李 瑩

（上海交通大學(xué)信息安全工程學(xué)院，中國 上海200240）

0 引言

本文通過對TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)中無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）信令處理子系統(tǒng)（SPU）工作原理的分析，研究信令負荷分擔(dān)的可行性、負荷分擔(dān)的流程和算法，提出無線網(wǎng)絡(luò)信令負荷分擔(dān)方案，并通過現(xiàn)網(wǎng)測試驗證方案應(yīng)用的效果。

1 無線網(wǎng)絡(luò)控制器信令處理單板介紹

1.1 無線網(wǎng)絡(luò)控制器

無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）是第三代移動通信網(wǎng)TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）和基站（NodeB）一起構(gòu)成移動接入網(wǎng)絡(luò)UTRAN。RNC主要實現(xiàn)系統(tǒng)信息廣播、切換、小區(qū)資源分配等無線資源管理功能。RNC廣泛采用單板的資源池、冗余配置等可靠性設(shè)計，體現(xiàn)大容量交換能力。

1.2 信令處理單板

RNC信令處理單板（SPU）用于管理系統(tǒng)內(nèi)部TD用戶面、控制面和傳輸面對資源，完成TD控制面業(yè)務(wù)處理功能。通過加載不同的軟件，SPU單板可分為主控SPU單板和非主控SPU單板。主控SPU單板用于管理系統(tǒng)內(nèi)部TD用戶面、控制面和傳輸面的資源，完成TD控制面業(yè)務(wù)處理功能。非主控SPU單板只用于完成TD控制面業(yè)務(wù)處理功能。

主控SPU單板0號子系統(tǒng)為MPU（Main Processing Unit）子系統(tǒng)，用于管理系統(tǒng)內(nèi)部用戶面、控制面和傳輸面的資源,主控SPU單板的1～7號子系統(tǒng)（SPUb）或 1～3號子系統(tǒng)（SPUa）以及非主控 SPU 單板的所有邏輯子系統(tǒng)為CPUS（CPU for Service）子系統(tǒng)，用于完成控制面業(yè)務(wù)處理功能。

2 無線網(wǎng)絡(luò)控制器信令負荷分擔(dān)方案

2.1 信令負荷分擔(dān)可行性分析

RNC由SPU負責(zé)處理信令，一次接入的處理過程包括RRC呼叫、小區(qū)資源分配、傳輸資源分配。小區(qū)資源分配必須依賴小區(qū)所在子系統(tǒng)，傳輸資源分配主要依賴于MPU，而RRC呼叫處理則可以由任意一個SPU子系統(tǒng)來完成。因此，當(dāng)小區(qū)所在子系統(tǒng)（本子系統(tǒng)）負荷已超出分擔(dān)門限時，可以將接入的呼叫處理部分轉(zhuǎn)發(fā)到其他子系統(tǒng)（分擔(dān)入子系統(tǒng)）完成。

由于RNC上存在多個SPU子系統(tǒng)，SPU子系統(tǒng)歸屬于某一個MPU，因此可以由MPU來裁決與選擇分擔(dān)入子系統(tǒng)。SPU向主控MPU周期上報本子系統(tǒng)的負載狀態(tài)和能力，MPU之間廣播各個框的SPU平均負載以及能力。當(dāng)RRC呼叫到達負載較低的SPU單板，則不需要進行轉(zhuǎn)發(fā)，由該SPU直接處理；當(dāng)RRC呼叫到達負載過高的SPU單板，則通過SPU轉(zhuǎn)發(fā)呼叫到MPU，由MPU選擇負載較低的框以及該框中負載較低的SPU子系統(tǒng)處理。如果找不到低負載的SPU子系統(tǒng)，則拒絕此RRC呼叫請求。

2.2 信令負荷分擔(dān)參數(shù)

