40、超越 3G 网络中异构切换决策的数据收集

超越 3G 网络中异构切换决策的数据收集

1. 通用计量基础设施（GMI）概述

通用计量基础设施（GMI）是一个基于主题的发布/订阅系统。信息“类型”以树状结构组织，树的每个叶子节点由类似 DNS 的地址标识。GMI 支持三种不同类型的请求：
- 定期测量 ：计量客户端可以订阅定期计量任务，需指定期望的报告周期和关注的主题。
- 触发器 ：可以为测量设置触发器，计量客户端指定一个或多个计量值的阈值，当值超过或低于给定阈值时，客户端会立即收到通知。
- 请求/回复 ：计量客户端请求特定数据值时，会立即得到响应。客户端发送类似订阅的请求消息，接收包含值的回复消息。

GMI 会采用适当方法优化数据传输，例如合并相似任务和构建分发树。

2. 粒度周期和报告周期

在 3GPP 网络中，监测通常处理的是派生的“关键性能指标”（KPI），而非网络元素的原始数据。网络元素在一个称为粒度周期（GP）的间隔内收集原始数据，GP 结束后用于计算 KPI。目前网络元素（如 RNC）的最小 GP 为 5 分钟，典型值为 30 分钟，这样的粒度对构建异构资源管理系统帮助不大。

对于 GMI，计量器工作方式相同，但粒度周期更短。每个计量器有特定的最小 GP，GMI 的发布/订阅系统只有在 GP 结束时才有新数据。

• 定期测量的最小报告间隔为一个 GP。
• 触发器系统只能在每个 GP 结束时评估触发器是否触发。
• 请求/回复式查询在当前 GP 结束后回复，可能会延迟一个 GP。

对于定期测量任务，客户端以 GP 的倍数指定报告间隔，称为报告周期（RP）。例如，RP 为 10 GP 表示每第 10 个计量值会报告给客户端。

3. GMI 在未来移动网络中的部署

在 3G 以上网络中，对于 UMTS，计量器可放置在无线电网络控制器（RNC），它是控制数百个小区的中心节点。而在其他无线电接入网络中，数据收集位置更分散。

小区与分组核心网络之间的链路是移动网络运营商稀缺且昂贵的资源，管理任务需节省带宽。MMCE 与计量器之间的接口取决于计量器类型和它们之间的链路。传统计量器可使用 SNMP 等协议，支持 GMI 的计量器则使用优化的数据节省协议。

4. 模拟设置

4.1 用户和无线电网络模拟器

模拟器模拟移动网络及其用户，将不同无线电接入网络（RAN）的多个小区放置在地图上，用户在地图上移动并开启和停止会话。采用“加速实时”模拟，事件发生速度约为现实的 15 倍。

地图包含一个 LTE 小区、五个 UMTS 小区和三个 WLAN 热点，信号质量基于用户与小区中心的距离，UMTS、LTE 和 WLAN 小区仅在带宽和覆盖范围上有差异。

用户的移动模型是修改后的随机路径点模式：
- 40%的概率选择地图上的新路径点。
- 10%的概率移动到 WLAN 热点覆盖的三个有趣位置之一。
- 50%的概率在当前位置停留一段指数分布的随机时间。

会话持续时间和会话间的等待时间均为指数分布，每个用户平均有 0.5 个会话。

用户通过开启会话在空口产生实际负载，GMI 在基站与核心网络之间的回程链路上产生信令负载。假设两者流量无直接交互，最终用户流量主要受空口可用带宽限制，回程链路应根据用户和信令负载总和的估计进行最小化配置。

