基于PCC架构的数据业务QOS优化方案研究院学术论文初稿.docx
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基于PCC架构的数据业务QOS优化方案研究院学术论文初稿
基于PCC架构的数据业务QOS优化研究
中讯邮电咨询设计院交换与信息设计部尼松涛邢向晖刘海
摘要:
移动数据业务的快速发展使运营商开始思考如何有效的对网络资源进行管控，更加合理的使用当前的网络资源，避免一些低价值业务带来的冲击。
文章从运营角度对移动数据业务的QoS保证和业务管控的关键技术进行分析，并对未来PCC全网部署关键问题提出思考。
关键词:
PCCPCRF策略控制数据业务QoS
1.PCC技术背景分析
1.1PCC引入背景
随着无线接入技术的带宽不断提升，终端多模化和智能化的比例逐步增大，分组业务逐渐丰富多彩起来。
新的业务如P2P/VOIP等既吸引了大量的用户，也带来了巨大的问题，如P2P应用消耗大量带宽，非法VOIP业务分流长话收入。
不同业务单位比特的价值差别很大，区分业务并对用户带宽进行实时控制对于运营商合理利用网络资源，区分业务并对用户带宽进行实时控制对于运营商合理利用网络资源，进而实现收益最大化显得尤为重要。
基于此提出以下需求：
需求一：
如何通过为用户提供差异化服务来提高用户的ARPU值，让高端用户有更好的体验;
需求二：
在无线资源受限的情况下，如何为高收入的业务（如流媒体）提供更高的带宽，对低收入业务（如BT业务）进行带宽控制;
需求三：
如何通过调节用户的数据业务使用行为，尽量保障相同资费条件下数据用户公平的使用网络资源。
依照3GPP标准规范，通过在现有分组网络中引入PCC（Policyandchargingcontrol）策略与计费控制系统架构，实现根据用户服务等级、不同时间、不同地点、不同业务类型等进行分组数据业务QoS控制的目标，总体上达到如下目标：
目标一：
差异化服务能力----可为不同用户优先级，提供不同策略；为不同业务价值，提供不同策略；实现区分终端，接入类型等的策略控制功能。
目标二：
资源疏导能力----实现基于累计使用量的资源疏导、以及基于用户/时间/终端的资源疏导等。
目标三：
网络流量优化能力----可实现基于网络流量模型，基于时间/位置等信息动态调整网络流量，比如峰值时间段内对P2P进行流量管控等。
3GPPR7定义了一套PCC架构为运营商提供差异化管控的支撑，可以有效牵引现网有限的带宽向价值用户和价值业务倾斜，从而提升运营商的盈利效能，达到对分组业务进行合理有效控制的效果。
不过目前3GPP仅定义了PCC架构中基本的网元功能和接口流程，适合运营策略管控规则及方案仍需要运营商来确定，这也是目前各运营商基于自身移动分组数据业务现状进行研究的重点。
1.2PCC基本架构
3GPP标准体系R7版本将策略控制和基于流的计费进行融合后提出了PCC（Policyandchargingcontrol）架构，即策略和计费控制功能架构。
PCC是3GPP标准组织提出的用于分组网络业务数据传输QOS等策略控制和流计费的一种技术架构。
它能够建立起业务应用层与承载层之间的桥梁，实现基于用户签约、基于业务流的数据传输QOS管理与计费策略管理
3GPP标准（TS23.203---Policyandchargingcontrolarchitecture）定义的PCC架构如下图所示：
图1PCC基本架构图
PCC架构中主要包括PCEF，PCRF，AF，OCS，OFCS和SPR功能。
其中：
⏹PCRF是PCC架构中核心控制功能实体，主要完成策略控制决策以及基于流的计费控制功能。
⏹PCEF是IP接入到PDN的网关节点中的一个子功能实体，如GPRS网络中的GGSN，WLAN网络中的PDG，主要完成业务流的检测、策略执行和基于流的计费功能。
⏹SPR包含所有用户/签约相关的信息，可以用于PCRF构造策略决策,可以与现网的其他数据库独立或集成。
3GPP不做具体规定。
⏹AF是一个提供应用服务的单元，其应用需要对IP-CAN用户面行为进行动态策略/计费控制。
⏹OCS/OFCS是在线计费/离线计费服务器。
2.PCC架构在现网中试点应用
下面是某省分公司现网进行PCC试点的方案为例，从现网数据分析、网络搭建、主要试点内容、对后期现网数据业务优化建议等方面，全面分析PCC在现网试点引入的方案。
2.1现网数据业务分析
2.1.1数据业务资源占用不均带来的管控问题
对某省现网用户业务进行统计如下：
从统计数据可以发现，部分业务对资源占比较高，例如QQ、P2P下载、视频类业务等，以QQ类业务为例，其具有如下的业务特点：
