【摘 要】为实现网络负荷的实时自动分流，保证用户良好的业务体验，提出了一种基于超级无线策略控制器构想的GSM/WLAN数据分流方法，并在高校场景下进行应用，详细阐述了超级无线策略控制器（SWPC）的实现原理。经过测试验证，能够实现GSM蜂窝网络的数据业务向WLAN网络的实时迁移与分流。
【关键词】超级无线策略控制器 全球移动通信系统 无线局域网 数据分流
1 引言
随着智能终端的普及，移动互联网呈迅猛发展态势，用户对无线宽带的需求逐渐增高。预计到2020年MBB（移动宽带）流量将增长500倍，热点流量将达到当前的2 000至3 000倍。如何应对激增的数据流量冲击是当前运营商面临的巨大挑战。
就中国移动的网络现状来看，在未来相当长的一段时间内，将同时运营GSM/TD-SCDMA/TD-LTE/WLAN四张网络，而不是遵循业界传统的2G/3G/4G之间网络生命周期替换规律。那么必然要求四张网络相互协同、优势互补，实现低成本、高效率的协调均衡发展，给用户提供“一张网”的业务体验。在定位上，四张网络各有其侧重点：GSM网络主要承载GSM语音、短信等基础业务以及中低速的数据业务；TD-SCDMA网络主要承载手机终端的移动数据业务以及部分话音业务；TD-LTE网络主要承载高速的数据业务，同时具备语音功能；WLAN网络主要作为热点区域的数据业务分流，承载低价值、低移动性、低QoS的数据业务。然而由于终端发展的限制以及用户习惯，四网现阶段并不能很好地协同并达到预期的效果，因此本文提出了SWPC（Super Wireless Policy Controller，超级无线策略控制器）的概念。
2 SWPC的设计原理
本文所介绍的SWPC作为独立的网元（基于IBM Server xSeries343基架式服务器），储存有现网GSM小区及AP所有位置信息，并可以根据运营商需求进行策略定制，基于负荷、终端、签约方式等信息进行网络选择。同时，在终端侧需要按照与之相对应的客户端软件，通过TCP连接从SWPC服务器中获取选网策略。
SWPC的设计是基于3GPP R10协议中定义的ANDSF（Access Network Discovery Support Functions，接入网发现和选择功能单元）标准，初步实现了GSM与WLAN之间的“超级无线策略控制”，且SWPC作为终端的接入锚点实现GSM与WLAN之间的智能选网，通过网络与终端交互协同，实现网络接入的有效分类。其可以基于GSM与WLAN两网之间的负荷、终端能力、用户签约情况等信息制定策略，帮助终端用户选择最佳的网络制式，实现多种协同方式的协同运营。
2.1 SWPC组网方案
SWPC组网方案如图1所示：
图1 SWPC组网方案
SWPC组网方案的核心设计思想是主动实现资源与业务负荷的最优匹配。SWPC服务器位于核心网侧，一方面与GGSN打通路由，另一方面其配置了公网IP，通过CMNET与AC连通。将四张网在RAN侧汇聚成一个节点，充分利用网络资源，实现统一调度和控制。它位于核心网与RAN侧中间，将BSC/RNC/eNodeB/AC等节点的无线资源管理（RRM）功能逐渐汇聚到SWPC，实现RRM功能集中，并可基于终端位置以及申请的业务类型选择承载网络，协同使用四网资源。
2.2 SWPC的工作原理及流程
（1）终端安装客户端软件。当其发起数据业务时，首先向基站控制器BSC进行注册，并将相关Cell ID信息上报至SWPC服务器。
（2）SWPC服务器内存储有全网BSC小区及小区内AP相关信息，其根据小区负荷决定是否向用户发送WLAN热点被发现的通知消息；如果负荷达到一定门限则发送热点发现的通知消息，否则不发送。
负荷判决依据为考察时段内上行数据业务硬拥塞率大于2%或下行数据硬拥塞率大于2%且流量大于1MB的小区，其数据业务硬拥塞率计算公式如下：
上行硬拥塞率公式为：
（1）
下行硬拥塞率公式为：
（2）
其中，K是与天线特性有关的参数；γ是路损系数，对于Wi-Fi为5。
Pi表示SWPC中的优先级，网络运营商或提供商基于这个优先级选择最好的网络，计算公式如下：
（3）
