智能终端对CDMA网络的影响及解决方案分析

刘 娅，石 雄，徐 震

(武汉轻工大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430023)

随着IP技术和移动通信技术和的飞速发展，传统的电话语音业务已经不能满足人们对通信的各种需求，宽带多媒体数据通信逐渐成为当前通信业务发展的主要趋势。从全世界范围的发展来看，固定网络用户所占的比重逐年下滑，而互联网和移动用户，特别是移动用户所占的比重逐年增加。随着移动资费的逐渐下调，移动终端以其便携性的优势将最终取代固定电话。在国内各运营商大力推进第三代移动通信(3G)发展的形势下，实行业务转型，开拓多媒体通信业务，已成为运营商业务发展的重头戏，而数据业务目前已成为电信业利润增长的主动力。在对过去几年的相关调查统计数据表明，语音业务的发展开始出现逐渐下滑的趋势，数据业务的收益比重迅速上升，电信行业的利润中心正在从移动语音转向移动数据服务［1］。这也同时表明，移动通信网络已经从以前的单业务模式的语音通信向多媒体数据通信时代发展。

移动智能终端能够通过多种方式(如WiFi、3G、WiMAX等)接入通信网络，由于其内部安装有开放式操作系统，可通过装载各种应用程序，来完成各种不同的功能，其扩展性和功能性都很强大。除了能够为用户提供传统的语音服务外，智能终端还能够以无线的方式接入互联网，提供数据的下载、共享和在线浏览等服务。目前最为常见的智能终端以智能手机、平板电脑和电子阅读器为代表。新型的智能手机，以Android、iPhone和黑莓为代表，它们为用户提供了更友好的人机交互界面、更便捷的应用体验、更适用于移动终端的浏览器、更方便使用的触控技术，这些都使得用户愿意更长时间地通过移动网络接入互联网。从相关的统计数据来分析，2010年全球智能手机销量增长了72%，2011年第三季度，苹果的iPhone占据了市场28.6%的份额;Android手机市场份额为42.8%。从2009年第三季度到2011年第三季度，美国的智能手机普及率增长了26%，可见，智能终端已逐渐成为3G市场的主流。

移动智能终端的普及推动了用户消费习惯的改变。越来越多的用户开始通过智能手机进行在线聊天、网页浏览、网购、收发电子邮件等操作。从近几年的相关统计数据分析表明，美国的非智能手机用户，其语音通话的使用时间占70%，而以Android为代表的智能手机用户，55%的使用时间则是用于多媒体增值服务，以音乐、游戏、Email和网络接入为代表的高附加值数据业务已占到40%的使用时间。移动互联网在中国的使用更加广泛，用手机上网的中国用户比例已经超过美国。移动互联网的高速发展为移动网络带来了持续高速增长的数据流量，促进了移动网络向高速率、低时延、扁平化的方向发展［2］。

大量智能终端引发的数据业务使得通信网络运营商从中受益颇丰，美国AT＆T公司在2010年的数据业务收入较2009年同期增长了30%。但是，全球通信网络运营商的运营经验同时告诉我们，智能终端带给他们的除了可观的利润外，也对网络质量提出了更高的要求和新的挑战。

