Diameter信令消息模型优化

卜忠贵，牛芳，宋小明，何涛

1 引言

Diameter信令协议是新一代AAA协议，是结合网络技术发展对Radius协议的升级版本，应用于负责用户鉴权、数据、策略、计费管理等功能的网元之间。Diameter信令基于IP网络传递，具有AVPs（Attribute Value Pairs，属性值对）的传送、能力协商、错误通知、命令扩展、会话管理等能力，采用SCTP（或TCP）协议提供可靠的底层传输。移动通信网中，Diameter信令主要应用于EPC系统、PCC系统和IMS系统。使用Diameter协议的信令接口包括S6a、Gx、Rx、Cx、Sh、Zh、SLh、SLg等，各系统网元间接口如图1所示。

图1 各系统网元间接口示意图

各电信运营商均建有Diameter信令网（DRA，Diameter路由代理），用于转接网元间的信令消息。随着4G数据和VoLTE业务正式商用，Diameter信令网负荷不断增加，如何合理取定信令模型成为信令网网络规划和建设中的关键问题。目前业界各运营商主要根据理论分析和经验确定信令模型，适用于建网初期业务量较小时的规模核算。随着网络规模的扩大和承载业务量的增加，现有的模型取值与实际的网络运行数据出现明显的偏差，模型精度已经不能满足大规模精确建网的需要。本文全面系统地梳理了Diameter信令网各接口业务流程，分析现网数据，对各信令接口消息模型进行测算和修正，同时对物联网、能力开放及VoWi-Fi等新业务的组网与消息转接需求进行研究，提出各接口准确的信令模型取值建议。

2 接口信令消息模型分析

Diameter信令网负责转接的信令接口主要分为3类：与用户鉴权相关的S6a接口、与数据业务策略管理相关的Gx接口、与VoLTE业务相关的Gx、Rx、Cx、Sh、Zh等接口。结合Diameter信令消息特点和DRA厂家设备配置方式，同时考虑便于信令网络规划使用，各接口消息模型输出参数设置为“单用户忙时交互消息条数”，消息模型核算采用如下两种方式：

（1）信令流程法：分析各接口信令消息流程，结合核心网及相关SP网元用户业务模型进行核算单用户消息模型。

（2）数据统计法：根据现网信令接口的忙时消息量及对应的用户量核算单用户消息模型。综合考虑厂家设备、业务体量和地区差异因素，本文调取了北京、广东、浙江、江苏、山东、河南、四川、湖北、河北、云南共10省的现网忙时消息量平均值作为基础数据。

2.1 S6a接口

S6a接口为MME设备和HSS设备之间的接口，主要负责通信过程中UE的鉴权、移动性管理、签约信息处理和用户状态变更通知等。

（1）信令流程法：各业务流程涉及的S6a接口消息量如表1所示。

结合表1取值，每用户忙时S6a接口消息量=(X1×4+X2×4+X3×2+X4×2+X5×2+X6×2+X7×2+X8×2+X9×2+X10×2+X11×2)=10.76条消息。

（2）数据统计法：根据现网统计的S6a接口信令忙时消息量，以及对应的同期用户量，核算单用户S6a接口消息模型如表2所示：

表1 S6a接口信令消息

表2 S6a接口信令消息统计值

（3）模型分析：由表2可见，随着4G网络覆盖不断完善和优化，注册、切换频率下降，S6a接口消息模型值呈持续下降趋势。

2.2 数据业务Gx接口

Gx接口位于PCEF功能实体和PCRF功能实体之间，用于策略和计费控制，信令流程包括IP-CAN会话建立、修改和终止。

（1）信令流程法：各业务流程涉及的Gx接口消息量如表3所示。

结合表4取值，每用户忙时Gx接口（数据业务）消息量=(X1×2+X2×2+X3×2+X4×2+X5×2+X6×2+X7×4)=10条消息。

（2）数据统计法：根据现网统计的数据Gx接口信令忙时消息量，以及对应的同期用户量，核算单用户数据Gx接口消息模型如表4所示。

（3）模型分析：根据对现网数据Gx接口信令的分析，发现Gx接口消息模型差异性较大，这与各省开放PCC策略的差异性较大密切相关。诸多PCC策略中，对Gx接口产生影响的主要包括以下三类：

