基于网络状态的移动运营商QoS能力开放研究

徐宇辉

(中国移动通信集团广东有限公司,广州 510623)

随着移动互联网迅猛发展和4G网络的普及,各类手机应用越来越多。对于不同的手机应用,互联网应用提供商有着不同的服务质量(Quality of Service,QoS)需求,视频类的应用强调降低抖动；手机游戏实时类的应用强调减少丢包以及降低网络延时。在国际3GPP的标准架构当中,移动运营商已经具备了可供互联网调用的QoS能力开放接口,接受互联网发起的调用请求并执行QoS提升操作,满足互联网应用的QoS要求。QoS接口的调用功能可视作运营商能力开放体系的一种服务,移动运营商可按调用次数以及调用时间向互联网应用提供商收取费用,形成商业合作[1]。

但由于QoS提升需求的多样性,并且运营商的网络环境尤其是无线网络资源的变化,造成很多QoS能力调用并不能达到满意的效果,甚至增加运营商网络负荷。用户位置不固定,在不同无线小区位置漫游移动,导致每一个无线小区内有着不同的QoS提升效果。在某些极端情况的小区,能力调用之后,QoS提升效果可能不理想,甚至会出现某些用户感知指标下降。在这种情况下,互联网应用提供商认为运营商提供的该次QoS能力调用为不合理收费,影响了能力开放业务的服务口碑。

为解决上述问题,本文研究一种基于网络状态的能力开放方案与流程,最大程度地满足互联网应用的保障需求,减少无效或负作用的调用次数,将QoS提升效果最大化。

1 标准QoS能力调用的网络架构与流程

在3GPP国际标准中,4G移动网络包括核心网与无线网,涉及网元主要有eNodeB、MME以及SAEGW。eNodeB主要负责用户手机的无线接入以及给用户手机分配无线带宽和优先级,MME负责手机的移动会话管理,SAEGW负责手机流量的路由[2]。

在核心网与无线网的层次之上,移动运营商还部署了PCC设备(Policy and Charging Control,策略和计费控制),PCC设备包括PCRF(Policy and Charging Rules Function),SPR(Subscription Profile Repository)以及AAC(Application Access Control)[3]。PCRF对特定套餐、特定用户、特定业务、特定区域和特定管控参数等实施访问管理、网络事件上报管理和QoS控制等,建立对上网应用和用户的差异化管理机制,实现网络管道能力增值,实现网络资源和用户感知差异化管理;SPR基于用户颗粒度存储用户的策略数据;AAC负责充当运营商网络的对外开放网关,代理来自互联网服务器的请求,并且进行协议转换,将互联网HTTP协议转化成移动运营商网络内部可执行的Diameter协议,将请求传达到网络内部由核心网与无线网执行本次调用请求。核心网、无线网以及PCC设备构成的网络架构如图1所示。

图1 标准QoS能力调用的网络架构

在移动网络中,QoS决定某个用户或某种业务的质量,由一组参数所组成,主要QoS参数描述如表1所示[4]。

表1 移动网络QoS参数描述

运营商QoS能力开放调用流程包含以下步骤[5]:

(1)用户手机上的应用发现存在延时与卡顿,发起QoS能力调用以提升质量,发送请求到互联网服务器,请求中携带了手机IP地址以及手机号码。

(2)互联网应用服务器收到请求之后,根据用户手机号码与手机IP地址,定位手机归属的移动运营商网络,向归属运营商网络的接口AAC发送QoS能力调用,调用请求中除了手机号码以及手机IP地址,还含有QoS参数,包括最大带宽、最小保证带宽及流量优先级等。

(3)AAC收到请求之后,向用户手机流量承载所在SAEGW和PCRF发送QoS更新请求,SAEGW、MME以及eNodeB等网元同步执行请求,保证流量承载达到QoS参数要求。

流程的描述如图2所示[6-7]。

图2 QoS能力开放调用的流程

从图2的流程描述可以看出,从发起调用请求,到接受请求再到执行请求,都是直接简单的流程,没有考虑到请求执行的效果与反馈,没有考虑到根据手机所在位置的无线网络实际状态进行准入判断。

在实际应用中,与某互联网应用提供商合作,对某款手机实时游戏应用进行QoS提升。应用提供商于2017年12月发起了将近200万次QoS能力调用请求,发现调用后用户时延发生了明显改善,但其中4.5%的人次在调用后存在2%以上的丢包现象,比调用之前反而增加了1.5%的人次,其主要原因是由于无线网资源过度紧张,基站为保证实时应用的时延和带宽要求而牺牲了数据报文的重传机制。2%丢包被认为是实时应用感知劣化的分界点,事先判断每次调用之后是否存在2%丢包的可能并根据判断结果接受或拒绝本次调用,是移动运营商能力开放业务要克服的一个技术问题。

2 基于网络状态的QoS能力调用的架构与流程

标准架构只考虑了策略的执行,并没有考虑QoS调用后的效果,调用效果应该以用户感知为标准。在互联网上,用户感知通过以下三个指标来体现:丢包、时延以抖动。如果不能达到用户感知的提升效果,甚至触发反效果,将造成用户反感以及互联网应用服务提供商的投诉,无法为移动运营商提供收入。时延、丢包以及抖动的解释如图3所示。

图3 用户感知指标时延、丢包以及抖动的解释

另外,标准架构也无考虑各项无线小区性能指标参数以及其与用户感知指标的相关性。在4G网络中,无线小区性能指标主要有PRB利用率、CCE利用率以及RRC连接数。PRB利用率代表无线信道的占有程度,CCE利用率代表无线信令的占有程度,而RRC连接数代表在线手机数量。