启动时，用户连接到最强的 RAN。模拟器内置网络内部资源管理，允许同一 RAN 内的小区间切换，切换逻辑由以下算法实现：

# 移动终端和 RAN 内部 RM 决策
def mobile_terminal_and_ran_internal_rm_decisions(users, cells):
    for u in users:
        # 移动终端侧逻辑。如果 N - RM 推荐了小区，移动终端尝试连接
        for c in global_rm(u).recommended_cells:
            if signal_quality(c, u) > thminimum_sq:
                u.handoverTo(c)
                continue
        # 本地 RM 逻辑。仅在同一 RAN 的小区内进行切换
        for c in nearby_cells(u.current_ran):
            if signal_quality(c, u) > thminimum_sq and load(c) < thcritical_load:
                score_c = calculate_score(load(c), signal_quality(c, u))
                if score_c > score(former_best_cell):
                    new_best_cell = c
        if new_best_cell:
            u.handoverTo(new_best_cell)

在没有全局资源管理应用（N - RM）运行时，不同 RAN 间无切换。用户离开当前 RAN 覆盖范围时，会丢失会话并在发现旧网络消失后扫描新的 RAN。

模拟器可接受大量关于小区和用户参数的 GMI 订阅，所有计量器的最小粒度周期为 1 秒（实际系统中为 15 秒）。

4.2 N - RM

网络资源管理（N - RM）是用于切换管理的全局应用，通过 GMI 从模拟器获取数据，其决策反馈给模拟器，影响移动终端的小区选择。

假设 N - RM 只知道用户所在小区的大致位置，无法确定用户当前位置可用的具体小区，只能大致了解小区重叠情况。移动终端最初也不知道其他 RAN 的小区，实际中扫描不同频率会浪费电池电量，因此 N - RM 会给移动终端提示要搜索的小区，移动终端收到提示后才会扫描。

测试了五种不同设置：
1. 无 N - RM 的实验 ：用户将留在当前 RAN 直到失去连接。
2. 纯基于触发器的 N - RM 实验 ：N - RM 订阅每个小区的负载和每个用户的信号质量，基于触发器订阅，阈值被跨越时收到通知。用户信号质量差时，请求周边小区负载信息并推荐小区；小区过载时，选择部分用户并发送推荐。
3. 基于定期报告的 N - RM 实验 ：N - RM 定期订阅每个小区的负载信息和每个用户的信号质量信息，使用最新报告值进行决策，基本决策算法与纯触发器实验相同。
4. 触发器和定期报告结合的实验 ：触发器触发且 N - RM 采取行动后，进入成功控制循环，关闭触发器，用定期测量任务持续监控关键值。每次收到当前值时，检查系统是否仍处于临界状态，根据情况采取行动。情况解决后，以较低阈值取消定期测量任务，恢复触发器。
5. 全信息 N - RM 实验 ：N - RM 以 1 GP 的报告周期订阅模拟器中所有值的定期报告，可视为 N - RM 可能订阅的理论最大数据量，决策算法相同。

以下是 N - RM 在不同情况下的决策逻辑算法：

# N - RM 在信号质量差时的决策逻辑
def n_rm_decision_logic_on_bad_signal_quality(users, cells, u):
    if signal_quality(u) < thminimum_sq:
        recommended_cells = []
        for n in neighbour_cells(cell(u)):
            if load(n) < thacceptable_load:
                recommended_cells.append(n)
        recommended_cells.sort(key=lambda x: load(x))
        send_recommendation(u, recommended_cells)

# N - RM 在小区过载时的决策逻辑
def n_rm_decision_logic_on_cell_overload(users, cells, c):
    if load(c) > thcritical_load:
        recommended_cells = []
        for n in neighbour_cells(c):
            if load(n) < thacceptable_load:
                recommended_cells.append(n)
        recommended_cells.sort(key=lambda x: load(x))
        receivers = random_subset(users(c))
        for r in receivers:
            send_recommendation(r, recommended_cells)