1 移动智能终端对网络的影响

由智能终端引发的大量数据增值业务，使得CDMA网络中的数据流量和信令流量呈现急剧的增长。以美国AT＆T公司为例，在iPhone手机发放的初期，其用户仅占AT＆T手机用户的3%，但却占用了40%的网络流量。三年来，AT＆T数据流量增加超过50倍，而且还在继续。巨大的数据流量让通信网络已经不堪重负，数据拥塞和网络掉话等网络事故频繁发生，从而导致网络质量严重下降，用户抱怨和投诉量逐渐增多。2009年，英国O2公司8%的智能终端产生了55%的信令流量，以及90%的数据流量，而且使O2网络中的数据流量增长了18倍，直接导致伦敦地区的部分用户周期性无法拨打电话或者传输数据。为此，O2斥资3000万英镑用于改善伦敦地区的网络，公布了一项促进其移动网络发展并为移动数据业务构建长期增长空间的计划，仅2009年就新增基站1 500个。中国的3G网络虽然刚刚起步，随着“千元智能终端”的批量上市，中国运营商越来越重视智能终端的战略作用。以中国电信在广州、上海等几个大中城市的数据分析为例，智能终端的发展将使天翼网络数据业务量提升一倍以上，信令负荷提升4倍以上［3］，面对智能终端和移动互联网的高速发展，怎样抵御由此带来的数据流量和信令激增的冲击，以保证网络健康、持续、稳定的发展，已成为运营商普遍关心的问题。

通过分析研究表明，智能终端对网络产生的影响主要来自以下几个方面。

1.1 流媒体类业务带来大量的数据流量冲击

智能终端用户的使用频度比较高，通信业务类型也由语音呼叫为主转变为以数据业务为主。流媒体和下载类多媒体业务，每小时流量约为60—200 MB，给网络带来较大的数据业务流量冲击，如图1所示［4］。

1.2 永远在线类业务带来海量信令冲击

图1 流媒体类业务带来流量冲击

所谓永远在线，就是网络为该应用保持长期可用的会话和连接。智能终端为了保障社区用户和即时聊天的实时在线，每隔几秒钟就会发送一些在线心跳消息，使网络频繁地进行无线信道的分配和建立，从而占用了大量的无线网络资源，网络信令负荷明显提高，如图2 所示［4］。

图2 即时类业务带来信令冲击

1.3 智能终端的快速休眠机制带来额外的信令冲击

智能终端的电池容量会被大量的数据业务传输消耗掉，为了延长手机电池的使用寿命，许多手机终端启用了快速休眠机制，在短时间内，如果没有数据通信需求，就释放无线信令连接，进入空闲(IDLE)状态(目前Android、iPhone等终端默认5 s无业务即释放连接)，在需要再次发送数据时，必须再次发起Service Request信令流程，从而导致了状态的频繁迁移［4］，即每次数据包发送，均从IDLE空闲状态进行PS呼叫建立，迁移到DCH态发送，发送完毕后又从DCH态强制返回IDLE态，状态迁移如图3所示。

图3 EV-DO终端状态转变

智能终端从IDLE状态转换到ACTIVE状态，网络侧和空中接口共需要31条信令;从休眠态到激活态，网络侧和空中接口共需要18条信令;从激活态到空闲态，网络侧和空中接口共需要10条信令。由于终端状态的频繁转换，将带来额外开销的急剧增长，从而对网络产生海量的信令负荷。

1.4 当业务出现异常状态时将引发雪崩效应

在智能终端的应用中，由于终端需要与服务器建立连接，若遇到服务器宕机或者IP业务网络发生拥塞等异常状态，将使得终端在不知情的情况下反复发起连接请求，短时间内信令将激增数倍甚至几十倍，使得网络性能急速下降。

2 应对解决方案

移动网络运营商在应对智能终端带来的数据流量和信令负荷的巨大冲击时，应将移动用户的行为模式与网络现状两者结合起来分析，做到疏堵结合，

在保证用户需求与网络建设规模同步增长的前提下，力求全面降低网络的信令负荷和数据流量。当网络受到较大数据流量和信令的冲击时，运营商要及时采取有效措施以保证网络安全。具体而言，可以从以下几方面入手。

2.1 对业务、终端和用户行为对网络的影响进行深入分析，建立起一套适合于自身运营特点的智能终端业务模型，依据用户和业务增长来合理规划建设网络。无线基站控制器(BSC/RNC)作为处理无线网络业务和信令的关键网元，将最先直接面临智能风暴的冲击。为了减少话务与信令增长导致的网络频繁调整，同时提升网络安全性，BSC规划应注意以下两个问题。首先，在进行网络设计时，应当充分考虑未来数据业务的发展需要，适当提升预留的处理能力，而基站控制器挂接的外部基站不以高负荷配置为目标。其次，在网络规划中，除考量BSC的话务转发与处理能力外，要更加关注持续提升BHCA信令处理能力，以适应网络发展需要［5］。

