智能终端和永远在线应用对移动网络的冲击

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3G网络，智能终端和丰富的应用相融合推动移动互联网的迅猛发展，以youtube、Facebook、Skype为代表的移动互联网业务被广泛使用。通过移动终端接入互联网的数量呈爆炸式增长。根据Morgan Stanley今年对全球互联网趋势的分析，目前使用移动终端的互联网连接数增长速度远高于固网接入连接数的增长，并将于2015年最终超越固网连接数，超过16亿用户，成为互联网最大的接入手段。移动互联网的巨大成功为移动网络带来持续高速增长数据流量，促进移动网络向高速率，低时延，扁平化的方向发展。另一方面，也给现有网络带来了数据海啸的冲击。 　　移动互联网的巨大成功，离不开智能手机等移动宽带终端的应用。以iPhone、黑莓、android手机为代表的新型智能手机，给用户提供了更友好的人机界面、更方便使用的触控技术、更便捷的应用体验、更适用于移动终端的浏览器，这些都刺激用户更长时间通过移动网络接入互联网。Iphone 在其发布后的10个季度内增长速度远快于Netscape，AoL等固定接入互联网技术发布后的增长。智能终端用户量的快速增长对移动网络造成的冲击屡次显现。以美国某主流运营商为例，过去3年移动数据流量暴增50倍以上，新增流量绝大部分来自iPhone。网络由于iPhone对数据业务的需求不堪重负，网络质量明显下降。分别统计智能终端和普通终端所产生的网络流量并作对比，智能手机产生的网络负荷是普通手机的3-8倍，从国外成熟WCDMA运营商的统计来看，27%的iPhone手机产生70%的数据业务建立信令。这意味着移动网络运营商在提供同样的数据接入能力时，不得不付出更多的网络资源，即使这种资源消耗并不产生成比例的收益。 　　移动互联网的另一大推手是快速涌现的新型应用。社交网络，视频应用和IP语音是占比较高的应用类型。而在我国，随着3G业务的广泛开展，移动互联网逐渐渗透到生活和工作的各个领域，移动音乐、手机游戏、视频应用、位置服务等丰富多彩的移动互联网应用迅猛发展，移动互联网用户和业务规模呈现爆炸式增长。据易观国际最新发布的数据显示，2010年上半年我国移动互联网用户数达2.14亿，市场收入规模达人民币237亿元;预计到年底，用户数将达3亿，而全年收入规模将达633亿元。而李开复在接受媒体采访时预测中国移动互联网用户数将在未来3到5年内增长至8亿人。以上数据都显示，未来我国的移动互联网用户数仍呈现强劲的增长趋势，需要移动网络做好充分的准备以应对数据海啸的冲击。 　　移动互联网的应用，也改变着人们的生活习惯。现在，人们可以通过移动互联网建立社交圈，并需要随时在多个社交圈中活动，而手机和移动网络成了最有可能实现随时上线的工具，也刺激了用户想要永远在线用户体验的需求。所谓永远在线就是要网络为该应用保持长期可用的会话和连接，其占用的网络资源包括：移动性管理上下文中的用户状态长期处于连接态(connected)，无线接入承载(RAB)，用户承载上下文(PDP)，以及长期占用公网IP地址等。无线资源的稀缺性决定了移动分组网络按需分配的特性，因此并不天然地永远在线的需求，这主要由以下三个方面原因造成： 　　1) 移动网络资源的按需分配 　　由于无线资源有限，用户只能分时分频使用的特点，以及数据应用流量断续的特点，决定了移动网络的资源是按需分配给数据流量，而信道的分配和释放需要无线和核心网的信令交互。在GPRS分组交换的通信方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系。数据传送之前并不需要预先分配信道、建立连接。当有数据传送时，终端向SGSN发起PDP激活请求和业务请求，在请求被接受后，GPRS网络为终端建立会话，分配无线接入承载，并根据数据流需要分配无线信道。移动网络中设计了多种定时器用于监视用户的移动性状态，会话状态和数据收发状态。当定时器到时后，网络根据用户状态释放相应的资源。按需分配机制无法满足业务永远在线的需求。 　　2) GPRS网络不完全支持PUSH类应用 　　传统移动数据应用多为PULL类(如浏览，下载等)，只要GPRS网络支持呼出功能即可实现。而智能终端上出现的大量在线应用多为双向应用(如IM，Facebook等)，要求GPRS网络支持呼入功能。 　　GPRS虽然设计支持呼入功能，但设备和网络都未实现，终端也大多不支持此类操作。造成了事实上目前GPRS只有“pull” 功能，”push”只能依靠短信通知等手段间接实现。但这一方面会增加电路域网络压力，另一方面也显然不能满足即时通信灵活便捷的需要。 　　3) 部分终端的快速休眠机制 　　智能手机上大量数据传输，会严重消耗手机终端的电池容量。为了延长手机电池的使用寿命，以iPhone为代表的部分智能终端启动了快速休眠机制。快速休眠，导致了状态的频繁迁移，即每次数据包发送，均从idle态进行PS呼叫建立，迁移到DCH态发送，发送完毕后又从DCH态强制返回idle态。快速休眠机制导致了手机频繁的PDP的激活/去激活，不能保证永远在线能力。 　　从以上三个方面可以看出，由于移动网络和手机终端的特性，无法为应用提供永远在线的能力。然而永远在线是社交类应用，在线视频，电子办公等流行应用的需求，对用户体验提高有极大作用。