1）基于PCRF累计流量的PCC策略控制。部署此策略，PCEF与PCRF之间会增加CCR-U/CCA-U消息用于流量上报和下发，PCRF对在线用户进行流量复位时，PCRF与PCEF之间会增加RAR/RAA消息。由此核算，Gx接口忙时新增消息数=（向上取整（平均每用户忙时产生流量/平均上报累积量）-1）×4。其中，“平均上报累积量”指设定的流量上报颗粒度，设定的上报颗粒越小，用户上网速度越快，上报行为越频繁，产生的消息量越大。

表4 Gx接口信令消息统计值

2）基于实时位置的PCC策略控制。部署此策略，PCEF与PCRF之间会增加CCR-U/CCA-U用于实时位置上报和规则更新。由此核算，单用户忙时Gx接口忙时新增消息数=平均每用户忙时发生位置变化次数×2，其中，平均每用户忙时位置变化次数受位置上报的粒度度（如TAI/CGI等）影响。

3）基于签约的PCC策略控制。部署此策略，用户属性变化触发规则更新时，PCRF与PCEF之间会增加RAR/RAA消息。由此核算，单用户忙时Gx接口忙时新增消息数=平均每个月内单用户超套餐次数×用户同时超套餐比例×2。

综上，各省应密切关注省内PCC策略设置及Gx接口量消息变化情况，避免对LDRA、P-GW、PCRF等网元造成冲击。同时，如果Gx接口消息放通省际漫游，还需关注该接口消息量对HDRA的影响。

表3 Gx接口信令消息

2.3 VoLTE相关接口

VoLTE相关接口包括PCRF与PCEF间的Gx接口、PCRF与AF间的Rx接口、I-CSCF、S-CSCF与三融合HSS/HLR间的Cx接口、VoLTE AS与三融合HSS/HLR间的Sh接口、UT AS与三融合HSS/HLR间的Zh接口，其中IMS APN的Gx与Rx接口之间需DRA完成PCRF会话绑定。

（1）信令流程法：VoLTE业务各流程涉及的信令接口消息量如表5所示：

表5 VoLTE相关接口信令消息

结合表5取值，每VoLTE用户忙时各接口消息量=44.52条消息。

（2）数据统计法：根据现网统计的VoLTE相关接口信令忙时消息量，以及对应的同期用户量，核算单用户VoLTE相关接口模型如表6所示：

表6 VoLTE相关接口信令消息统计值

（3）模型分析：以上两种方法核算的信令消息模型值存在一定差异，经分析，影响VoLTE相关信令接口消息量的因素有以下几个方面：

1）影响因素一：签约注册比例越高VoLTE业务模型波动越大。由于VoLTE用户存在签约用户和注册用户两个口径，用户已签约VoLTE业务但作为非VoLTE注册用户被叫时，相比VoLTE注册用户多一次注册流程，即：被叫HSS发现被叫用户未注册AS和S-CSCF，发起未注册流程，在被叫HSS数据中查找S-CSCF的能力集，S-CSCF从HSS中下载iFC签约数据，通过iFC注册到AS上，AS从HSS下载用户签约数据。通过对某省公司不同签约注册比下VoLTE主要接口历史数据进行分析，验证了VoLTE的主要接口Cx/Rx/Sh接口忙时每用户消息量随签约注册比增加均呈非线性递增趋势，如图2所示：

图2 签约注册比影响信令模型趋势图

2）影响因素二：SP（信令点）网元厂家实现机制影响有关接口业务模型。其中，Sh接口受HSS厂家实现机制影响消息量严重偏离理论值。Sh接口异常均发生在有注册流程的场景，即AS需从HSS下载用户业务数据，有些HSS厂家不支持AS集合下载功能，需多倍次UDR/UDA信息交互完成请求与数据下载。

3）影响因素三：4G覆盖网络质量将影响注册场景的BHCA，从而影响VoLTE业务模型。通过对某省公司现网各场景下历史数据进行分析，注册场景忙时每用户交互次数异常增高（标准模型的3倍）。通过对无线侧用户注册次数等参数进行分析原因，由于4G网络覆盖不理想，导致用户频繁2G/4G切换，引起了注册场景发生次数的增加，从而导致了注册场景的Cx/Sh/Gx接口业务模型参数值较高。