5. 结果

• GMI 报告产生的流量 ：随着系统中用户数量增加，报告周期为 10 GP 的定期报告曲线呈线性增长，报告周期为 1 GP 的曲线也是线性但数值较高。系统负载低时，触发器产生的消息很少；负载增加时，触发器消息数量激增；负载极高时，消息数量再次减少。“组合报告”曲线产生的消息始终少于触发式和定期报告曲线。
• 决策质量评估 ：通过失败会话百分比评估决策质量，令人惊讶的是，触发式曲线表现优于定期报告和组合报告。虽然触发算法简单，但测量参数的方差大，资源管理经常触发，导致 N - RM 向用户发送更多推荐。
• 系统平均负载 ：用户数量可衡量提供的负载，垂直轴表示系统可处理的实际负载。网络资源管理的主要改进空间在于 WLAN 小区，没有资源管理时，用户即使经过 WLAN 小区也不会切换，有资源管理时，部分用户可切换到 WLAN，提高系统可用带宽利用率。

6. 数据量

GMI 在实现中使用未压缩的 XML 数据格式，但在生产环境中，使用更节省带宽的协议更有利。以下是六种候选协议的性能比较：
| 协议 | 特点 | 压缩后数据量占原始 XML 比例 |
| ---- | ---- | ---- |
| 未压缩 XML | 数据以纯文本传输，透明度高，但浪费回程链路带宽 | 100% |
| WBXML | 用较短二进制字符串替换 XML 标签，内容不变。无 DTD 时构建字符串表，示例中数据压缩至 69% | 69% |
| Google Protocol Buffers | 保留 XML 层次结构，示例中数据压缩至 45% | 45% |
| Diameter | 3GPP 网络常用计费协议，需将 GMI 消息映射为扁平键值对，示例数据量为原始 XML 的 25% | 25% |
| IPFIX | 基于 Cisco 的 Netflow v9 协议，将属性和值分开传输，示例数据压缩至 12% | 12% |
| LZ77 压缩 XML | 对多个消息传输过程中的状态进行压缩，长期来看（50 条消息后），数据量可降至原始 XML 的 7%，但会增加发送和接收端的内存和 CPU 使用成本 | 7% |

综合考虑，假设使用 IPFIX 传输数据，结合之前的实验结果，得到不同资源管理设置下的数据量与成功率对比表：
| 资源管理设置 | 用户数量 | 失败会话百分比 | 每小区数据量 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 无 | 80 | 2.28% | 0.00 kBit/s |
| 组合报告（RP 10） | 80 | 0.40% | 0.01 kBit/s |
| 全信息（RP 1） | 80 | 0.09% | 0.64 kBit/s |
| 无 | 160 | 28.01% | 0.00 kBit/s |
| 组合报告（RP 10） | 160 | 22.09% | 0.09 kBit/s |
| 全信息（RP 1） | 160 | 14.16% | 1.18 kBit/s |

可以看出，异构接入管理在使用很少带宽的情况下能带来高收益。80 用户时，组合定期和触发报告的结果与全信息情况接近；160 用户时，无线电网络已过载，但 N - RM 所需消息数量与用户数据量相比仍可忽略不计，甚至可考虑发送所有可用数据（GP 1）到 N - RM。

7. 相关工作

近年来，异构网络切换研究很多。一些方法将网络选择决策交给移动终端，这是合理的设计概念，因为移动终端可获取周边基站信号质量信息，而以网络为中心的决策引擎需将信息传输到核心网络，会引入延迟和可能的不精确值。

超越 3G 网络中异构切换决策的数据收集

8. 不同资源管理方式的流程图分析

为了更清晰地展示不同资源管理方式的工作流程，下面给出相应的 mermaid 格式流程图。

8.1 纯基于触发器的 N - RM 流程图

graph TD;
    A[开始] --> B{阈值是否被跨越};
    B -- 是 --> C[请求周边小区负载信息];
    C --> D[推荐小区];
    B -- 否 --> E[等待阈值变化];
    E --> B;
    D --> F[结束];

