LTE系统小数据包业务无线资源优化研究

宋蒙+范斌+孙雷

【摘    要】在当前移动通信网络中智能终端数量激增，数据业务种类繁多，小数据包业务占比日趋增长的大环境下，基于3GPP LTE Release11版本中引入的多数据应用增强技术（Enhancements for Diverse Data Applications，eDDA），主要研究LTE系统小数据包业务场景，分析RRC状态转换、信令开销、上行资源开销等参数，并基于上述分析研究可能的优化方案。

【关键词】小数据包业务    eDDA    信令开销    资源开销    长DRX周期

中图分类号：TN929.5    文献标识码：A    文章编号：1006-1010（2014）-15-0085-06

1   引言

智能手机的大量发展促使用户的使用习惯开始发生改变，越来越多的用户开始通过手机使用微博、即时通信（Instant Message，IM）等应用，而该业务的永远在线、心跳现象等特点，使得终端需要频繁的进行信令链接重建和小数据量传输等，这就必然会引起LTE（Long Time Evolution）网络的信令风暴问题，也对终端耗电、用户体验、系统效率等指标提出了挑战。因此为了分析该问题对网络的影响，并提出恰当的解决方案，移动网络小数据包业务优化技术成为运营商研究的热点。

对于LTE系统来说，2011年3月举办的RAN#51次会议决定在R11版本中引入多数据应用增强技术（Enhancements for Diverse Data Applications，eDDA），其主要目的就是针对小数据包业务进行研究[1]，分析智能终端及其永远在线的业务特性对网络产生的影响，并进一步研究LTE系统下的潜在解决方案。

2   现有业务场景和功能评估

2.1  主要业务场景

目前3GPP RAN2工作组归纳了5种业务类型场景并确定了研究的优先级：

如表1所示[2]，背景流量和即时通信类业务具有永久在线、心跳数据突发的特点，容易引起频繁的信令链接释放和重建，因此对这类小数据包业务的研究具有较高的优先级。

表1    小数据业务场景分类

业务场景 业务描述

高优先级类业务

背景流量 没有用户操作，后台自动运行的业务在客户端和服务器间歇性的有小数据包交互传输的业务。平均速率大约5Byte/s～250Byte/s

即时通信 用户层传输的文本类数据包以及用于验证消息传递状况的应用层和传输层协议信令。平均速率大概在30～100Byte/s

低优先级类业务

在线游戏 在线类的网络游戏，平均数据速率大约1～8KB/s

互动内容浏览 网页浏览、在线商店、微博等用户主动发起的业务。速率大约在5～64KB/s之间

HTTP视频流 分段传输的视频媒体数据流

2.2  小数据对LTE网络的影响分析

数据包较小而包间隔较长的特性使终端需要频繁地在RRC_CONNECTED和RRC_IDLE两个状态之间切换，这将会产生信令风暴的问题。同时，较低的数据到达率也造成了大部分上行传输信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH）预留的传输调度请求资源的浪费。

（1）信令风暴问题

本节主要是对小数据引起的RRC状态变化和用户在小区间切换带来的信令开销进行分析。

1）RRC状态转换的信令开销

当RRC的连接没有建立，即没有数据传输时，UE处于RRC_IDLE状态;一旦有数据发送或接收，就需要建立连接，UE将转入RRC_CONNECTED状态。当UE的数据业务结束时会启动RRC去激活定时器（RRC Inactivity Timer），如果网络在该定时器工作范围内都没有检测到业务，那么当计时结束时UE又会重新转入RRC_IDLE状态，如此循环。当这种状态的迁移过于频繁时可能会给网络带来高信令负荷，并可能产生信令风暴。

表2给出了单个UE一次RRC建立连接/释放所产生的数据量[3]。RRC建立的开销在上行是70Bytes，下行约190Bytes左右。结合具体的网络配置（主要是RRC Inactivity Timer的取值）和小区内用户数的情况还会有所增加。频繁的RRC建立连接/释放势必会产生过多的信令流，会带来无谓的数据量，增加了eNodeB的工作负荷，降低了网络效率。