2.2 系统级的网络承载能力，采用Wi-Fi分流建网的模式进行提升。从2010年开始，中国电信进行了大规模的W网和C网的网络建设，通过在某些人流量较大、业务较繁忙的地区部署Wi-Fi覆盖，有效分流网络的负荷，从而一定程度上增大网络容量。也就是说，将大流量、低价值的数据业务转移到Wi-Fi网络上，分担一部分网络负荷，使移动网络能够承载更多的高价值、高移动性的数据业务，从而提升全网的业务承载能力。

2.3 通过引进新技术来提升网络容量。在CDMA网络中，为了满足更多用户的数据通信需求，通过引入EV-DO Rev.B技术来提升网络容量。通过软件升级，多载波EV-DO技术可以利用载波捆绑的方式，将用户的最大速率提升3倍［5］。相关测试结果表明，当网络的时隙利用率在40%左右时，采用EVDO Rev.B技术比传统的CDMA EV-DO Rev.A技术时的网络容量增加90%以上。

2.4 改变粗放式的流量经营策略，进行精细化的流量控制。主要从以下几个方面进行。

2.4.1 基于用户的带宽管理，支持用户的不同优先级别设置。根据用户的不同消费档次，为用户配置不同的优先级，提供差异化服务，限定用户最高相对速率，避免因网络忙闲导致的速率差异，出现心理落差，导致频繁投诉。

2.4.2 基于累积流量的带宽管理。月流量达到门限值后降低速率，对不限流量型套餐且有滥用资源倾向的用户进行限制，保证网络资源使用效率最大化。

2.4.3 进行分区分时的业务管理和控制。通过识别不同类型的业务，进行业务策略优化，使移动网络真正具有“弹性”。其主要特点是，通过精确地识别不同的业务类型，保证高价值、小流量的业务总是具有更高的分配资源的优先级，获得更好的业务体验;对低价值、大流量的业务，则进行分区域、分时段的控制和管理，防止其对网络造成巨大冲击，确保网络质量。

2.5 优化调整网络设备的参数、提高网络KPI，包括优化DO寻呼策略、调整休眠定时器、提高控制信道速率、调整调度协议算法、启用多用户包、开启设备新功能等。根据网络运行状况随时进行调整，避免不必要的信令交互发生，一定程度地降低网络负荷。

3 结束语

随着移动互联网的蓬勃发展和智能终端的广泛使用，通信网络中的信令流量和数据业务流量呈现出急剧增长的局面，这些改变一方面带给运营商丰厚的经济利润，另一方面也对网络提出了更高的要求和新的挑战。因此，应加强对智能终端用户行为的关注，通过分析研究应对智能风暴的优化解决方案，确保CDMA网络健康、稳定的运行。

［1］张宏科，苏伟.移动互联网技术［M］.北京:人民邮电出版社，2010:128-145.

［2］Shen Shao-ai.Principals and Practice of CDMA network optimization［M］.Beijing:People’s Posts and Telecommunication Press，2011:156-180.

［3］Kuen-Chool Yoo，Tae-Jin Lee.Novel Signaling Scheme for 1x CDMA-based Femtocell Networks［C］//Advanced Communication Technology(ICACT)，The 12th International Conference，2010:639-645.

［4］He X P，Guan J.Analysis of Impact of Smart Terminal on WCDMA Core Packet Domain Network［J］.Mobile telecommunication，2011(3):62-67.

［5］Xing Dan，Geng Yu-bo.Rapid growth of smart mobilephone and the impact analysis to mobile network［J］.Posts and Telecommunications Technology，2010(1):37-42.