1）短数据量：
平均每包长约为100字节（40个字节的IP包头，约30个汉字），且不包括初始的登录消息需要传送Presence、图像等信息。
2）低频度：
每分钟2~5次，发送或接受IP包。
3）断续传送：
类似于短消息，每个包发送完成后无后继消息紧跟着发送。
4）高使用频率：
每用户每小时平均会话时间约8分钟。
5）信令流量大：
每20~30秒发送心跳包一次，对于好友上下线、状态改变信息、部分业务交互也会立即下发，用户挂机时也占用信令资源，不断申请CCCH资源，造成空口拥塞，出现大量寻呼拥塞，用户无法被叫、短消息延迟等。
因此对QQ、MSN等这类长期在线的即时通讯业务，虽然数据流量极小但与网络交互频繁，导致无线信令资源被大量消耗，因此区分业务并对用户带宽进行实时控制对于运营商合理利用网络资源，进而实现收益最大化显得尤为重要。
2.1.2数据业务忙闲分布不均带来的管控问题
以该省2010年某月日均数据业务分时分区流量统计结果为例：
从日均数据流量统计上来看，全天数据业务量呈现早晚高峰分布现象，并且分区忙闲分布特点不一。
其中住宅区晚高峰出现在23点，商业区全天数据业务流量普遍高，而高校区晚高峰持续到凌晨中早高峰出现在10点-11点。
另外从统计分布上来看，全天忙闲时流量差距将近5倍，存在严重的忙闲时分布不均现象。
正是由于数据业务忙闲分布不均的特点，会导致在高峰时段和热点区域数据业务对资源挤占现象越来越严重，影响网络质量。
这也给运营商带来了对数据业务引入分时分区控制策略的控制需求。
2.2PCC试点网络建设方案
本期试点工程将新建PCC试点设备，兼顾PCC功能验证和现网实际应用验证，为后期网络实际运营引入策略控制功能提供技术储备。
整个试点工作分为如下三个阶段：
1）第一阶段----功能验证阶段：
搭建相对独立测试环境，进行PCC解决方案功能验证。
主要验证“VIP用户保障”，“基于业务类型的流量管控”，及其“基于时间/基于位置/FUP（FairUsePolicy）”策略三方面内容；
2）第二阶段-----现网数据分析阶段：
通过报表服务器SUR及收集和分析现网数据，为第三阶段PCC解决方案效果验证提供现网依据。
可以和第一阶段并行开展；
3）第三阶段-----PCC解决方案效果验证阶段：
基于现网数据分析阶段结论，针对TOPN用户及TOPN业务，在合适的热点区域验证PCC解决方案实施效果。
2.1.1功能验证阶段组网方案
本阶段通过搭建相对独立的测试环境，对PCC引入后的主要功能进行验证。
具体网络搭建要点包括：
1）选取现网GGSN作为测试GGSN，并通过网络配置割接现有业务流量到其余GGSN，避免对现网用户造成影响。
2）升级测试GGSN支持PCEF功能内置，使其支持基于3GPPR7的标准Gx接口。
3）新建PCRF设备，并连接到现网GGSN16；
4）找一定数量测试号码，通过现网SGSN数据配置把测试号码发起的业务指向测试GGSN，使其形成一个相对独立测试环境，PCRF仅对测试号码的业务访问能使用PCC策略。
整体组网方案为：
功能验证阶段整体验证目标为：
在现网设备无需升级和改造、对现网业务无任何影响前提下，功能性验证“VIP用户保障”，“基于业务类型的流量管控”，“基于时间/基于位置/FUP”等PCC控制策略。
2.1.2现网数据分析阶段建设方案
通过现网数据分析可以达到网络清晰可见、网络可分析、可统计的效果，是实现网络可视化的一个必要手段。
在本次试点网络中借助报表服务器SUR对现网分组业务数据进行分析，并结合现网无线资源统计结果，得到现网TOPN用户、TOPN业务以及热点小区的分布情况，为下阶段现网验证PCC解决方案提供依据，以真实测试PCC引入带来的效果。
具体网络搭建要点包括：
1）新建报表服务器SUR，并和现网GGSN进行连接。
2）升级现网GGSN，支持SUR从其读取用户业务行为数据并进行分析。
整体组网方案为：
2.1.3PCC解决方案效果验证阶段建设方案
本阶段利用一阶段网络环境，通过在现网SGSN上增加数据配置，将第二阶段分析得到的TOPN用户数据业务定向到测试GGSN上，实现现网环境下PCC解决方案验证的效果。
整体组网方案为：
PCC解决方案效果验证阶段目标为：
在第二阶段现网数据收集及其分析的基础上，针对TOPN用户及TOPN业务，在合适的热点区域验证PCC解决方案实施效果。
包括在选定的热点区域验证VIP用户保障方案效果，针对TOPN用户实施基于业务类型如P2P的管控，通过统计对比分析验证流量管控的实施效果。
2.3PCC试点对现网数据业务优化分析
