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      基于DSCP的LTE業(yè)務(wù)感知差異化服務(wù)方案研究

      2019-07-19 06:04:50伍林偉陶偉宜中國電信浙江分公司浙江杭州3000華信郵電咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司浙江杭州3004
      郵電設(shè)計(jì)技術(shù) 2019年7期
      關(guān)鍵詞:核心網(wǎng)門限隊(duì)列

      伍林偉,陶偉宜(.中國電信浙江分公司,浙江杭州3000;.華信郵電咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江杭州3004)

      1 概述

      隨著各大運(yùn)營商不限量套餐的推廣,用戶的使用習(xí)慣在發(fā)生巨大變化,基于http或https的流媒體視頻業(yè)務(wù)越來越多,流量占比逐漸攀升;QQ、微信、米聊等小流量即時(shí)通信(IM)業(yè)務(wù)使用頻度高,有近100%的超高滲透率,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中高負(fù)荷場景不斷增加。在這些高負(fù)荷場景中,即時(shí)通信業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包小,相比網(wǎng)頁瀏覽、FTP下載及流媒體等業(yè)務(wù),在分配占用相同無線信道資源的情況下,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量卻小得多,從而導(dǎo)致無線資源利用效率低。

      傳統(tǒng)的優(yōu)化方法就是根據(jù)話務(wù)特點(diǎn)調(diào)整優(yōu)化參數(shù)或擴(kuò)容載波、加站、扇區(qū)分裂、建設(shè)室分、采用異頻吸收話務(wù)等方法,但目前實(shí)施這些手段的邊際成本越來越高,對應(yīng)的收益卻越來越低,實(shí)施后無法改變基站整體收益低的困境。

      當(dāng)前各大運(yùn)營商面臨的困境是,在一定資源部署情況下,一方面要保障用戶端到端感知,提高用戶端到端感知優(yōu)良率,優(yōu)化資源有效利用率;另一方面又要提供網(wǎng)絡(luò)差異化服務(wù),提高流量的價(jià)值。

      本文擬在校園網(wǎng)、居民樓、火車站等話務(wù)高且業(yè)務(wù)特點(diǎn)鮮明的區(qū)域,部署基于DSCP的業(yè)務(wù)感知調(diào)度方案,根據(jù)業(yè)務(wù)類型優(yōu)先級調(diào)度,在PGW進(jìn)行業(yè)務(wù)識別后,在TCP業(yè)務(wù)報(bào)文IP頭域的DSCP信元中標(biāo)記不同的DSCP標(biāo)識,設(shè)置DSCP調(diào)度參數(shù),對不同的業(yè)務(wù)設(shè)置不同的優(yōu)先級別,以提升整體網(wǎng)絡(luò)效率及用戶體驗(yàn),提供差異化服務(wù)。

      2 基于DSCP端到端差異化服務(wù)技術(shù)

      在核心網(wǎng)對業(yè)務(wù)類型區(qū)分為視頻業(yè)務(wù)、下載業(yè)務(wù)、其他業(yè)務(wù)之后,基站通過W-TCP代理,減少視頻初始緩沖時(shí)延;針對視頻業(yè)務(wù),采用動態(tài)調(diào)整視頻用戶調(diào)度優(yōu)先級的方式進(jìn)行速率控制,提高視頻用戶的體驗(yàn);針對下載業(yè)務(wù),當(dāng)某個(gè)時(shí)刻的業(yè)務(wù)速率超過DlSmbr門限后,降低該業(yè)務(wù)的調(diào)度優(yōu)先級,從而相對降低速率,而不是直接限制速率,具體實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

      圖1 基于DSCP端到端差異化服務(wù)原理圖

      2.1 基于PGW的業(yè)務(wù)識別

      核心網(wǎng)根據(jù)定向流量識別規(guī)則進(jìn)行配置,由PGW識別出不同的業(yè)務(wù),通過對數(shù)據(jù)包(IP、TCP或UDP)進(jìn)行基于特征庫的匹配分析,從而得到對數(shù)據(jù)包內(nèi)容的解析和識別,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)識別。