在SPU負荷分擔(dān)流程中，決定分擔(dān)出及分擔(dān)入?yún)?shù)主要分為兩部分，第一類是負荷分擔(dān)設(shè)置參數(shù)，其中包括轉(zhuǎn)發(fā)門限和轉(zhuǎn)發(fā)偏置等，第二類是流控門限設(shè)置參數(shù)，作為負荷分擔(dān)參數(shù)設(shè)置的參考依據(jù)。

2.3 信令負荷分擔(dān)算法

信令處理子系統(tǒng)負荷分擔(dān)算法分為MPU間分擔(dān)和MPU框內(nèi)分擔(dān)兩種。

2.3.1 MPU間選擇算法

MPU之間周期廣播其下的所有SPU平均負載以及能力，主控MPU收到SPU轉(zhuǎn)發(fā)的RRC請求，主控MPU查找到比自己的平均負荷更小的MPU（通過設(shè)置“控制面負荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)偏置”參數(shù)設(shè)置MPU間選擇偏置，只有當(dāng)對端MPU的負荷比主控MPU的負荷小一個偏置值以上，才選擇對端，該參數(shù)目前現(xiàn)網(wǎng)設(shè)置為5），則轉(zhuǎn)發(fā)到另外的MPU，由其處理此RRC請求。

2.3.2 MPU框內(nèi)選擇算法

SPU每秒向MPU上報其剩余的CPU能力和本子系統(tǒng)不同RRC類型的流控狀態(tài)。MPU選擇RRC請求分擔(dān)入的子系統(tǒng)時，如某子系統(tǒng)該類型RRC處于流控狀態(tài)，則不選擇此子系統(tǒng)；如所有SPU子系統(tǒng)均進入此RRC處理的流控狀態(tài)，則此RRC請求被拒絕。當(dāng)SPU子系統(tǒng)各類別RRC流控到達流控狀態(tài)的時候，通知MPU子系統(tǒng)，使其不將此SPU子系統(tǒng)列入可被選擇的SPU子系統(tǒng)中。排除處于流控狀態(tài)的子系統(tǒng)后，根據(jù)MPU下各SPU子系統(tǒng)的剩余能力，做概率性選擇。MPU選擇不到合適的SPU子系統(tǒng)，則將RRC接入請求返回給轉(zhuǎn)出的SPU子系統(tǒng)。被選擇轉(zhuǎn)入的SPU子系統(tǒng)，如果其CPU占用率超出接入的RRC對應(yīng)的流控門限，則丟棄此RRC接入請求。

2.4 信令負荷分擔(dān)方案

SPU信令處理單板負荷分擔(dān)功能與流量控制算法結(jié)合使用。通過加載V400R008C00的RNC軟件版本開啟SPU信令處理單板負荷分擔(dān)功能。功能開啟初期，相關(guān)負荷分擔(dān)參數(shù)設(shè)置為默認值?？刂泼尕摵煞謸?dān)轉(zhuǎn)發(fā)門限取決于流控門限的設(shè)置，對于流控門限設(shè)置根據(jù)非業(yè)務(wù)和業(yè)務(wù)類的優(yōu)先級進行了定義，分別按照相關(guān)優(yōu)先級的默認值設(shè)置。“控制面負荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)門限”不宜設(shè)置太高，太高會導(dǎo)致分擔(dān)不夠及時；也不宜設(shè)置太低，太低則會導(dǎo)致太多的RRC_REQ被分擔(dān)。“控制面負荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)門限”和“流控門限”之間的間距不宜太小，保證超出負荷分擔(dān)門限之后，各個子系統(tǒng)之間還是可以有效分擔(dān)，而不會導(dǎo)致分擔(dān)出的請求被過早丟棄。兩個關(guān)鍵參數(shù)的參考門限設(shè)置：最低流控門限設(shè)置為60，控制面負荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)門限設(shè)置為50。

2.5 信令負荷分擔(dān)方案的應(yīng)用效果驗證

2.5.1 信令負荷變化情況

對RNC信令處理子系統(tǒng)負荷分擔(dān)功能啟用前后情況進行了對比。通過計算每套RNC內(nèi)有所SPU子系統(tǒng)平均負荷的標準偏差值表示RNC內(nèi)SPU負荷均衡性。統(tǒng)計結(jié)果顯示，總體標準偏差由開啟前的6.6，降低為開啟后的4，下降率為39.4%。說明功能開啟后，各信令處理子系統(tǒng)間的負荷分配得到了均衡。

