中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院 北京 100084

引言

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在LTE時(shí)代的發(fā)展分析及業(yè)務(wù)建模研究，對(duì)未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)具有基礎(chǔ)性指導(dǎo)作用。4G時(shí)代的移動(dòng)通信系統(tǒng)將是一個(gè)以用戶為中心、提供個(gè)性化業(yè)務(wù)體驗(yàn)的開放融合的信息基礎(chǔ)平臺(tái)[1]。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，移動(dòng)用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)一步提高。在無線移動(dòng)通信領(lǐng)域中，已經(jīng)逐步形成多種類型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)共存的局面，用戶行為的變化成為影響移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)構(gòu)成的主要驅(qū)動(dòng)力[2]。

在即將開展LTE網(wǎng)絡(luò)部署的情況下，需對(duì)LTE業(yè)務(wù)分析與建模開展深入的研究工作。通過對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)構(gòu)成、用戶行為、業(yè)務(wù)特征等方面進(jìn)行研究，構(gòu)建LTE業(yè)務(wù)模型，作為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)部署與設(shè)備配置的基礎(chǔ)。

1 國(guó)內(nèi)LTE業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)

基于國(guó)內(nèi)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展歷程，結(jié)合國(guó)外LTE運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，本節(jié)著重分析不同類型業(yè)務(wù)的未來發(fā)展趨勢(shì)。

1)視頻流類業(yè)務(wù)。包括在線視頻等，該類業(yè)務(wù)具有下行數(shù)據(jù)包較大、下行流量較多的特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)3G網(wǎng)絡(luò)中，視頻流業(yè)務(wù)流量已經(jīng)占據(jù)一定比例，并且正在不斷增長(zhǎng)。在國(guó)外很多國(guó)家和地區(qū)，視頻業(yè)務(wù)已經(jīng)成為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)的主流業(yè)務(wù)。例如，在某北美運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)構(gòu)成中，視頻業(yè)務(wù)的流量占比位居首位。另一方面，很多研究機(jī)構(gòu)(例如思科的研究機(jī)構(gòu)等)指出，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)與早前的傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展有諸多相似之處[3]，因此，視頻業(yè)務(wù)也將成為L(zhǎng)TE的主流業(yè)務(wù)之一，并且在后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中具備很大的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)潛力，占據(jù)較大的業(yè)務(wù)比例。

2)背景下載類業(yè)務(wù)。包括網(wǎng)頁瀏覽、E-mail、FTP等，該類業(yè)務(wù)屬于傳統(tǒng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，其業(yè)務(wù)特點(diǎn)也已經(jīng)分析得比較清楚。在目前的3G網(wǎng)絡(luò)中，背景下載類業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)量占比較大，尤其是網(wǎng)頁瀏覽類業(yè)務(wù)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是，據(jù)愛立信提供的數(shù)據(jù)顯示，歐美等地的網(wǎng)頁瀏覽業(yè)務(wù)流量基本達(dá)到飽和狀態(tài)，單用戶的月均使用量也基本趨于穩(wěn)定，因此，網(wǎng)頁瀏覽業(yè)務(wù)在LTE業(yè)務(wù)中將占據(jù)較大的流量占比，未來一段時(shí)間內(nèi)將處于穩(wěn)中有增的狀態(tài)。但是其存在飽和節(jié)點(diǎn)，達(dá)到飽和后流量增長(zhǎng)將不明顯。

這里值得注意的是，社交網(wǎng)站作為近兩年的新興業(yè)務(wù)，受到用戶社交需求的影響，其增長(zhǎng)勢(shì)頭將比其它網(wǎng)頁瀏覽業(yè)務(wù)更加迅猛。據(jù)Allot公司公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在2010年上半年，F(xiàn)acebook的流量增長(zhǎng)約為200%，Twitter的流量增長(zhǎng)約為310%。而且，智能終端用戶的活躍度大概是總用戶平均活躍度的2倍。所以，用戶的社交網(wǎng)絡(luò)行為將對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量造成較大影響。