      具體的業(yè)務(wù)識別技術(shù)為:PGW使用基于SACC(Service-Aware Charging and Control)的 PISC(Packet Inspection and Service Classification)功能進(jìn)行業(yè)務(wù)識別。PISC根據(jù)預(yù)定義規(guī)則進(jìn)行業(yè)務(wù)包流分析、識別并對流量標(biāo)記。

      業(yè)務(wù)識別分為頭規(guī)則識別、深度包檢測和模糊識別。頭規(guī)則識別基于IP、Port的匹配規(guī)則,深度包檢測基于上層的協(xié)議如http、dns、ftp、rstp等進(jìn)行識別,模糊識別基于部分專有的協(xié)議如bit-torrent、skype、yahoomessenge等進(jìn)行業(yè)務(wù)識別。默認(rèn)情況下深度包檢測在頭規(guī)則中調(diào)用,頭規(guī)則識別中各規(guī)則的優(yōu)先級由配置的ID決定;頭規(guī)則識別的優(yōu)先級高于模糊識別。

      業(yè)務(wù)識別與DSCP標(biāo)記是通過運(yùn)營商部署的業(yè)務(wù)感知設(shè)備(核心網(wǎng)集成或第三方設(shè)備)實(shí)現(xiàn)。業(yè)務(wù)感知設(shè)備完成業(yè)務(wù)識別后,在TCP業(yè)務(wù)報(bào)文IP頭域的DSCP信元中標(biāo)記不同的DSCP值。

      2.2 核心網(wǎng)DSCP參數(shù)下發(fā)

      核心網(wǎng)通過配置QoS到DSCP的映射關(guān)系將無線側(cè)需要的DSCP參數(shù)下發(fā)。如果用戶簽約了符合條件的QCI,那么只需要在SGW下行方向調(diào)用映射關(guān)系即可;如果需要對具體的業(yè)務(wù)進(jìn)行相關(guān)控制,需要在DPI的基礎(chǔ)上,為計(jì)費(fèi)請求(ACR)下發(fā)新的QCI,然后在PGW下行方向調(diào)用映射關(guān)系。

      圖2示出的是SGW/PGW下行方向調(diào)用映射關(guān)系。

      2.3 初始加速

      傳統(tǒng)TCP業(yè)務(wù)在eNodeB上是透傳的,往返時(shí)間(RTT)會受限于報(bào)文消息在空口的傳輸過程。引入W-TCP(Wireless-Transmission Control Protocol)代 理后,eNodeB對TCP流初始階段(TCP握手建立后,前200個(gè)下行TCP報(bào)文傳輸期間)的下行TCP報(bào)文進(jìn)行代理。由于RTT時(shí)延減小,Server向eNodeB發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率更快,eNodeB上數(shù)據(jù)量充足,Server端和eNodeB端發(fā)送窗口都會增長得更快,減小數(shù)據(jù)傳送時(shí)長,從而減少視頻初始緩沖時(shí)延。

      W-TCP代理功能通過參數(shù)來進(jìn)行激活,功能啟用后對新接入用戶才生效。當(dāng)eNodeB CPU過載、小區(qū)RRC連接數(shù)過高或者內(nèi)存不足時(shí),eNodeB對新的TCP連接不會采用W-TCP代理。當(dāng)內(nèi)存不足或遇到重傳包/亂序包時(shí),eNodeB對當(dāng)前已代理的TCP連接會進(jìn)行停止處理。

      2.4 基于DSCP的視頻調(diào)速和下載速率控制

      根據(jù)業(yè)務(wù)感知設(shè)備的DSCP標(biāo)記原則和運(yùn)營商策略,通過在eNodeB上設(shè)置DSCP與QoS策略配置,支持對不同DSCP業(yè)務(wù)隊(duì)列的差異化處理。

      本文基于DSCP識別的視頻業(yè)務(wù)和下載業(yè)務(wù),分別實(shí)現(xiàn)了各自的速率控制功能,對視頻業(yè)務(wù)、下載業(yè)務(wù)和其他業(yè)務(wù)執(zhí)行差異化調(diào)度。

