采用Java開發(fā)，邏輯框架采用struts，數(shù)據框架采用Hibernate，為了能夠使用戶操作服務端文件和程序，加入Web服務功能，采用JAX—WS框架；守護進程部分：該部分是一個后臺程序，用于接受下載參數(shù)并自動從數(shù)據服務器上下載文件。該部分采用C開發(fā)，與第一部分的Web服務功能進行socket通信，從而獲得下載參數(shù)和返回下載結果。

2.4 網絡判決器設計

網絡判決器在異構環(huán)境下選擇最佳的網絡結果放在服務器上，且隨著網管數(shù)據變化自動調整其結果（考慮手機的負荷問題，建議每4h下載一次用戶模型的制導策略），而多模終端通過網絡登錄到相應服務器上讀取上述網絡選擇結果如圖2所示，而后根據所讀取的網絡判決選擇結果選擇合適無線接入網，進而接入到所需的數(shù)據業(yè)務。

圖2 網絡判決器設計示意圖

2.4.1 底層驅動模塊

底層驅動模塊的主要功能是獲取智能終端的系統(tǒng)和網絡資源信息，包括獲取SIM卡的信息，GSM/TDSCDMA/TD-LTE/WLAN網絡的Cell ID/AP ID，信號強度等，當前用戶業(yè)務使用情況（業(yè)務名稱，業(yè)務類型等），以及終端手機資源信息（內存情況，CPU運行情況等），通過系統(tǒng)封裝函數(shù)Sysget（）來獲取相關信息。

2.4.2 通信模塊

通信模塊主要負責從網絡側服務器端獲取用戶模型策略，經過系統(tǒng)測試，目前下載的頻率定為4小時/次。主要通過HttpGet（）來獲取用戶模型策略，用戶模型策略用XML語言封裝。同時，本方案也支持與網絡側服務器的閉環(huán)操作，由于不能夠保證每次切換都是100%準確，網絡判決器設置1min為閾值（可在界面調整），當1min內出現(xiàn)重復切換時，網絡判決器系統(tǒng)將該次切換認為錯誤切換，并寫成error report，并HttpPush（）回去網絡側服務器中，進行相應策略的修訂。

2.4.3 用戶個性數(shù)據累計統(tǒng)計分析

用戶個性數(shù)據的累積分析模塊的功能是統(tǒng)計用戶在手機中使用數(shù)據業(yè)務的情況，包括相同的SIM卡用戶使用數(shù)據業(yè)務的類型（type），開始時間（start time），結束時間（end time），流量（kB），業(yè)務名字（name）等，本地通過mysql來記錄用戶個性信息，并通過網絡判決器分析，得到本地的切換策略。

2.4.4 網絡判決模塊

網絡判決模塊的作用是根據通信模塊獲取回來的網絡側服務器的用戶模型策略，并匹配本地的用戶個性模型策略，進行算法匹配，選擇合適的策略進行判決，具體算法詳見下面的數(shù)學模型。

2.4.5 網絡切換模塊

網絡切換模塊的主要工作是根據網絡判決模塊輸出的連接網絡結果策略，網絡切換模塊主要是通過Ophone提供的API函數(shù)進行底層網絡模塊的開啟和關閉，并實現(xiàn)網絡模塊的相互切換功能。

3 用戶行為及客戶感知分析

3.1 用戶使用數(shù)據業(yè)務的自身行為統(tǒng)計分析

為滿足上述項目內容實現(xiàn)，需對實時數(shù)據的交互和大量數(shù)據處理和并發(fā)訪問數(shù)據處理，用戶數(shù)據模型需滿足實時性和準確性，防止乒乓互切換和影響用戶感知，本項目研究開發(fā)的難點主要是：

用戶自身使用數(shù)據業(yè)務的行為包括在時間上、地域上及其所使用的業(yè)務占用信道資源的大小，影響著網絡資源的占用以及客戶使用數(shù)據業(yè)務的感知。