T与时间有关，当优先级只适用于改善拥塞，则T设置为0，并且优先级设置为默认优先级；α是建议的优先级系数。
SWPC根据所获信息查询网络负载状态及用户相关信息，并根据用户终端上报的Cell ID向网管系统查询相对应的蜂窝网小区的负载信息，如当前激活用户数、物理资源块利用率等；同时，根据WLAN AP的MAC地址向网管系统查询相应AP的负载信息，如信道利用率、当前接入或活跃的用户数等。然后SWPC从用户信息数据库获取用户的相关信息，包括用户可接入的SSID列表等。
（3）SWPC服务器向终端发送热点发现与通知消息，其中包含可用的Wi-Fi SSID等参数。
（4）终端打开根据接收到的热点发现通知信息启动Wi-Fi模块，并基于SSID进行网络搜索，若成功则选择最优的WLAN AP接入，若失败则关闭Wi-Fi模块，继续在蜂窝网进行数据业务。后续如果终端移动出了Wi-Fi覆盖区域而导致多次搜不到Wi-Fi网络，则终端软件自动关闭Wi-Fi功能模块。
通过此过程，在用户接入时进行蜂窝网络和WLAN网络的性能及负荷对比。在蜂窝网络负荷较高时引导用户从蜂窝网络切换到WLAN网络，减轻GSM网络的负荷；同时充分利用WLAN网络，降低WLAN网络热装冷用问题。
3 SWPC实验效果分析 本次实验试点方案选择西安财经学院（长安校区），首先对该区域的宏基站流量及WLAN覆盖情况进行摸底。根据现网的分析，当前的WLAN覆盖主要满足了学生在宿舍内使用笔记本进行上网的需求，而宿舍外的教学楼、图书馆、体育场等区域仍有数据业务的需求，为了减轻这些区域室外宏站的压力，释放用户移动上网需求，建议对以下区域做覆盖，如图2所示。并通过基于SWPC的WLAN自动分流、PEAP自动认证和流量资费包等措施，将这些地方的数据业务引导到WLAN上来，同时验证SWPC解决方案的实施效果。
3.1 西安财经学院宏网与WLAN覆盖及性能情况
分析
西安财经学院（长安校区）分为4个区域：运动区、教学办公区、教工宿舍区、学生生活区，目前已经对人员密集的教工宿舍区（包括1至8号学生公寓楼、1至3号青教楼）做WLAN深度覆盖，设计目标覆盖16 560用户。
根据现网统计（1至8号宿舍楼），总体使用情况较好，忙时数据具体如表1所示：
表1 1至8号学生宿舍楼的WLAN用户数据统计
热点 忙时平均在线
用户数 忙时总流量/MB 每用户平均下载速率/kbps
5号宿舍楼 526 45 820.54 137.4
6号宿舍楼 555 62 119.05 185.4
8号宿舍楼 3 1 400.93 547.1
以7号宿舍楼为例，虽然忙时平均在线用户数和总流量最多，但由于WLAN信道共享，忙时用户的平均速率不高。图3为7号宿舍楼忙时WLAN话务统计，话务主要集中在下午和晚上。
从表2的统计可以看出，西安财经学院（长安校区）目前覆盖室外和非宿舍区的GSM宏站负荷普遍较高，说明这些区域仍有较大的数据业务需求，需要分流方案，而该区域WLAN负荷较低。利用ANDSF方案可以进行GSM与WLAN流量协同，充分利用现有WLAN网络来缓解GSM网络压力，释放用户上网需求。
表2 西安财经学院（长安校区）GSM基站及小区的覆盖区域小区 站址 覆盖区域
2875、2876 2号宿舍楼基站 知味苑食堂和第二教学楼及附近区域
17797、17798 5号宿舍楼基站 第二教学楼及附近空旷区域
5337、5338 8号宿舍楼基站 清真食堂及宿舍室外区域
5259 青教楼基站 第二教学楼和图书馆中间室外空旷区域
（图书馆） 图书馆内、行政楼、实验楼及周边室外区域
3.2 财经学院基于SWPC的数据业务分流方法的
具体实现流程
终端安装连接管理器软件，进行数据业务时和SWPC交互，判断当前位置是否有WLAN覆盖，并根据小区和AP负荷确定是否需要切换至WLAN，总体流程分为3个阶段：选网时机判定、WLAN发现过程、WLAN选择过程。
（1）选网时机判定
安装在终端的客户端软件运行在后台，实时监控终端的状态和业务使用情况，以此判断是否有必要发起WLAN发现和选择过程。当终端处于2G/3G连接状态并同时满足如下条件时，客户端启动WLAN发现和选择，否则保持当前连接状态。
