移动互联网业务在LTE时代的发展分析及业务建模

中国联通网络技术研究院 北京 100084

引言

移动互联网业务在LTE时代的发展分析及业务建模研究，对未来移动通信网络建设具有基础性指导作用。4G时代的移动通信系统将是一个以用户为中心、提供个性化业务体验的开放融合的信息基础平台[1]。随着移动互联网的迅猛发展，移动用户的数据业务需求进一步提高。在无线移动通信领域中，已经逐步形成多种类型数据业务共存的局面，用户行为的变化成为影响移动通信网络业务构成的主要驱动力[2]。

在即将开展LTE网络部署的情况下，需对LTE业务分析与建模开展深入的研究工作。通过对LTE网络的业务构成、用户行为、业务特征等方面进行研究，构建LTE业务模型，作为LTE网络部署与设备配置的基础。

1 国内LTE业务发展趋势

基于国内移动互联网业务的发展历程，结合国外LTE运营经验，本节着重分析不同类型业务的未来发展趋势。

1)视频流类业务。包括在线视频等，该类业务具有下行数据包较大、下行流量较多的特点。目前，国内3G网络中，视频流业务流量已经占据一定比例，并且正在不断增长。在国外很多国家和地区，视频业务已经成为LTE网络的主流业务。例如，在某北美运营商的业务构成中，视频业务的流量占比位居首位。另一方面，很多研究机构(例如思科的研究机构等)指出，移动互联网业务发展趋势与早前的传统互联网业务发展有诸多相似之处[3]，因此，视频业务也将成为LTE的主流业务之一，并且在后续的网络演进中具备很大的业务增长潜力，占据较大的业务比例。

2)背景下载类业务。包括网页浏览、E-mail、FTP等，该类业务属于传统移动互联网业务，其业务特点也已经分析得比较清楚。在目前的3G网络中，背景下载类业务的业务量占比较大，尤其是网页浏览类业务占据绝对优势。但是，据爱立信提供的数据显示，欧美等地的网页浏览业务流量基本达到饱和状态，单用户的月均使用量也基本趋于稳定，因此，网页浏览业务在LTE业务中将占据较大的流量占比，未来一段时间内将处于稳中有增的状态。但是其存在饱和节点，达到饱和后流量增长将不明显。

这里值得注意的是，社交网站作为近两年的新兴业务，受到用户社交需求的影响，其增长势头将比其它网页浏览业务更加迅猛。据Allot公司公布的统计数据，在2010年上半年，Facebook的流量增长约为200%，Twitter的流量增长约为310%。而且，智能终端用户的活跃度大概是总用户平均活跃度的2倍。所以，用户的社交网络行为将对网络流量造成较大影响。

3) 即时通信类业务。包括微信、QQ等，该类业务属于典型的小数据包业务，有可能带来较大的信令开销。即时通信类业务虽然业务量占比较小，但是其大量信令开销造成的信令风暴有可能对网络性能造成影响。在欧美等国家的网络运营经验中，即时通信业务的流量占比很低。但是在微信的推动下，国内即时通信业务的流量占比正在持续上涨，因此，即时通信类业务在未来一段时间应该继续保持较高的增长态势，不过由于其流量消耗较少，主要是通过用户使用率的提高带来流量增长。所以，在用户渗透率饱和后，其业务流量增长将不明显。

4) 会话类业务。包括VoIP、视频通话等，该业务属于传统电信业务范畴，在3G网络中都是CS业务。但LTE网络中该类业务都是通过IP数据来传输信息，因此，LTE网络中会话类业务的特点需要进一步分析。

5) 游戏类业务。在智能终端领域，该类业务的流量占比还较小，尚未对网络性能造成明显影响。但是，手机互动游戏类业务具有发展潜力，随着智能终端功能增强，该类业务流量增长可能是跨越性的。

2 LTE网络的业务特征分析及理论模型

上文在移动互联网业务中选取了五种典型业务，本节从理论层面分析上述业务的特征。

1) 视频流类业务。视频流业务将是LTE业务的重要组成部分之一。移动用户可以通过无线接入网访问Internet上的视频服务器。这类业务的典型特征是时延限制比语音业务相对宽松。接收端的缓存器结构保证了视频流业务在一定范围内具有一致的时延和时延抖动，这由缓存器的初始时延决定，通常是几秒钟的间隔。