3) 即時(shí)通信類業(yè)務(wù)。包括微信、QQ等，該類業(yè)務(wù)屬于典型的小數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)，有可能帶來較大的信令開銷。即時(shí)通信類業(yè)務(wù)雖然業(yè)務(wù)量占比較小，但是其大量信令開銷造成的信令風(fēng)暴有可能對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能造成影響。在歐美等國(guó)家的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)中，即時(shí)通信業(yè)務(wù)的流量占比很低。但是在微信的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)即時(shí)通信業(yè)務(wù)的流量占比正在持續(xù)上漲，因此，即時(shí)通信類業(yè)務(wù)在未來一段時(shí)間應(yīng)該繼續(xù)保持較高的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，不過由于其流量消耗較少，主要是通過用戶使用率的提高帶來流量增長(zhǎng)。所以，在用戶滲透率飽和后，其業(yè)務(wù)流量增長(zhǎng)將不明顯。

4) 會(huì)話類業(yè)務(wù)。包括VoIP、視頻通話等，該業(yè)務(wù)屬于傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)范疇，在3G網(wǎng)絡(luò)中都是CS業(yè)務(wù)。但LTE網(wǎng)絡(luò)中該類業(yè)務(wù)都是通過IP數(shù)據(jù)來傳輸信息，因此，LTE網(wǎng)絡(luò)中會(huì)話類業(yè)務(wù)的特點(diǎn)需要進(jìn)一步分析。

5) 游戲類業(yè)務(wù)。在智能終端領(lǐng)域，該類業(yè)務(wù)的流量占比還較小，尚未對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能造成明顯影響。但是，手機(jī)互動(dòng)游戲類業(yè)務(wù)具有發(fā)展?jié)摿?，隨著智能終端功能增強(qiáng)，該類業(yè)務(wù)流量增長(zhǎng)可能是跨越性的。

2 LTE網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)特征分析及理論模型

上文在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中選取了五種典型業(yè)務(wù)，本節(jié)從理論層面分析上述業(yè)務(wù)的特征。

1) 視頻流類業(yè)務(wù)。視頻流業(yè)務(wù)將是LTE業(yè)務(wù)的重要組成部分之一。移動(dòng)用戶可以通過無線接入網(wǎng)訪問Internet上的視頻服務(wù)器。這類業(yè)務(wù)的典型特征是時(shí)延限制比語音業(yè)務(wù)相對(duì)寬松。接收端的緩存器結(jié)構(gòu)保證了視頻流業(yè)務(wù)在一定范圍內(nèi)具有一致的時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)，這由緩存器的初始時(shí)延決定，通常是幾秒鐘的間隔。

3GPP標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)采納H.263和MPEG4協(xié)議用于視頻，由于支持有效的編碼壓縮技術(shù)，可以保證低比特速率的視頻接入，從而適用于無線接入環(huán)境。圖1給出無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下視頻流業(yè)務(wù)的參考模型[4]。這是從基站到移動(dòng)終端方向觀察到的視頻流業(yè)務(wù)的穩(wěn)態(tài)模型，忽略了呼叫建立的時(shí)延。

圖1 視頻流業(yè)務(wù)模型

2) 網(wǎng)頁瀏覽類業(yè)務(wù)。網(wǎng)頁瀏覽類業(yè)務(wù)又稱為HTTP業(yè)務(wù)，也是應(yīng)用最為普遍的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)之一。HTTP業(yè)務(wù)模型可以從三個(gè)層次上進(jìn)行描述，即會(huì)話級(jí)、分組呼叫級(jí)和數(shù)據(jù)分組級(jí)。同實(shí)際中Web瀏覽過程類比，一個(gè)會(huì)話相當(dāng)于瀏覽一個(gè)網(wǎng)站的過程，一個(gè)分組呼叫則相當(dāng)于瀏覽網(wǎng)站中某一個(gè)頁面，一個(gè)數(shù)據(jù)分組就是在頁面下載過程中由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊粋€(gè)基本數(shù)據(jù)單元。