◆非锁屏状态，在锁屏状态时即使有业务流量也不大，没有必要切换到WLAN。有些用户也希望WLAN接入时进行提醒或确认。另外，如果WLAN按时长计费，锁屏状态自动连接WLAN可能导致资费问题。因此，锁屏状态没有必要进行WLAN自动分流。
◆累计到一定的业务流量（流量门限用户可配置，小流量应用或背景流量没有必要切换到WLAN）或者特定应用激活（可配置，如在线视频应用）。
（2）WLAN发现和选择过程
在判定需要进行WLAN选网后，首先发起WLAN发现过程。对于WLAN模块已经打开的终端，可以省略该过程，直接扫描网络即可。
◆客户端向SWPC请求网络发现信息，携带终端当前的位置信息，即小区ID。
◆SWPC预置小区和WLAN热点的对应关系，根据小区位置判断终端是否进入WLAN覆盖区域。
◆如果终端当前小区有WLAN，则指示客户端打开WLAN扫描网络（由于小区和WLAN未必共覆盖，只有通过扫描WLAN才能确定是否进入WLAN覆盖）。
如果搜索到用户感兴趣的SSID（根据用户的账号配置确定），则启动WLAN选择过程。
◆客户端向ANDSF请求选网策略，携带扫描到的WLAN信息，包括SSID和BSSID等。 ◆SWPC根据2G/3G和WLAN的网络状态，确定优先网络。
◆如果优选WLAN，则指示客户端接入WLAN，可以指定AP。
◆客户端根据ANDSF指示接入WLAN（是否提醒用户可配置）。对于Portal认证（CMCC或CMCC-EDU），由客户端完成Portal认证；如果是EAP认证（CMCC-AUTO），则由系统自动完成认证。
3.3 财经学院SWPC方案测试效果分析
在预装客户端的手机上成功验证了通过SWPC控制GSM/WLAN选网的机制。根据SWPC服务器所设置的策略，控制终端是否弹出WLAN登录提醒，手机用户确认登录后自动完成WLAN接入和认证，并设置友好页面对用户的WLAN包进行流量提醒。如图5所示。
通过对财经学院全校师生进行SWPC客户端软件预装，统计该区域内WLAN网络优化覆盖和用户体验得到了明显提升：WLAN忙时在线用户数提升26.7%，峰值流量增长56.3%，GSM的高负荷压力得以有效缓解。SWPC的分流策略执行较准确，分流成功率达到75%，但还有优化的空间。同时对用户的数据业务体验提升显著，80%以上的体验用户认为手机上网速率更快。如图6所示。
4 结束语
本文通过基于四网协同“超级无线策略控制器”的构想，结合3GPP中ANDSF标准设计出了基于ANDSF服务器实现GSM与WLAN之间数据流量协同的方案，根据用户接入时两网的负荷等情况，为用户选择体验最佳的网络。该方案在西安财经学院（长安校区）进行了部署试点，并达到了智能分流GSM/WLAN数据流量的效果，对用户的感知提升明显。
基于SWPC方案仅实现了“超级无线策略控制器”构想的第一步：完成GSM/WLAN两网间的策略控制。后续随着TD-SCDMA和TD-LTE网络接口进一步集成，“超级无线策略控制器”的方案将进一步成熟并扩展到3G、4G网络，真正实现中国移动GSM/TD-SCDMA/TD-LTE/WLAN网络的四网协同。
参考文献：
[2] 工业和信息化部电信研究院. 移动互联网白皮书[R]. 2011.
[3] 杨静. 基于ANDSF实现WLAN和蜂窝网间选网机制的增强[J]. 电信科学， 2012（5）： 99-103.
[4] 薛忠余. 一种ANDSF获取接入网动态信息的方法[J]. 信息通信技术， 2012（3）： 88-91.
[5] 张振专. 基于智能终端辅助的ANDSF网络选择机制增强[J]. 信息通信， 2013（1）： 174-177.
[6] 胡陶军，胡铮，苗杰. 基于WLAN与蜂窝网协同的终端选择算法[J]. 计算机工程， 2013（1）： 116-119.
[9] 高泽华. 室内分布系统规划与设计――GSM/TD-SCDMA/TD-LTE/WLAN[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2013.