因此应用开发者在了解移动网络的资源分配机制的基础上，利用高频率、规则的“心跳”，不断给网络有数据传输的信号，网络于是不断为其分配资源，即使在其并没有有效信息传送时也是如此。这类应用也被称为永远在线类应用。这些永远在线类应用都具有频繁、断续的小数据包发送和接收这一共同的行为特征。 　　目前永远在线典型应用包括以下几种： 　　a) QQ,MSN等即时通信类应用。这类应用的客户端通过定时向应用服务器发送“心跳消息”达到长期占用外网IP地址的目的，且服务器可以通过感知终端上报的“心跳消息”来感知客户端的在线状态。这类应用不仅频繁的“心跳消息”占用了大量的信令资源，其好友状态更新、群消息、多人通话等行为也消耗大量网络资源。 　　b) Smartphone上的大量智能应用，如google map等移动定位类业务，Email、Facebook等消息类业务，游戏、视频、音乐等媒体类业务等等。以Email为例，要实现Email直接推送，移动手机需要与Exchange Server之间维持一个HTTPs的长连接，并通过频繁的心跳消息来维持这个HTTPs长连接。 　　永远在线类对网络影响分析 　　永远在线类应用为了满足永远在线的需求，采用了对网络有破坏性的“心跳消息”来达到目的，对2G/3G网络都带来的巨大的冲击。 　　在GSM网络上，对于信令面，QQ等即时通信类业务引起了CCCH公共控制信道过载，并导致CS寻呼拥塞，影响用户基本话音体验。据某省统计，QQ的控制信道消耗是其他业务(如网页浏览和下载)的5~10倍，导致一些地区控制信道负荷超过红色门限或黄色门限(>0.9);直接造成寻呼成功率低，影响语音用户体验。对于业务面，部分永远在线类业务PDCH资源利用效率较低，即时通信类业务的流量，导致资源消耗和收益不平衡等问题。 　　从国外运营商的3G/LTE网络的统计数据来看，永远在线类应用，特别是智能终端上的智能应用也给3G/LTE网络造成了严重的影响。对于信令面，永远在线类业务频繁发送“心跳消息”，导致用户RRC的状态频繁改变，Iu接口、S1接口用户状态不断改变，寻呼和业务请求信令增加、RAB信令量激增等问题。据统计，用户每发送一字节数据，永远在线类应用会产生超过10倍于普通业务的信令量。图1显示了当开启即时通信(永远在线类应用)后，产生了超过10倍于普通业务的RAB信令量。图2对iPhone、上网卡、普通手机产生的信令量和吞吐量进行了对比，iPhone和上网卡产生的信令量(如PDP激活数、路由区更新信令量等)和吞吐量远高于普通手机。对于用户面，永远在线类应用的小流量、频繁数据包大大降低了业务面资源的利用率，导致空口资源大量闲置却无法使用，影响其他用户接入。据统计，每HSDPA载频最多接入6用户，平均每用户200多kbps，而永远在线类应用仅零点几kbps;每R4承载PDP最小分配16Kbps，，而永远在线类应用仅零点几kbps，影响业务承载效率。 　　四、运营商的面临的挑战 　　随着智能终端、在线类应用的大规模普及以及移动互联网的出现，终端和应用之间正在建立直接的联系，移动运营商有可能弱化为只传送数据但不感知应用的管道。 　　以iPhone为代表的智能手机终端以其优秀的设计吸引了大量用户使用移动网络，增大了运营商的移动用户规模。但同时，智能终端和在线应用也给运营商网络带来了海啸式的数据风暴。据统计，iPhone应用给AT&T网络带来了占比高达40%的无线数据流量，而这些流量对AT&T的收益并不明显。而且随着运营商基础业务价格的不断下降，运营商陷入了增量不增收的尴尬局面，逐渐被弱化为服务提供管道，给运营商的盈利能力带来了严峻的挑战。 　　移动互联网的出现，互联网上很多免费的业务被移动用户广泛使用，特别是互联网的廉价的话音业务的提供，也极大地损害了运营商的话音业务的盈利能力，冲击了运营商旧有的商业模式。 　　五、运营商的应对策略 　　为了应对以iPhone为代表的智能终端以及以youtube、Facebook为代表的永远在线类应用对运营商网络造成的挑战，运营商应积极思考应对策略，以避免被管道化，重新建立以运营商为主导的智能应用产业链。 　　关于应对策略，我们认为可以从以下几个方面着手： 　　1) 运营商应与应用提供商，终端制造商建立紧密的联系，形成共识。智能终端和智能应用产生的数据风暴，不仅是对运营商网络产生不利影响，而且也会影响了用户的体验和接入，导致终端的发展遇到瓶颈，最终出现多方受损这一我们最不愿看到的局面。因此，运营商应与应用提供商，终端制造商建立共识，即以对移动网络资源强行滥用的方式提供新型应用不是长久发展之路，最终会导致多方受损，应找到共同发展的方式 　　2) 移动网络应向智能化方向发展，感知业务并建立保证公平使用网络的机制，保证用户有同等的接入权。网络是平等开放给所有用户，但是少部分用户频繁使用永远在线类应用大量占用带宽，导致网络拥塞，影响了大部分用户的上网体验及部分用户的移动网络接入，已经严重影响到了其他用户上网的公平性。据国外某运营商HSDPA网络数据流量分析，5%的用户占用了90%的资源，造成了用户使用网络的不公平性。因此，为了保证大部分用户使用网络资源的公平性，运营商应该感知网络业务，实现对网络资源的可管可控。ePCC架构是实现运营商对网络资源管控的有效手段。基于ePCC方案，运营商可以实现带宽的精细化管理，实现基于用户、业务、流量的管控，以保证有限的网络资源能被大部分用户公平使用和接入。