无线网络控制器信令负荷分担方案的研究与应用

李 莹

（上海交通大学信息安全工程学院，中国 上海200240）

0 引言

本文通过对TD-SCDMA网络中无线网络控制器（RNC）信令处理子系统（SPU）工作原理的分析，研究信令负荷分担的可行性、负荷分担的流程和算法，提出无线网络信令负荷分担方案，并通过现网测试验证方案应用的效果。

1 无线网络控制器信令处理单板介绍

1.1 无线网络控制器

无线网络控制器（RNC）是第三代移动通信网TD-SCDMA网络的重要组成部分。无线网络控制器（RNC）和基站（NodeB）一起构成移动接入网络UTRAN。RNC主要实现系统信息广播、切换、小区资源分配等无线资源管理功能。RNC广泛采用单板的资源池、冗余配置等可靠性设计，体现大容量交换能力。

1.2 信令处理单板

RNC信令处理单板（SPU）用于管理系统内部TD用户面、控制面和传输面对资源，完成TD控制面业务处理功能。通过加载不同的软件，SPU单板可分为主控SPU单板和非主控SPU单板。主控SPU单板用于管理系统内部TD用户面、控制面和传输面的资源，完成TD控制面业务处理功能。非主控SPU单板只用于完成TD控制面业务处理功能。

主控SPU单板0号子系统为MPU（Main Processing Unit）子系统，用于管理系统内部用户面、控制面和传输面的资源,主控SPU单板的1～7号子系统（SPUb）或 1～3号子系统（SPUa）以及非主控 SPU 单板的所有逻辑子系统为CPUS（CPU for Service）子系统，用于完成控制面业务处理功能。

2 无线网络控制器信令负荷分担方案

2.1 信令负荷分担可行性分析

RNC由SPU负责处理信令，一次接入的处理过程包括RRC呼叫、小区资源分配、传输资源分配。小区资源分配必须依赖小区所在子系统，传输资源分配主要依赖于MPU，而RRC呼叫处理则可以由任意一个SPU子系统来完成。因此，当小区所在子系统（本子系统）负荷已超出分担门限时，可以将接入的呼叫处理部分转发到其他子系统（分担入子系统）完成。

由于RNC上存在多个SPU子系统，SPU子系统归属于某一个MPU，因此可以由MPU来裁决与选择分担入子系统。SPU向主控MPU周期上报本子系统的负载状态和能力，MPU之间广播各个框的SPU平均负载以及能力。当RRC呼叫到达负载较低的SPU单板，则不需要进行转发，由该SPU直接处理；当RRC呼叫到达负载过高的SPU单板，则通过SPU转发呼叫到MPU，由MPU选择负载较低的框以及该框中负载较低的SPU子系统处理。如果找不到低负载的SPU子系统，则拒绝此RRC呼叫请求。

2.2 信令负荷分担参数

在SPU负荷分担流程中，决定分担出及分担入参数主要分为两部分，第一类是负荷分担设置参数，其中包括转发门限和转发偏置等，第二类是流控门限设置参数，作为负荷分担参数设置的参考依据。

2.3 信令负荷分担算法

信令处理子系统负荷分担算法分为MPU间分担和MPU框内分担两种。

2.3.1 MPU间选择算法

MPU之间周期广播其下的所有SPU平均负载以及能力，主控MPU收到SPU转发的RRC请求，主控MPU查找到比自己的平均负荷更小的MPU（通过设置“控制面负荷分担转发偏置”参数设置MPU间选择偏置，只有当对端MPU的负荷比主控MPU的负荷小一个偏置值以上，才选择对端，该参数目前现网设置为5），则转发到另外的MPU，由其处理此RRC请求。

2.3.2 MPU框内选择算法

SPU每秒向MPU上报其剩余的CPU能力和本子系统不同RRC类型的流控状态。MPU选择RRC请求分担入的子系统时，如某子系统该类型RRC处于流控状态，则不选择此子系统；如所有SPU子系统均进入此RRC处理的流控状态，则此RRC请求被拒绝。当SPU子系统各类别RRC流控到达流控状态的时候，通知MPU子系统，使其不将此SPU子系统列入可被选择的SPU子系统中。排除处于流控状态的子系统后，根据MPU下各SPU子系统的剩余能力，做概率性选择。MPU选择不到合适的SPU子系统，则将RRC接入请求返回给转出的SPU子系统。被选择转入的SPU子系统，如果其CPU占用率超出接入的RRC对应的流控门限，则丢弃此RRC接入请求。