表2    一次RRC建立连接/释放流程信令的开销

步骤 á UL

? DL MAC PDU承载的内容 MAC PDU大小/字节

UL DL

1 á Preamble -- --

2 ? Random Access Response -- 7

3 á RRC Connection Request 7 --

4 ? RRC Connection Setup + （UE Contention Resolution Identity MAC CE） -- 38

5 á Buffer Status Report 2 --

6 á RRC Connection Setup Complete （+ NAS Service Request） 20 --

7 ? RLC Status Report -- 3endprint

8 ? Security Mode Command -- 11

9 ? RRC Connection Reconfiguration （+NAS： Activate Dedicated EPS Bearer Context Req） -- 118

10 á Buffer Status Report 2 --

11 á Security Mode Complete 13 --

12 á RRC Connection Reconfiguration Complete 10 --

13 ? RLC Status Report -- 3

14 ? Buffer Status Report 2 --

15 á UL Information Transfer （NAS： Activate Dedicated EPS BEARER Context Accept） 13 --

16 ? RLC Status Report -- 3

17 ? RRC Connection Release -- 10

18 á RLC Status Report 3 --

总字节数 72 193

2）UE移动的信令开销

完整的切换过程涉及的信令较多，这里只考虑1次切换流程的空中接口信令开销。

表3说明整个切换过程最少会带来上行30Bytes，下行100Bytes的信令负荷[3]。如果加上设置终端进行测量的RRC重配置信令过程，信令量还将进一步增加。切换的空口信令条数较少，数据量要略小于RRC连接建立/释放信令产生的数据量。所以切换相比较于RRC状态迁移对网络带来的信令负荷也会略小。但是过多的切换仍然需要避免。

RRC IDLE态移动性在大多数情况下不会涉及任何空口或回传信令，如果只考虑移动信令消耗，IDLE模式是比较合适的。

表3    一次切换流程信令的数据量

步骤 áUL

?DL MAC PDU承载的内容 MAC PDU大小/字节

UL DL

1 á Buffer Status Report 2 --

2 á Measurement Report 19 --

3 ? RLC Status Report -- 3

4 ? RRC Connection Reconfiguration including mobility Control Info. -- 87

5 á Preamble -- --

6 ? Random Access Response -- 7

7 á RRC Connection Reconfiguration Complete 13 --

8 ? RLC Status Report -- 3

总字节数 34 100

（2）UE功耗

非连续接收DRX（Discontinuous reception）是在LTE R8开始引入的一种省电工作机制，UE只在极短时间内监听下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH），其余时间均处于睡眠状态。eNodeB也会保持与UE的DRX周期同步以避免在UE“睡眠”周期内发送数据，影响用户的业务体验。

图1到图3给出了UE在3kmph、30kmph的移动速度下，配置160ms和640ms的DRX周期对于UE电量消耗的影响[4]。同时也考虑了不同的RRC Inactivity Timer的取值（1s，5s，10s，30s，100s）。

图2    用户平均耗电（30kmph，DRX 640ms）

图3    用户平均耗电（3kmph，DRX160ms）

从图1和图3的对比可以看出：DRX周期为640ms时的耗电要明显低于160ms时的耗电。另外，RRC Inactivity Timer的取值较大时，UE处于连接状态的时间也就越长，耗电也就越高。而图1和图2的对比则说明：UE的移动速度对功耗的影响没有DRX周期和RRC Inactivity Timer对功耗的影响那么明显。需要注意的是在睡眠状态下UE无法监听信道消息，这也就意味着在移动速度较高的情况下切换失败的概率会比IDLE状态高。因此在考虑优化信令、UE功耗的同时必须考虑对移动性能的影响。

综合以上分析可知，小数据业务的优化研究必须综合考虑业务种类、用户体验、网络效率等多方面因素，从而对DRX周期等参数做出合理的配置以达到提升网络质量、改善业务体验的目的。

（3）PUCCH资源开销

PUCCH信道传输上行物理层控制信息，承载的物理信息包括上行调度请求（Scheduling Request，SR）、ACK/NACK信息和信道状态信息（CSI，Channel State Information）反馈（包括CQI/PMI/RI）。所占用物理资源的情况如图4所示[5]：