3GPP标准已经采纳H.263和MPEG4协议用于视频，由于支持有效的编码压缩技术，可以保证低比特速率的视频接入，从而适用于无线接入环境。图1给出无线网络环境下视频流业务的参考模型[4]。这是从基站到移动终端方向观察到的视频流业务的稳态模型，忽略了呼叫建立的时延。

图1 视频流业务模型

2) 网页浏览类业务。网页浏览类业务又称为HTTP业务，也是应用最为普遍的移动互联网业务之一。HTTP业务模型可以从三个层次上进行描述，即会话级、分组呼叫级和数据分组级。同实际中Web浏览过程类比，一个会话相当于浏览一个网站的过程，一个分组呼叫则相当于浏览网站中某一个页面，一个数据分组就是在页面下载过程中由网络传输的一个基本数据单元。

图2给出了典型的HTTP 浏览业务模型[4]。把每次会话的到来定义为泊松过程，一次会话可以分为若干个分组呼叫，每个分组呼叫之间有一定的时间间隔，称为阅读时间。每个分组呼叫中又包含一个主对象和若干个内嵌对象，每个对象的到来也有一定时间间隔。其中，主对象和第一个内嵌对象之间的到达间隔称为解析时间，相邻两个内嵌对象之间的到达间隔称为从解析时间。

图2 HTTP业务模型

3) 即时通信类业务。是一项新兴的移动互联网业务，包括微信、QQ、MSN等。该业务的特点是主要由小数据包组成。图3给出了QQ业务的业务模型图[4]。其中，QQ会话是指从用户登录QQ客户端上线开始至QQ客户端下线结束这个时段中所有的通信过程，包括用户登录认证、发送文本聊天消息、进行语音视频聊天、进行文件传输、用户退出等所有本地客户端和服务器及对方客户端的交互过程。QQ消息特指在会话中本地客户端和服务器端传送和接收数据的通信过程，因此，QQ会话和QQ消息之间是一对多的关系，即一次QQ会话中包含了大量的QQ消息，这样客户端和服务器之间的通信都可以通过QQ消息来实现。QQ客户端主要通过UDP协议完成和服务器的大量通信任务，QQ客户端和服务器之间的通信方式是采用“请求响应”的工作模式，即QQ客户端向服务器发送一个UDP数据包，服务器成功接收之后返回给客户端一个UDP确认数据包。一个QQ消息包含两个UDP数据包，一个是从发送端到接收端，另一个是从接收端返回给发送端对前一个UDP数据包的响应，并且两个UDP数据包具有相同的Sequence子域；因此，我们可以用源IP地址、目的IP地址、源UDP端口号、目的UDP端口号以及Sequence子域来唯一确定一个QQ消息。

图3 QQ业务模型

4) 语音类业务。在固定网络上，VoIP用来降低本地长途和国际长途话音业务的价格。在蜂窝网上，VoIP则是用来开通“丰满呼叫”。所谓“丰满呼叫”是指两个或多个人间的实时通信，这种通信包含一个或多个媒体类型。VoIP的业务模型一般可用简单的两状态活动模型来表示，如图4所示[4]。这个模型状态更新的速率与语音编码器的帧速率相同，即 ，T是编码器的帧持续时间。

图4 VoIP业务模型

5) 游戏类业务。游戏业务是一项值得特别关注的业务，在其模型中，包的大小服从极大值分布，为仿真用户业务分组到达的时间随机性和上行的帧边界，网络游戏的起始时间在[0，40ms]区间内均匀分布。对于上行业务，需要加上160ms的最大时延，丢包的最大时延是180ms。如果一个移动网络游戏的平均包时延迟大于60ms，就认为这个游戏处于outage状态[4]。

3 LTE业务总体模型

在分析每种类型业务特征的基础上，我们也同样关注多种业务并存的网络中网络总的资源开销情况。LTE业务总体模型关注网络中所有业务叠加后的总体特征、对于业务的总流量增长趋势、小区业务流量变化规律、无线空口的相关指标进行分析和预测。本节针对中国LTE网络的发展，从单用户业务、用户数量、无线空口等多个维度构建LTE业务总体模型。