2.4 信令负荷分担方案

SPU信令处理单板负荷分担功能与流量控制算法结合使用。通过加载V400R008C00的RNC软件版本开启SPU信令处理单板负荷分担功能。功能开启初期，相关负荷分担参数设置为默认值。控制面负荷分担转发门限取决于流控门限的设置，对于流控门限设置根据非业务和业务类的优先级进行了定义，分别按照相关优先级的默认值设置。“控制面负荷分担转发门限”不宜设置太高，太高会导致分担不够及时；也不宜设置太低，太低则会导致太多的RRC_REQ被分担。“控制面负荷分担转发门限”和“流控门限”之间的间距不宜太小，保证超出负荷分担门限之后，各个子系统之间还是可以有效分担，而不会导致分担出的请求被过早丢弃。两个关键参数的参考门限设置：最低流控门限设置为60，控制面负荷分担转发门限设置为50。

2.5 信令负荷分担方案的应用效果验证

2.5.1 信令负荷变化情况

对RNC信令处理子系统负荷分担功能启用前后情况进行了对比。通过计算每套RNC内有所SPU子系统平均负荷的标准偏差值表示RNC内SPU负荷均衡性。统计结果显示，总体标准偏差由开启前的6.6，降低为开启后的4，下降率为39.4%。说明功能开启后，各信令处理子系统间的负荷分配得到了均衡。

2.5.2 流控门限修改效果验证

针对流控门限的设置进行了试点测试，选取测试RNC,分别尝试降低非业务类流控门限和提高业务类流控门限，观察流控门限改变对RNC负荷和网络指标的影响。

选择RNC385进行降低非业务类流控门限试验，将非业务类流控门限参数分别降低10%。试验结果表明，SPU总体负荷仍维持降低趋势，但由于增加了对于高业务的流控事件的保护，因此降低了高业务流控事件的触发概率，对于日常故障跟踪和性能分析带来一定的影响。

选择RNC388进行提高业务类流控门限试验，将部分业务类的流控门限提升了5%。由门限调整前后的RNC基本运行指标来看,CS域RRC试呼次上升了2%，但是CS域RRC建立失败次上升了14%。由于提升了业务流控事件的触发门限，降低了相关业务流控事件的触发概率，但是会导致RNC的平均负荷和峰值负荷的增加，从而提升了系统的运行风险。

2.5.3 负荷分担门限修改效果验证

为尝试进一步降低信令处理负荷，进行调整信令负荷分担参数“控制面负荷分担转发门限”的实验，选择RNC404进行试验，将门限参数提高10%。试验结果表明，调整后子系统由于SPU子系统负荷分担而分担出/入的RRC次数较调整前有明显的减少,但从平均信令负荷来看，调整前后并未发生显著变化。3 应用总结

此次试点应用通过实验结果验证了实验理论逻辑关系的成立。如果调低非业务的流控门限，这样业务的流控事件减少，但是故障跟踪和性能分析受到明显影响，无法使用；如果调高业务的流控门限，这样流控事件减少，但是RNC的平均负荷和峰值负荷也进一步上升，影响运行安全。提高负荷分担转发门限则对降低系统整体信令负荷没有明显的促进作用。因此流控门限和负荷分担转发门限这两个关键门限的参数设置需要综合考虑产品特性和具体应用场景。

无线网络控制器信令负荷分担方案突破了原本TD基站小区与信令处理子系统一对一的对应关系，有别于传统的通过硬件扩容等方式来缓解信令拥塞的问题解决思路，通过信令处理子系统负荷分担算法以及合理的参数阈值设置实现系统内部的信令负荷分担，以更快捷、高效的方式解决由于不均衡问题导致的信令负荷突增情况，促进提升TD-SCDMA网络系统整体的接纳能力，有助于运营商控制网络维护成本及后期投入，具有推广价值。

［1］张树才.WCDMA及无线网络控制器负荷分析及研究[J].电子科技,2015(03).

［2］周飞.WCDMA网络RNC信令风暴研究[J].邮电设计技术,2013(08).