图4    UE PUCCH所占的PRB数

由图4可以看出，在周期配置比较小时，PUCCH主要开销为SR和CQI的开销，其它资源的开销比较少且固定。针对周期性CQI，其资源利用率在没有DRX时以及有DRX但只在UE短暂醒来的期间发送，所以利用率是100%。但针对SR，其资源利用率取决于业务的上行数据到达率。不同的业务，其上行数据到达率不同，从而导致SR资源利用率不同，如图5所示[2]。endprint

大多数情况下，即便是在SR周期较大的情况下，分配用于业务传输的SR资源利用率依然是非常低的，尤其是对背景类、即时通信类和网页浏览类这些数据包间隔相对较大的业务来说。

考虑到此类业务每次交互的数据包非常小，人为参与的每次操作间隔也较长，可以认为此类业务具备一定的时延容忍性，针对典型的小数据业务可以考虑在现有的SR周期定义的基础上扩展最大的SR周期值来提升SR资源利用率，降低网络整体资源消耗;或者实时地监测SR资源利用率，从而进行调整。但需要注意此方法不适用于在线游戏、VOIP等实时性业务。

3   优化分析

基于上述分析，小数据包业务优化方案的研究主要是围绕着优化信令负荷、UE能耗和控制资源等方面展开。

3.1  优化网络信令开销

（1）优化RRC连接管理

目前，在业务请求过程中需要的空口RRC信令包括：

1）RRC Connection Request消息，RRC Connection Setup消息和RRC Connection Setup Complete消息。

2）Security Mode Command消息，Security Mode Complete消息。

3）RRC Connection Reconfiguration消息，RRC Connection Reconfiguration Complete消息。

优化方案可以考虑将2），3）两部分的信令融合到RRC Connection Setup中（仅包含1个RRC信令），同时eNodeB可以较早的从移动管理实体（Mobility Management Entity，MME）处获得需要的上下文。要注意的是传递的RRC消息总量并未减少，只是通过使用较少的RRC信令条数完成UE与MME之间的信息交互，达到减少业务请求过程中空口（RRC）信令的目的。缺点是对现网改动较大，并且在网络覆盖不好的情况下传输开销较大的RRC信令同样可能导致额外的重传。

（2）始终处于RRC连接状态

通过核心网（Core Network，CN）辅助设置关键参数，例如RRC去激活定时器和DRX定时器，可以依据这些参数对RAN进行调整或优化RAN参数，并将其应用于UE。这样可以减少空闲态和连接态的频繁转化，降低网络信令开销，同时也能节约UE能耗。这些参数的初始值可以是在ATTACH过程中获得，或从签约数据中获得（例如，移动信息/应用特性信息），或从UE的业务模型或移动模型中获得的。RAN可以通过在RRC连接释放的时候将相关的辅助信息发送给MME（例如，在eNodeB发送给MME的UE Context Release Complete消息中添加），这些辅助信息可以在UE发起后续的连接中使用。MME需要有储存其覆盖范围内大量UE信息的能力。

（3）控制面传输数据

除此之外，还可以考虑通过控制面进行小数据业务的传输。主要是考虑一些小数据业务只想传输一个较小的IP数据包，或者只需要传输一个应答消息的场景下，传统的业务流程会极大的增加无线资源的使用。因此考虑在小数据传输中避免建立DRB（数据无线承载）而采用优化控制面连接进行传输。此优化方案下LTE需要针对处在RRC IDLE状态下的UE打上“不频繁小数据”的标签来避免DRB建立。下行的寻呼消息中也要增加“小数据标志”的标签，数据和控制信令的合并也增加了复杂度。网络UE需要同时支持该功能。