1) 单用户业务模型。单用户基本业务模型，主要关注单用户的月均流量、忙时吞吐率、忙时业务使用次数等，其模型参数详见表1。

表1 单用户业务模型参数表

LTE网络宏观的业务预测，通常是从全网角度考虑，基于历史数据与海外经验来预测单用户的全网月均流量 ，进而可以得到全网的单用户下行平均吞吐率。计算方法如下：

实际上，在网络建设及优化的规划与设计中，往往更关注忙时的用户吞吐率。所以本节引入单用户吞吐率的忙时集中系数B，则可以得到单用户忙时吞吐率，计算方法如下：

单用户忙时吞吐率 = 单用户平均吞吐率×B

从地域区分来说，不同的城市与地区之间单用户忙时吞吐率是存在差异的。例如，一类城市单用户忙时吞吐率可能比全网平均值要高，某城市热点地区内的单用户忙时吞吐率也会高于其它地区；因此，这里定义一个单用户忙时吞吐率的地域差异系数D如下：

除了吞吐率之外，我们还会关注单用户忙时的业务使用次数、业务使用间隔等。在不区分业务类型的情况下，LTE网络的忙时业务使用次数与业务间隔时长可以基于UMTS网络的相应参数来获取。

2) 用户数量模型。用户数量模型主要关注放号用户数、忙时激活用户数等，其模型参数详见表2。

表2 用户数量模型参数表

放号用户数是衡量网络市场普及度的一个重要指标。LTE全网的放号用户数需求可以基于UMTS网络的相应历史数据及海外经验来进行预测。不同城市(区域)的放号用户数占比将决定该城市(区域)的放号用户数

实际上，我们往往更关注忙时发生业务的用户数量，即忙时总RRC连接用户数和忙时平均RRC连接用户数。通常，忙时平均RRC连接用户是可以根据网管平台的计数器来统计并记录的，忙时的平均RRC连接用户数与总RRC连接用户数的关系也可以基于业务激活比经验值计算得到。

3) 小区无线空口模型。小区无线空口性能是无线网络最为关注的指标之一，构建LTE小区无线空口业务模型能够为网络规划与优化奠定良好的基础。前文中的单用户业务模型与用户数量模型中，已经给出了小区层面关于单用户和用户数量的模型参数，那么这里主要给出空口模型的相关参数，详见表3 。

表3 小区无线空口业务模型参数表

我们主要关注小区吞吐率与小区流量，前文给出了RRC连接用户的忙时单用户平均吞吐率，以及单小区的忙时平均RRC连接用户数，由此可计算LTE小区忙时平均吞吐率。具体计算方法如下：

小区忙时平均吞吐率/(kb/s)=忙时单用户平均吞吐率/(kb/s)×忙时平均RRC连接用户数

小区忙时平均流量/MB=小区忙时平均吞吐率/(kb/s)×3600/8/1000

4 小结

本文探讨了移动互联网业务在LTE时代的发展趋势，针对不同类型业务的业务特征进行分析和理论建模，并且给出了LTE业务总体模型参数。在LTE网络的规划与设计过程中，LTE业务模型是重要的组成部分。业务模型是制定网络发展策略、网络规划和网络基本建设规模的重要依据，是网络建设的前提和基础。科学准确的业务模型可以为合理的网络规划与建设提供必要依据，能够避免资源的浪费和闲置，使网络的建设规模与运营商的投资规模达到更优化、合理的配置。

LTE业务建模是一个新的课题，它与传统3G业务模型存在差异，对网络及设备指标的影响也有所不同，因而需要对LTE业务模型开展深入研究。在LTE网络中，核心网将向全IP网络演进，语音业务也将逐步向VoIP业务过渡；LTE网络的单用户数据业务量也需要重新评估。目前，国外LTE网络的业务模型研究尚不成熟，并且由于国内外用户行为存在较大差异，无法直接应用于LTE网络。后续研究中将基于3G现网数据，结合LTE的国内外运营经验，分析业务模型参数的取值建议。

参考文献

[1] 刘琪,苏伟,李承恕.基于跳频的自适应频谱共享方案[J].电子学报,2010,1(38):105-110

[2] 刘琪,袁坚,山秀明,等.3G/WLAN网络中基于终端移动与业务认知的动态负载均衡机制[J].计算机学报,2010,9(33):1569-1579

[3] Cisco Visual Networking Index:Global Mobile Data traffic Forecast Update 2010–2015[EB/OL].[2014-08-06].http://www.cisco.com/en/US/solutions/collateral/ns341/ns525/ns537/ns705/ns827/white_paper_c11-520862.html

[4] 3rd Generation Partnership Project;Technical Specif i cation Group Radio Access Network; LTE Radio Access Network(RAN)enhancements for diverse data applications(Release 11)[S].3GPP TR 36.822 v11.0.0,2012