通过PCC试点方案第一阶段功能验证，第二阶段现网数据业务行为分析，以及第三阶段PCC解决方案在现网中的验证，对后期业务发展有如下优化建议：
●加强现网用户行为及业务分析，通过现网引入用户业务行为分析设备，实现网络可视化运营，为制定实施运营策略提供依据。
●无线资源总是有限的，需要尽可能制定VIP用户保障策略保障高价值用户的业务体验。
●通过制定基于业务的PCC策略实现合理管控低价值P2P业务，优先保障普通上网业务及运营商自营高价值业务体验。
●根据资费套餐的特点，制定合理的管理策略，挖掘低价值用户的潜力，并牵引其向高价值用户发展；对于滥用网络资源的用户，利用PCC的公平使用策略、VIP用户保障策略等实现流量管控。
●根据现网忙闲时特征，一方面制定分时分区控制策略，另一方面也要制定合理的资费策略，牵引用户的业务使用取向，平滑整网压力。
3.PCC后期部署相关问题
结合对3GPPPCC标准的研究以及现网PCC试点情况，对未来PCC在后期现网中部署相关问题分析如下：
3.1端到端QoS保障
PCC对分组业务控制机制分为流量管控和端到端QoS协商两种机制。
其中流量管控策略是核心网PCEF直接将部分业务包缓存或丢弃，从而降低该业务传输速率，限制用户的带宽，核心网与无线网没有进行QoS协商。
而端到端QoS协商则通过PDP更新消息，更新整个承载带宽。
目前数据业务带宽的瓶颈不在核心网，关键在于无线NodeB侧。
因此如果实现端到端的QoS控制，就必须通过QoS协商机制使核心网侧制定的PCC策略传递到无线NodeB侧，并将PCC策略转化为NodeB可执行的参数（MBR/GBR，时延，调度优先级），从而实现无线资源的合理调度。
3.2PCC策略规则制定
根据PCC规则的定义以及部署的差异，PCC规则可以在GGSN中预先定义或者由PCRF提供，也即分为和预定义PCC规则和动态PCC规则两种。
预定义规则一般只用于基于业务普遍使用的规则，而动态规则是与用户相关状态与签约信息有关，在业务进行中根据情况生成并会产生变化的规则
在后期PCC架构全网引入时，对PCC策略规则制定有如下建议：
●对于动态PCC规则，需要控制其条数。
动态规则由于需要在GGSN上单独分配对应的内存资源，过多的动态规则对GGSN的性能影响比较明显。
因此，要控制动态规则的条数；
●对于预定义规则，需要通过制定企标来进行规范。
包括预定义规则的命名规范、内容定义。
以此保证命名和内容要在全网PCRF和GGSN范围内一致。
其中建议区分全网业务策略和区域业务策略，通过规则命名规范进行划分，在保持统一的前提下提供灵活的区域业务适应能力。
3.3签约数据存储
PCC架构中定义SPR用来存储用户的业务签约信息，PCRF根据其中的信息制定策略。
但是现网中HLR中也存储有用户基本签约信息，包括用户允许的QoS及ARP等。
因此在后期全网部署时要保证SPR和HLR中用户信息同步，避免发生冲突，导致PCRF制定的策略无法正常在PCEF中执行。
在PCC引入初期，建议SPR与PCRF合设，运营商维护签约信息与HLR不冲突，后期随着现网设备和PCC网元接口兼容性改造，可将SPR与其他数据库合设（例如HSS、BOSS等），与PCRF之间通过Sp接口交互用户签约信息。
四.总结
总之，在移动分组网中引入PCC架构实现流量控制仅是一种手段，目的还是要保证大多数用户的良好业务体验，因此需要运营商通过结合市场策略、营销方案、用户行为特征分析等多方面因素，采用适度的控制策略和适当的流量管理措施有效的对网络资源进行管控，更加合理的使用当前的网络资源，避免一些低价值业务带来的冲击，有效的保护运营商现有的投资，提升用户的业务体验。
参考文献:
[1]3GPPTS23.203（V7.3.0）Policyandchargingcontrolarchitecture
[2]3GPPTS29.213（V7.1.0）PolicyandChargingControlsignallingflowsandQoSparametermapping
[3]黄韬张智江刘韵洁，PCC策略控制机制研究，现代电信科技，2008年9期
[4]SR68-2010策略和计费控制（PCC）系统技术研究，工业和信息化部电信研究院
作者简介:
[1]尼松涛，硕士，中讯邮电咨询设计院交换与信息设计部，主要从事核心网的规划设计及研发工作。
[2]邢向晖，硕士，中讯邮电咨询设计院交换与信息设计部，主要从事核心网的规划设计工作。
[3]刘海，硕士，中讯邮电咨询设计院交换与信息设计部，主要从事核心网的规划设计工作。
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