3 新业务接口消息模型测算

除以上商用业务外，物联网、能力开放及VoWi-Fi等新业务也对信令组网与消息转接提出新需求。

3.1 物联网

（1）业务与组网说明

物联网核心网也采用EPC系统承载，涉及HLR/HSS、GGSN/PGW、PCRF/SPR、SGSN/MME、SGW等网元。基于物联网共用码号、集中运营、用户业务继承及策略一致性需求，2G/3G/4G物联网与NB-IoT蜂窝物联网的HSS/HLR、PGW/GGSN、PCRF等网元融合集中设置，与无线接入相关的网元MME/SGSN、SGW网元分散设置，组网架构如图3所示：

图3 物联网核心网网络组织图

物联网用户通过移动通信网的数据通道承载业务，Gx接口的策略申请消息、S6a接口的4G/NB-IoT用户注册消息通过Diameter协议专递。

（2）信令模型分析

物联网用户与人网用户行为差异较大，如抄表类终端，无移动性，且周期性处于休眠节电状态，鉴权、策略类消息量很少；而车联网用户移动性较强，消息量和漫游比例均较高。因此，物联网终端不适合按统一标准的信令流程进行模型分析，而适用更能反应用户统计特性的数据统计法。

根据现有试验网络统计的物联网S6a、Gx接口忙时信令消息量，以及对应的同期用户量，核算物联网相关接口模型值如表7所示：

表7 物联网业务相关接口信令消息统计值

由表7可见，物联网用户信令模型远低于人网用户，目前阶段对网络影响较小，但物联网业务未来发展空间巨大，是未来信令网消息量的主要增长点。

3.2 能力开放

（1）业务与组网说明

能力开放业务是电信运营商开拓网络运营模式的新举措。拟开放的各项网络能力中，QoS能力开放是对指定终端用户访问特定的IP时进行保障加速，提升使用游戏、观看直播等在线活动时体验。此项功能需要核心网PCC系统的支持，同时需要新建AAC（应用接入控制）网络节点，将用户的加速需求传递给PCRF，控制PGW为用户承载实施QoS保障，网络组织如图4所示。

QoS能力开放引入的Diameter信令接口涉及PCRF与PCEF间的Gx接口、PCRF与AAC间的Rx接口。

（2）信令模型分析

能力开放业务尚未现网部署，无现网运行数据，信令模型采用信令流程法进行分析。使用信令流程法进行分析，业务模型如表8所示。

结合表8取值，每QoS能力开放用户忙时各接口消息量=6.2+8.2=14.4条消息。该信令模型值主要受第三方应用对网络能力调用次数的影响。

图4 QoS能力开放网络组织图

3.3 VoWi-Fi

（1）业务与组网说明

VoWi-Fi基于Wi-Fi的非可信接入方式，在移动网络未覆盖区域，用户可以利用Wi-Fi接入，在使用移动互联网的同时，拨打和接听语音或视频电话，作为LTE网络覆盖的有利补充。3GPP提出ePDG架构，在网络内部署ePDG、3GPP AAA网元，以解决语音在WLAN和LTE间的无缝切换，网络结构如图5所示。

VoWi-Fi业务引入的Diameter信令接口包括SWx接口（3GPP AAA与HSS之间的接口）、SWm接口（3GPP AAA与ePDG之间的接口）和S6b接口（3GPP AAA与P-GW之间的接口）

（2）信令模型分析

由于VoWi-Fi业务应用较少，无现网统计数据可用，信令模型采用信令流程法进行分析。类比2G/3G/4G场景下的用户注册、网间切换行为频次，取定VoWi-Fi相关流程的BHCA值，结合各接口消息交互系数，话务模型如表9所示。

结合表9取值，每VoWi-Fi用户忙时各接口消息量=3.8+3.6+1.4=8.8条消息。该信令模型值主要受移动蜂窝网络覆盖质量、用户的移动性和终端对业务的支持情况的影响。

4 结论

图5 VoWi-Fi组网架构图

本文结合Diameter信令网运行数据，对各信令接口消息模型进行分析和修正，给出了现网各Diameter信令接口的模型取值建议。通过对各接口模型参数的分析可见，网络覆盖的优化将降低S6a、Cx、Sh等接口信令的消耗，新的PCC策略的部署将增加数据业务Gx接口的消息量，而签约未使用VoLTE业务的用户将给VoLTE业务相关接口带来额外的信令消耗。

网络发展的演进及新业务的引入，对Diameter信令网提出更高的要求，本文针对物联网、能力开放及VoWiFi三项新业务，分析网络组网与消息转接需求，补充完善模型取值建议，为更好地规划Diameter信令网、核算网络建设规模提供了借鉴和参考。

表9 VoWi-Fi业务相关接口信令消息