      圖3示出的是基于DSCP的業(yè)務(wù)差異化服務(wù)處理流程。

      2.4.1 QoS策略

      eNodeB建立DSCP的QoS服務(wù)信息,以實(shí)現(xiàn)基于DSCP的差異化服務(wù)。

      a)DSCP與QoS策略的映射關(guān)系(MO IpService-Qos)如表1所示。

      圖2 SGW/PGW下行方向調(diào)用映射關(guān)系

      圖3 基于DSCP的業(yè)務(wù)差異化服務(wù)處理流程

      表1 DSCP與QoS策略映射

      b)QoS策略(MO QosPolicy),定義某類業(yè)務(wù)所在的優(yōu)先級隊(duì)列PriQueueId、業(yè)務(wù)速率保證信息,如保證比特速率(DlSgbr),最大比特速率(DlSmbr)等。

      表2示出的是QoS策略。

      表2 QoS策略

      c)eNodeB支持 8個(gè)優(yōu)先級隊(duì)列(QUEUE0~QUEUE7)進(jìn)行業(yè)務(wù)差異化服務(wù),將多個(gè)不同的DSCP映射到某個(gè)隊(duì)列上,但不允許1個(gè)DSCP映射到多個(gè)隊(duì)列。

      QoS策略中TrafficType為Video時(shí),定義Pri-QueueId為QUEUE5或QUEUE6或QUEUE7;QoS策略中TrafficType為DOWNLOAD時(shí),定義PriQueueId為QUEUE0或QUEUE1或QUEUE2。

      隊(duì)列的調(diào)度權(quán)重值越大,調(diào)度優(yōu)先級越高。如果參數(shù)取值為0,表示該隊(duì)列不參與調(diào)度。各隊(duì)列調(diào)度權(quán)重值之和小于等于100。

      表3示出的是優(yōu)先級隊(duì)列權(quán)重。

      表3 優(yōu)先級隊(duì)列權(quán)重

      2.4.2 視頻業(yè)務(wù)自適應(yīng)調(diào)速

      對于基于DSCP識別的視頻業(yè)務(wù),視頻業(yè)務(wù)過程中采用動態(tài)調(diào)整視頻用戶的調(diào)度優(yōu)先級的方式進(jìn)行速率控制,提高視頻用戶的體驗(yàn)。

      a)當(dāng)視頻速率未達(dá)到保障帶寬QosPolicy.DlSgbr時(shí),提高承載的調(diào)度優(yōu)先級,采用的是盡力保證策略。

      b)當(dāng)經(jīng)過調(diào)速后的視頻速率達(dá)到或超過保障帶寬QosPolicy.DlSgbr時(shí),降低調(diào)度優(yōu)先級,避免占用過多帶寬。

      網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕時(shí),沒有經(jīng)過調(diào)速的視頻速率超過QosPolicy.DlSgbr時(shí),不會降低調(diào)度優(yōu)先級,保證資源的充分利用。

      同時(shí),視頻業(yè)務(wù)采用分段加速,在視頻流起始階段采用第1段QoS策略進(jìn)行初始加速;視頻初始加速完成后采用第2段QoS策略進(jìn)行正常速率保證。

      圖4示出的是分段加速保障示意圖。

      圖4 分段加速保障示意圖

      2.4.3 忙時(shí)下載速率控制

      針對DSCP識別的下載業(yè)務(wù)(如P2P下載、FTP下載、HTTP下載等),當(dāng)某個(gè)時(shí)刻的業(yè)務(wù)速率超過DlSmbr門限后,降低該業(yè)務(wù)的調(diào)度優(yōu)先級,從而相對地降低速率,不是直接限制速率。調(diào)度優(yōu)先級降低后會一直保持低優(yōu)先級狀態(tài),直到下載業(yè)務(wù)結(jié)束。當(dāng)業(yè)務(wù)速率始終低于DlSmbr門限時(shí),不對該業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)整,不影響下載業(yè)務(wù)的體驗(yàn)。通過控制下載業(yè)務(wù)的速率來提升其他高優(yōu)先級業(yè)務(wù)(如視頻業(yè)務(wù))的速率。

      2.5 多頻視頻體驗(yàn)互助

      基于DSCP識別出視頻業(yè)務(wù)后,分析視頻業(yè)務(wù)負(fù)載(小區(qū)中視頻用戶的帶寬和小區(qū)空口能力的占比),如果其大于視頻負(fù)載高門限,可考慮將此視頻業(yè)務(wù)切換到視頻負(fù)荷低的鄰小區(qū)。