圖2給出了典型的HTTP 瀏覽業(yè)務(wù)模型[4]。把每次會(huì)話的到來定義為泊松過程，一次會(huì)話可以分為若干個(gè)分組呼叫，每個(gè)分組呼叫之間有一定的時(shí)間間隔，稱為閱讀時(shí)間。每個(gè)分組呼叫中又包含一個(gè)主對(duì)象和若干個(gè)內(nèi)嵌對(duì)象，每個(gè)對(duì)象的到來也有一定時(shí)間間隔。其中，主對(duì)象和第一個(gè)內(nèi)嵌對(duì)象之間的到達(dá)間隔稱為解析時(shí)間，相鄰兩個(gè)內(nèi)嵌對(duì)象之間的到達(dá)間隔稱為從解析時(shí)間。

圖2 HTTP業(yè)務(wù)模型

3) 即時(shí)通信類業(yè)務(wù)。是一項(xiàng)新興的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，包括微信、QQ、MSN等。該業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是主要由小數(shù)據(jù)包組成。圖3給出了QQ業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)模型圖[4]。其中，QQ會(huì)話是指從用戶登錄QQ客戶端上線開始至QQ客戶端下線結(jié)束這個(gè)時(shí)段中所有的通信過程，包括用戶登錄認(rèn)證、發(fā)送文本聊天消息、進(jìn)行語音視頻聊天、進(jìn)行文件傳輸、用戶退出等所有本地客戶端和服務(wù)器及對(duì)方客戶端的交互過程。QQ消息特指在會(huì)話中本地客戶端和服務(wù)器端傳送和接收數(shù)據(jù)的通信過程，因此，QQ會(huì)話和QQ消息之間是一對(duì)多的關(guān)系，即一次QQ會(huì)話中包含了大量的QQ消息，這樣客戶端和服務(wù)器之間的通信都可以通過QQ消息來實(shí)現(xiàn)。QQ客戶端主要通過UDP協(xié)議完成和服務(wù)器的大量通信任務(wù)，QQ客戶端和服務(wù)器之間的通信方式是采用“請(qǐng)求響應(yīng)”的工作模式，即QQ客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)UDP數(shù)據(jù)包，服務(wù)器成功接收之后返回給客戶端一個(gè)UDP確認(rèn)數(shù)據(jù)包。一個(gè)QQ消息包含兩個(gè)UDP數(shù)據(jù)包，一個(gè)是從發(fā)送端到接收端，另一個(gè)是從接收端返回給發(fā)送端對(duì)前一個(gè)UDP數(shù)據(jù)包的響應(yīng)，并且兩個(gè)UDP數(shù)據(jù)包具有相同的Sequence子域；因此，我們可以用源IP地址、目的IP地址、源UDP端口號(hào)、目的UDP端口號(hào)以及Sequence子域來唯一確定一個(gè)QQ消息。

圖3 QQ業(yè)務(wù)模型

4) 語音類業(yè)務(wù)。在固定網(wǎng)絡(luò)上，VoIP用來降低本地長(zhǎng)途和國(guó)際長(zhǎng)途話音業(yè)務(wù)的價(jià)格。在蜂窩網(wǎng)上，VoIP則是用來開通“豐滿呼叫”。所謂“豐滿呼叫”是指兩個(gè)或多個(gè)人間的實(shí)時(shí)通信，這種通信包含一個(gè)或多個(gè)媒體類型。VoIP的業(yè)務(wù)模型一般可用簡(jiǎn)單的兩狀態(tài)活動(dòng)模型來表示，如圖4所示[4]。這個(gè)模型狀態(tài)更新的速率與語音編碼器的幀速率相同，即 ，T是編碼器的幀持續(xù)時(shí)間。