下面是通過網管數(shù)據中對imsi為460000910908749的用戶在2011年5月 30至2011年6月5日的期間通過GPRS/EDGE網絡使用數(shù)據業(yè)務的狀況：由圖3可知該用戶使用數(shù)據業(yè)務主要在三溪2小區(qū)覆蓋范圍內，且使用數(shù)據業(yè)務的時間主要集中在上午的9:00左右、11:00左右和下午的16:00左右，此外該圖還表明該用戶在工作日期間也曾在無委3小區(qū)、無委DB小區(qū)的通過GPRS網絡使用了數(shù)據業(yè)務，但使用數(shù)據業(yè)務的時間是在中午及晚上非上班時間，另外網管記錄表明在18:00左右該用戶手機發(fā)生了“三溪——無委”間的切換導致在該時間范圍內兩個小區(qū)都有該手機使用數(shù)據業(yè)務的記錄，“三溪——無委”之間距離456m，由于手機的移動相鄰小區(qū)發(fā)生了切換。此可以看出該用戶使用數(shù)據業(yè)務主要集中在上班時間在其辦公場所使用數(shù)據業(yè)務，而非上班時間該用戶在晚上無委站點覆蓋的范圍內偶爾使用數(shù)據業(yè)務這樣的用戶行為統(tǒng)計規(guī)律。

由統(tǒng)計分析可知一般用戶使用數(shù)據業(yè)務的行為在時間上、地域上具有一定的統(tǒng)計規(guī)律，根據這種先驗數(shù)據的使用數(shù)據業(yè)務的用戶行為統(tǒng)計規(guī)律，后面將建立相應的用戶行為數(shù)學模型，結合多網的網絡端資源狀況，在不同時段不同地域科學合理地建議用戶優(yōu)選最佳網絡使用數(shù)據業(yè)務以便達到既改善用戶使用數(shù)據業(yè)務的感知度。

3.2 網絡資源狀況對用戶行為影響的統(tǒng)計分析

網絡性能是影響用戶使用數(shù)據業(yè)務時的感知重要因素，網絡性能較差導致將導致用戶對數(shù)據業(yè)務使用的感知下降，圖4是根據實際網管數(shù)據對同一區(qū)域、同一個時間期間的GPRS/EDGE和TD-SCDMA網絡的性能分析及其對數(shù)據業(yè)務用戶使用數(shù)據業(yè)務的影響。

由此可知，在同一時間范圍內上述的教委小區(qū)的GPRS/EDGE的PDCH平均占用很高，而且其PDCH的清空率也很高，由于GPRS/EDGE其數(shù)據業(yè)務資源的緊缺導致在該時間該區(qū)域通過GPRS/EDGE獲取數(shù)據業(yè)務的用戶感知度很差。

綜上所述，用戶使用數(shù)據業(yè)務的感知度受到主觀用戶行為和客觀網絡資源狀況的影響，但大量的概率統(tǒng)計表明無論用戶自身還是網絡端的資源使用狀況存在一定的規(guī)律，下面將結合具體網管報表的數(shù)據格式建立相應的數(shù)學模型以便后續(xù)的實現(xiàn)。

4 結論

圖3 imsi為460000910908749的用戶使用數(shù)據業(yè)務的行為統(tǒng)計分析示意圖

圖4 同區(qū)域同時間內G網和TD-SCDMA網教委小區(qū)數(shù)據業(yè)務資源利用分析示意圖

由于網絡判決器軟件實現(xiàn)了數(shù)據業(yè)務流量的分流，把GSM網絡的流量分流到TD-SCDMA或者WLAN網絡中，使得GSM網絡資源有所緩解，能夠提高GSM網絡利用率，進一步改善話音業(yè)務，使得用戶感知提高。

（1）拿移動大樓和第二辦公區(qū)為驗證依據，該區(qū)域內有GSM共有10個小區(qū)84個載波，TD共有6個小區(qū)，WLAN共有65個AP：GSM 網絡流量1月份是200GB，1月份TD網絡流量170GB， 1月份WLAN網絡流量 1000GB，不使用網絡判決器，9月份GSM的流量高達300GB，而TD-SCDMA流量 和WLAN流量均保持在170GB和1000GB左右。

（2）經過模擬統(tǒng)計后，使用網絡判決器后，9月份GSM網絡的流量下降為 220GB，其中80GB分流到TD-SCDMA網絡和WLAN網絡，則9月份TDSCDMA網絡上升為200GB，WLAN網絡上升為1050GB。

（3）由此可見，2012年1～9月，采用網絡判決器后節(jié)省流量80GB，分流到其他網絡中，則平均每月可以節(jié)省約10GB流量，中山現(xiàn)網每個載波平均每月可以承擔的數(shù)據業(yè)務為4.2GB，移動大樓區(qū)域約有100個載波，可以節(jié)省2個載波，按照這個比列推廣到全市（全市載波數(shù)為34555），則可節(jié)省700個載波，節(jié)省費用約為700萬元。