2.5.2 流控門限修改效果驗證

針對流控門限的設(shè)置進行了試點測試，選取測試RNC,分別嘗試降低非業(yè)務(wù)類流控門限和提高業(yè)務(wù)類流控門限，觀察流控門限改變對RNC負荷和網(wǎng)絡(luò)指標的影響。

選擇RNC385進行降低非業(yè)務(wù)類流控門限試驗，將非業(yè)務(wù)類流控門限參數(shù)分別降低10%。試驗結(jié)果表明，SPU總體負荷仍維持降低趨勢，但由于增加了對于高業(yè)務(wù)的流控事件的保護，因此降低了高業(yè)務(wù)流控事件的觸發(fā)概率，對于日常故障跟蹤和性能分析帶來一定的影響。

選擇RNC388進行提高業(yè)務(wù)類流控門限試驗，將部分業(yè)務(wù)類的流控門限提升了5%。由門限調(diào)整前后的RNC基本運行指標來看,CS域RRC試呼次上升了2%，但是CS域RRC建立失敗次上升了14%。由于提升了業(yè)務(wù)流控事件的觸發(fā)門限，降低了相關(guān)業(yè)務(wù)流控事件的觸發(fā)概率，但是會導(dǎo)致RNC的平均負荷和峰值負荷的增加，從而提升了系統(tǒng)的運行風(fēng)險。

2.5.3 負荷分擔(dān)門限修改效果驗證

為嘗試進一步降低信令處理負荷，進行調(diào)整信令負荷分擔(dān)參數(shù)“控制面負荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)門限”的實驗，選擇RNC404進行試驗，將門限參數(shù)提高10%。試驗結(jié)果表明，調(diào)整后子系統(tǒng)由于SPU子系統(tǒng)負荷分擔(dān)而分擔(dān)出/入的RRC次數(shù)較調(diào)整前有明顯的減少,但從平均信令負荷來看，調(diào)整前后并未發(fā)生顯著變化。3 應(yīng)用總結(jié)

此次試點應(yīng)用通過實驗結(jié)果驗證了實驗理論邏輯關(guān)系的成立。如果調(diào)低非業(yè)務(wù)的流控門限，這樣業(yè)務(wù)的流控事件減少，但是故障跟蹤和性能分析受到明顯影響，無法使用；如果調(diào)高業(yè)務(wù)的流控門限，這樣流控事件減少，但是RNC的平均負荷和峰值負荷也進一步上升，影響運行安全。提高負荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)門限則對降低系統(tǒng)整體信令負荷沒有明顯的促進作用。因此流控門限和負荷分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)門限這兩個關(guān)鍵門限的參數(shù)設(shè)置需要綜合考慮產(chǎn)品特性和具體應(yīng)用場景。

無線網(wǎng)絡(luò)控制器信令負荷分擔(dān)方案突破了原本TD基站小區(qū)與信令處理子系統(tǒng)一對一的對應(yīng)關(guān)系，有別于傳統(tǒng)的通過硬件擴容等方式來緩解信令擁塞的問題解決思路，通過信令處理子系統(tǒng)負荷分擔(dān)算法以及合理的參數(shù)閾值設(shè)置實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的信令負荷分擔(dān)，以更快捷、高效的方式解決由于不均衡問題導(dǎo)致的信令負荷突增情況，促進提升TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體的接納能力，有助于運營商控制網(wǎng)絡(luò)維護成本及后期投入，具有推廣價值。

［1］張樹才.WCDMA及無線網(wǎng)絡(luò)控制器負荷分析及研究[J].電子科技,2015(03).

［2］周飛.WCDMA網(wǎng)絡(luò)RNC信令風(fēng)暴研究[J].郵電設(shè)計技術(shù),2013(08).