圖4 VoIP業(yè)務(wù)模型

5) 游戲類業(yè)務(wù)。游戲業(yè)務(wù)是一項(xiàng)值得特別關(guān)注的業(yè)務(wù)，在其模型中，包的大小服從極大值分布，為仿真用戶業(yè)務(wù)分組到達(dá)的時(shí)間隨機(jī)性和上行的幀邊界，網(wǎng)絡(luò)游戲的起始時(shí)間在[0，40ms]區(qū)間內(nèi)均勻分布。對(duì)于上行業(yè)務(wù)，需要加上160ms的最大時(shí)延，丟包的最大時(shí)延是180ms。如果一個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)游戲的平均包時(shí)延遲大于60ms，就認(rèn)為這個(gè)游戲處于outage狀態(tài)[4]。

3 LTE業(yè)務(wù)總體模型

在分析每種類型業(yè)務(wù)特征的基礎(chǔ)上，我們也同樣關(guān)注多種業(yè)務(wù)并存的網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)總的資源開銷情況。LTE業(yè)務(wù)總體模型關(guān)注網(wǎng)絡(luò)中所有業(yè)務(wù)疊加后的總體特征、對(duì)于業(yè)務(wù)的總流量增長(zhǎng)趨勢(shì)、小區(qū)業(yè)務(wù)流量變化規(guī)律、無線空口的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。本節(jié)針對(duì)中國(guó)LTE網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，從單用戶業(yè)務(wù)、用戶數(shù)量、無線空口等多個(gè)維度構(gòu)建LTE業(yè)務(wù)總體模型。

1) 單用戶業(yè)務(wù)模型。單用戶基本業(yè)務(wù)模型，主要關(guān)注單用戶的月均流量、忙時(shí)吞吐率、忙時(shí)業(yè)務(wù)使用次數(shù)等，其模型參數(shù)詳見表1。

表1 單用戶業(yè)務(wù)模型參數(shù)表

LTE網(wǎng)絡(luò)宏觀的業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)，通常是從全網(wǎng)角度考慮，基于歷史數(shù)據(jù)與海外經(jīng)驗(yàn)來預(yù)測(cè)單用戶的全網(wǎng)月均流量 ，進(jìn)而可以得到全網(wǎng)的單用戶下行平均吞吐率。計(jì)算方法如下：

實(shí)際上，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及優(yōu)化的規(guī)劃與設(shè)計(jì)中，往往更關(guān)注忙時(shí)的用戶吞吐率。所以本節(jié)引入單用戶吞吐率的忙時(shí)集中系數(shù)B，則可以得到單用戶忙時(shí)吞吐率，計(jì)算方法如下：

單用戶忙時(shí)吞吐率 = 單用戶平均吞吐率×B

從地域區(qū)分來說，不同的城市與地區(qū)之間單用戶忙時(shí)吞吐率是存在差異的。例如，一類城市單用戶忙時(shí)吞吐率可能比全網(wǎng)平均值要高，某城市熱點(diǎn)地區(qū)內(nèi)的單用戶忙時(shí)吞吐率也會(huì)高于其它地區(qū)；因此，這里定義一個(gè)單用戶忙時(shí)吞吐率的地域差異系數(shù)D如下：

除了吞吐率之外，我們還會(huì)關(guān)注單用戶忙時(shí)的業(yè)務(wù)使用次數(shù)、業(yè)務(wù)使用間隔等。在不區(qū)分業(yè)務(wù)類型的情況下，LTE網(wǎng)絡(luò)的忙時(shí)業(yè)務(wù)使用次數(shù)與業(yè)務(wù)間隔時(shí)長(zhǎng)可以基于UMTS網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)參數(shù)來獲取。

2) 用戶數(shù)量模型。用戶數(shù)量模型主要關(guān)注放號(hào)用戶數(shù)、忙時(shí)激活用戶數(shù)等，其模型參數(shù)詳見表2。