为解决标准架构存在的问题,对以下方面进行增强。

(1)在调用流程方面,定义两个阶段:网络状态数据训练阶段与网络状态决策应用阶段。在第一个阶段中,AAC将按一定周期收集所辖范围的网络中无线小区各项性能指标(如PRB利用率),手机应用也通过接口向AAC上报用户体验指标,如丢包、时延以及抖动等用户感知数据;AAC将根据算法学习小区性能指标与用户体验指标的相关性。在第二个阶段中,AAC将应用训练出的相关性模型,结合实时的网络状态指标数据,通过第一阶段的模型运算做出对用户感知的预测,判断对QoS的调用请求准入或拒绝。为确保模型的应用价值,训练阶段占用时间，比重应该远小于应用阶段;但是,必须在某一固定周期内分配相应的训练时间，重新计算相关性模型。理由有以下:网络中无线小区的性能参数跟当地以及当时的业务量有较大关系,如覆盖车站等交通枢纽的无线网在白天是业务量高峰，而覆盖住宅的无线网络在夜晚是业务量高峰,不同时段的相关性模型可能不同;在实际运营中,无线网络的网元经常进行变更或者割接,如运营商会针对某些无线网络基站eNodeB扩充载波板卡或变更基站参数,导致模型进行重新计算。所以在本项目中,安排固定每天两次的训练阶段,每个阶段耗时半个小时,确保收集到足够的样本计算最新模型。上述两个阶段的划分如图4所示。

图4 两个阶段的划分

(2)在网络功能方面,做出以下增强。

1)手机应用增加探测、收集以及上传用户感知数据的能力。由于手机应用是上行用户流量的起始点与下行用户流量终止点,其收集的用户感知数据是最准确的。一般来说,探测手段包括手机应用采用UDP PING或者ICMP PING,根据每条发送报文以及收到回应报文的时间点来计算延时、抖动和丢包。

2)运营商的AAC增加收集网络无线小区性能数据的能力,从运营商网络管理系统获取按短周期时间颗粒度的无线小区指标数据。另外,AAC还必须增加接受手机应用上传的用户感知数据的能力。基于收集到的网络性能数据和用户感知数据,AAC具备输出相关性模型的能力,即能基于学习算法发现两类数据的定量相关性。最后,基于模型和应用阶段收集的数据,AAC必须具备预测能力,对用户感知作出预测,对QoS的调用请求进行准入和拒绝。网络功能增强后网络功能架构如图5所示,网络功能架构中各网元之间的交互如图6所示。

为研究PRB利用率等网络性能指标与用户感知指标的相关性,在项目实践过程中,采用三个网络性能指标作为样本属性(即自变量),由于丢包率对于用户感知影响最大,采用丢包率作为样本标签(即因变量),并采用多元线性回归算法研究相关性。AAC采集数据与训练出算法模型之后,采用模型估算出丢包率,在4G移动互联网的实时应用中,业务丢包率2%是门限值,大于等于2%被视为影响用户感知,将拒绝本次调用。多元线性回归的模型见公式(1)。

z=b0+b1x1+b2x2+b3x3+e

(1)

式中：z为丢包率；x1为PRB利用率；x2为CCE利用率；x3为RRC连接数；e为误差项,b0～b3为PRB利用率等几个指标与丢包率的相关系数。

图5 基于网络状态的QoS能力开放的功能架构

图6 基于网络状态的QoS能力开放的调用流程

将样本值代入公式(1),得到公式(2)。

……………………………………

(2)

公式(2)的矩阵表达式为公式(3)

Z=BTX+E

(3)

为求得最优的B,即相关系数b0、b1、b2、b3,采用最小二乘法对损失函数SE进行拟合,损失函数见公式(4)。

(4)

将n个丢包率的样本值zn与n组网络指标的样本值代入式(4)中,可求得使损失函数SE达到最小值的b0、b1、b2以及b3。

3 应用实践效果

在实际应用中采用上述架构、流程以及模型,采集数据样本值并进行模型运算,发现用户感知指标丢包率与PRB利用率、CCE利用率以及RRC连接数呈线性关系。如PRB利用率越大,用户在这种小区内发起调用后丢包比例越大。丢包率与PRB利用率、CCE利用率以及RRC连接数之间的线形相关性如图7、图8以及图9所示。

图7 PRB利用率与丢包率线性相关

图8 CCE利用率与丢包率线性相关

2017年12月采用标准架构与流程后,QoS调用前后丢包劣化的请求数占比变化为1.5%,具体数据如表2所示。2018年3月在运用基于网络状态的QoS能力开放架构与流程之后,丢包率大于2%的用户调用次数得到了控制与减少,占比变化为-0.06%,具体数据见表3。同时,网络时延也得到了保证,网络时延具体数据见表4。由于应用新的架构与流程,1595次的QoS的请求被拒绝,丢包超过2%的调用在QoS调用之后并没有增加,有效的保证了能力开放业务的实际应用效果。

图9 RRC连接数与丢包率线性相关

状态丢包率<0.2%的请求次数/次丢包率0.2%～2%的请求次数/次丢包率≥2%的请求次数/次丢包率超过2%的请求次数的占比/%丢包率超过2%明显劣化的请求次数占比变化/%调用前101476641133653.001.50调用后96759939151024.50

表3 采用基于网络状态的QoS调用前后丢包劣化对比

表4 采用标准架构与流程时延保证效果 %

4 结论

在手机应用、互联网服务器以及运营商核心网引入网络状态数据的收集、模型运算以及QoS调用的准入功能,能有效确保用户感知指标,有利于运营商能力开放业务的顺利开展。本文成果主要以手机游戏为应用对象,在移动互联网中不同

的应用有不同侧重的用户感知指标。在今后工作中,将研究不同的用户感知指标(如时延、抖动)与网络性能参数的相关模型,进一步扩大应用范围。