3.2  优化UE能耗

（1）空闲状态扩展DRX配置

在空闲模式下，通过扩展最大的DRX周期降低寻呼的频率来减少功耗。RAN结点对扩展的DRX周期的支持情况可以通过S1/Iu接口信令、OAM方法或手工配置的方式通知。如果支持该功能，UE可通过NAS过程在任何时候查询。空闲模式通过扩展最长DRX周期的方法，其适用于下行发起的信令或传输间隔较大的数据传输。对于静止或者具有一定移动性（平衡功耗和移动性性能损失）的设备，该方案均可以实现。需要注意的是该功能必须要考虑UE的能力和网络的支持情况，还要避免较长周期可能引起的寻呼丢失。

（2）连接状态的长DRX周期

UTRAN/E-UTRAN提供新的值来开启连接态的长DRX周期以及RRC/MAC用后向兼容的办法来提供长DRX周期参数。当应用长DRX周期值，RRC去激活定时器需要进行适当调整。由于长DRX周期会带来长时延，所以从应用层面看，长DRX周期（长于几十秒）主要适用于移动台发起的交互或容忍长时延的应用。另外需要注意的是对于移动的UE，会带来很多的错误处理并带来开销，或者不得不回到空闲模式，这样就不会带来任何增益。因此这种方案只对静止的UE有增益。

3.3  SR资源利用增强

在第2章节的PUCCH资源开销分析中已提到对于实时性要求较低的小数据业务，可以考虑增大SR周期来减少总的SR配置次数以提高利用率。但是UE往往会处于多种业务并行的状态，单纯地增大SR周期可能会带来时延，影响部分应用的体验。

为了保障业务的性能和用户体验，可以结合UE业务特性和网络当前总体资源负荷状况进行调度以改善SR资源的利用情况。例如，在eNodeB和UE中引入同步的定时器分别统计每个UE在一定的时间范围内用来统计上行数据传输的SR所占的比率。根据统计结果在下一次的业务传输之前决定是否要对SR周期的配置进行调整。同时，网络需要针对buffer中数据的等待时间设定门限值以防止数据包等待的时间过长，尽可能的满足用户的所有业务需求。

4   结束语

本文基于3GPP eDDA课题，对业务场景进行了归纳，并进一步对网络信令负荷、控制信道资源受限以及终端耗电等关键指标和存在的问题进行了的评估与分析。最后针对以上几项参数提出了信令优化，DRX周期扩展配置，辅助信息优化等方案。目前对小数据业务的优化研究尚处于初始阶段，主要是从理论上来分析未来网络中小数据业务可能引入的问题，从而在标准中予以解决，为今后LTE网络的部署打下基础。endprint

参考文献：

[1] RIM. RP-120256 Revised WID for LTE RAN Enhancements for Diverse Data Applications[EB/OL]. （2012-02-24）[2014-04-17]. http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_55/Docs/ RP-120256.zip.

[2] RIM. TR36.822 LTE RAN Enhancements for Diverse Data Applications （Release 11）[EB/OL]. （2012-09-19）[2014-04-17]. http：//www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/36_series/36.822/36822-b00.zip.

[3] 中国通信标准化协会. 针对LTE终端小数据包的无线资源管理优化研究[EB/OL]. （2014-04-03）[2014-04-17]. http：//www.ccsa.org.cn/tc/meeting_annex.php？doc_id=64561.

[4] Nokia Corporation， Nokia Siemens Networks. R2-120367 Further results on network signalling load and UE power consumption[EB/OL]. （2012-01-31）[2014-04-17]. http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG2_RL2/TSGR2_77/Docs/R2-120367.zip.

[5] RIM. R2-120546 Editorial Corrections to TR 36.822[EB/OL]. （2012-01-30）[2014-04-17]. http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG2_RL2/TSGR2_77/Docs/R2-120546.zip.

作者简介

宋蒙：工程师，硕士毕业于南安普顿大学，现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院无线技术研究部，主要研究方向为网络架构及设备演进，LTE关键技术。

范斌：中级工程师，博士毕业于北京邮电大学，现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院无线技术研究部，主要研究方向为HSPA+、LTE关键技术、Small Cell。

孙雷：中级工程师，博士毕业于北京邮电大学，现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院无线技术研究部，主要研究方向为无线网络架构演进、HSPA+、LTE关键技术。endprint