表2 用戶數(shù)量模型參數(shù)表

放號(hào)用戶數(shù)是衡量網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)普及度的一個(gè)重要指標(biāo)。LTE全網(wǎng)的放號(hào)用戶數(shù)需求可以基于UMTS網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)歷史數(shù)據(jù)及海外經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行預(yù)測(cè)。不同城市(區(qū)域)的放號(hào)用戶數(shù)占比將決定該城市(區(qū)域)的放號(hào)用戶數(shù)

實(shí)際上，我們往往更關(guān)注忙時(shí)發(fā)生業(yè)務(wù)的用戶數(shù)量，即忙時(shí)總RRC連接用戶數(shù)和忙時(shí)平均RRC連接用戶數(shù)。通常，忙時(shí)平均RRC連接用戶是可以根據(jù)網(wǎng)管平臺(tái)的計(jì)數(shù)器來統(tǒng)計(jì)并記錄的，忙時(shí)的平均RRC連接用戶數(shù)與總RRC連接用戶數(shù)的關(guān)系也可以基于業(yè)務(wù)激活比經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算得到。

3) 小區(qū)無線空口模型。小區(qū)無線空口性能是無線網(wǎng)絡(luò)最為關(guān)注的指標(biāo)之一，構(gòu)建LTE小區(qū)無線空口業(yè)務(wù)模型能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化奠定良好的基礎(chǔ)。前文中的單用戶業(yè)務(wù)模型與用戶數(shù)量模型中，已經(jīng)給出了小區(qū)層面關(guān)于單用戶和用戶數(shù)量的模型參數(shù)，那么這里主要給出空口模型的相關(guān)參數(shù)，詳見表3 。

表3 小區(qū)無線空口業(yè)務(wù)模型參數(shù)表

我們主要關(guān)注小區(qū)吞吐率與小區(qū)流量，前文給出了RRC連接用戶的忙時(shí)單用戶平均吞吐率，以及單小區(qū)的忙時(shí)平均RRC連接用戶數(shù)，由此可計(jì)算LTE小區(qū)忙時(shí)平均吞吐率。具體計(jì)算方法如下：

小區(qū)忙時(shí)平均吞吐率/(kb/s)=忙時(shí)單用戶平均吞吐率/(kb/s)×忙時(shí)平均RRC連接用戶數(shù)

小區(qū)忙時(shí)平均流量/MB=小區(qū)忙時(shí)平均吞吐率/(kb/s)×3600/8/1000

4 小結(jié)

本文探討了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在LTE時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)不同類型業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)特征進(jìn)行分析和理論建模，并且給出了LTE業(yè)務(wù)總體模型參數(shù)。在LTE網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)過程中，LTE業(yè)務(wù)模型是重要的組成部分。業(yè)務(wù)模型是制定網(wǎng)絡(luò)發(fā)展策略、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)基本建設(shè)規(guī)模的重要依據(jù)，是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的前提和基礎(chǔ)。科學(xué)準(zhǔn)確的業(yè)務(wù)模型可以為合理的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè)提供必要依據(jù)，能夠避免資源的浪費(fèi)和閑置，使網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)規(guī)模與運(yùn)營(yíng)商的投資規(guī)模達(dá)到更優(yōu)化、合理的配置。

LTE業(yè)務(wù)建模是一個(gè)新的課題，它與傳統(tǒng)3G業(yè)務(wù)模型存在差異，對(duì)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備指標(biāo)的影響也有所不同，因而需要對(duì)LTE業(yè)務(wù)模型開展深入研究。在LTE網(wǎng)絡(luò)中，核心網(wǎng)將向全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，語音業(yè)務(wù)也將逐步向VoIP業(yè)務(wù)過渡；LTE網(wǎng)絡(luò)的單用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量也需要重新評(píng)估。目前，國(guó)外LTE網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)模型研究尚不成熟，并且由于國(guó)內(nèi)外用戶行為存在較大差異，無法直接應(yīng)用于LTE網(wǎng)絡(luò)。后續(xù)研究中將基于3G現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合LTE的國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，分析業(yè)務(wù)模型參數(shù)的取值建議。

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