      在切換前,要分析鄰區(qū)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況,當(dāng)鄰區(qū)滿足如下條件,則可切換。

      a)鄰區(qū)的視頻業(yè)務(wù)負(fù)載<(視頻負(fù)載低門限+視頻負(fù)載高門限)/2。

      b)鄰區(qū)的PRB利用率<視頻均衡下行PRB利用率門限。

      c)鄰區(qū)剩余可用的帶寬>視頻用戶的帶寬。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

      圖5 多頻互助流程圖

      3 業(yè)務(wù)試點(diǎn)部署

      本文選取某高負(fù)荷校園——長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院4個(gè)話務(wù)最忙的BBU開啟該特性功能,在其中一個(gè)小區(qū)(LF_H_某長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院11號宿舍樓RRU2_IN)做業(yè)務(wù)驗(yàn)證測試。

      前置條件:在業(yè)務(wù)最忙時(shí)進(jìn)行(PRB占用率95%以上,小區(qū)用戶數(shù)達(dá)到250個(gè))。

      核心網(wǎng)配合:通過核心網(wǎng)進(jìn)行DSCP標(biāo)識,視頻類業(yè)務(wù)為40,下載類業(yè)務(wù)為15,其他業(yè)務(wù)設(shè)為20。

      基站側(cè)配合:根據(jù)核心網(wǎng)下發(fā)的DSCP標(biāo)識,進(jìn)行QoS業(yè)務(wù)優(yōu)先級設(shè)置。

      在第1段DLSGBR門限設(shè)為15M,第2段DLSGBR門限設(shè)為10M的前提下,統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的關(guān)鍵指標(biāo)。

      業(yè)務(wù)提升效果如下:

      視頻下載速率從1 657 kbit/s提升到2 524 kbit/s。

      視頻下載流量從43.92 GB/天增長到62.32 GB/天,流量增加48.72%。

      視頻業(yè)務(wù)卡頓次數(shù)減少68%,日均631次減少至202次。

      視頻播放時(shí)延從9 691 ms減至9 062 ms。

      視頻播放成功率從90.856%提升至97.222%。

      初始緩沖失敗次數(shù)從650次減少到241次,降幅達(dá)到62.92%。

      各項(xiàng)指標(biāo)變化趨勢如圖6所示。

      綜上所述,從某長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院所做的試點(diǎn)評估來看,部署基于DSCP的LTE業(yè)務(wù)感知差異化服務(wù)方案可以提升視頻業(yè)務(wù)的下載速率,提升視頻業(yè)務(wù)所產(chǎn)生的流量,減少卡頓次數(shù),提高視頻播放成功率,對于整站的KQI指標(biāo)提升明顯,并且對整體KPI指標(biāo)業(yè)務(wù)影響不大。

      后續(xù)在類似的高校、交通樞紐、景區(qū)、商務(wù)樓宇等存在突發(fā)大話務(wù)的場景下,通過本特性的下載類業(yè)務(wù)限速以及視頻業(yè)務(wù)自適應(yīng)調(diào)速等一系列參數(shù)配置,可達(dá)到對不同業(yè)務(wù)進(jìn)行不同保障效果,從而對高品質(zhì)視頻體驗(yàn)業(yè)務(wù)類型進(jìn)行針對性的保障,可以提供更好的用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

      4 結(jié)束語

      在通信運(yùn)營商推出不限流量套餐后,大流量下載業(yè)務(wù)帶來的收益已大不如前,而下載業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)感知度不那么明顯。差異化服務(wù)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)增值的前提條件,對比QoS差異化配置,基于DSCP差異化服務(wù)方案涉及改動網(wǎng)元少,網(wǎng)絡(luò)基本不改動,不占用單獨(dú)的帶寬,通過業(yè)務(wù)自適應(yīng)調(diào)速或者多頻切換來實(shí)現(xiàn)差異化服務(wù),網(wǎng)絡(luò)側(cè)容易實(shí)現(xiàn)和保障,能支持相關(guān)業(yè)務(wù)快速推廣。

      圖6 視頻流媒體指標(biāo)變化趨勢

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