这个流程图展示了纯基于触发器的 N - RM 工作流程。当阈值被跨越时，系统会请求周边小区负载信息并推荐小区；若阈值未被跨越，则持续等待阈值变化。

8.2 基于定期报告的 N - RM 流程图

graph TD;
    A[开始] --> B[定期接收报告信息];
    B --> C{是否有新数据到达};
    C -- 是 --> D[运行决策算法];
    D --> E[执行决策];
    C -- 否 --> F[等待新数据];
    F --> B;
    E --> G[结束];

基于定期报告的 N - RM 会定期接收报告信息，当有新数据到达时运行决策算法并执行决策，若没有新数据则继续等待。

8.3 触发器和定期报告结合的 N - RM 流程图

graph TD;
    A[开始] --> B{触发器是否触发};
    B -- 是 --> C[采取行动];
    C --> D[进入成功控制循环];
    D --> E[开启定期测量任务];
    E --> F{系统是否仍处于临界状态};
    F -- 是 --> G[请求额外数据并决策];
    G --> H[执行决策];
    F -- 否 --> I{是否达到取消阈值};
    I -- 是 --> J[关闭定期测量任务，恢复触发器];
    I -- 否 --> E;
    H --> F;
    B -- 否 --> K[等待触发器触发];
    K --> B;
    J --> K;

这种结合方式在触发器触发后进入成功控制循环，用定期测量任务监控关键值，根据系统状态采取相应行动，情况解决后恢复触发器。

9. 不同协议的优缺点总结

协议	优点	缺点
未压缩 XML	数据透明度高，易于理解和调试	浪费回程链路带宽
WBXML	一定程度上压缩数据，保留标签内容	无 DTD 时构建字符串表较复杂
Google Protocol Buffers	有效压缩数据，保留 XML 层次结构	依赖元信息，与其他协议直接比较可能不公平
Diameter	是 3GPP 网络常用计费协议，通用性强	需要将 GMI 消息映射为扁平键值对，可能丢失部分信息
IPFIX	能有效节省带宽，灵活适用于不同场景	对于简单数据传输可能过于复杂
LZ77 压缩 XML	长期来看压缩率高	增加发送和接收端的内存和 CPU 使用成本

10. 对异构切换决策数据收集的综合思考

从上述的实验结果和分析可以看出，在超越 3G 网络的异构切换决策数据收集中，不同的资源管理方式和数据传输协议各有优劣。

在资源管理方面，触发式和定期报告的结合方式在消息数量和决策质量上取得了较好的平衡。触发式在系统负载变化时能及时响应，但消息数量在高负载下可能会激增；定期报告则能提供稳定的数据，但可能会产生不必要的流量。结合两者的优点，在触发后进行定期监控，能更好地应对不同的网络状态。

在数据传输协议方面，IPFIX 在节省带宽上表现出色，且具有一定的灵活性，适合在回程链路资源有限的情况下使用。而未压缩 XML 虽然透明度高，但在实际生产环境中会造成带宽浪费，不太适用。

未来，随着网络技术的不断发展，异构网络的复杂性会进一步增加，对数据收集和切换决策的要求也会更高。可能需要进一步优化资源管理算法，结合更多的网络信息进行决策，同时探索更高效的数据传输协议，以满足不断增长的网络需求。

11. 总结

本文围绕超越 3G 网络中异构切换决策的数据收集展开了详细的研究。首先介绍了通用计量基础设施（GMI）的基本概念和支持的请求类型，以及粒度周期和报告周期的相关知识。接着阐述了 GMI 在未来移动网络中的部署方式和模拟设置，包括用户和无线电网络模拟器以及网络资源管理（N - RM）的不同设置。

通过实验结果分析了不同资源管理方式下 GMI 报告产生的流量、决策质量和系统平均负载情况。同时，比较了多种数据传输协议的性能，指出了在生产环境中应选择更节省带宽的协议。最后，通过流程图和优缺点总结对不同资源管理方式和协议进行了更直观的展示和分析。

异构切换决策的数据收集是超越 3G 网络发展中的重要环节，合理选择资源管理方式和数据传输协议对于提高网络性能和资源利用率具有重要意义。