基于信令的LTE网络驻留时长算法探讨
陈伟栋 陈郑斌
【摘 要】LTE网络驻留指标直观表征LTE用户接入并驻留在LTE网络内使用业务的情况。通过深入分析基于LTE系统的信令流程，针对网络互操作的各个场景在EPC网络各接口信令流程的特征，梳理出分场景的指标算法规则，提出一种简单有效的基于LTE网络信令的驻留时长指标算法。利用该指标可开展2G/3G/4G网络互操作问题分析定位，指导LTE网络优化工作。
【关键词】驻留时长；网络互操作；网络优化
Research on Signaling based Resident Time Algorithm for LTE Network
CHEN Weidong， CHEN Zhengbin
[Abstract] The LTE network resident indicators （ICTs） directly characterize the situations of LTE users access and reside in LTE networks. The signaling process of LTE systems was analyzed in depth firstly. Secondly， the characteristics of each network interoperability scenarios in each interface signaling process in EPC network were given. Then， the rules of sub-scenario index algorithm were summarized. A simple and effective signaling based resident time index algorithm for LTE network was proposed. The indicator can be used to analyze and locate 2G/3G/4G interoperability as well as guide the LTE network optimization.
[Key words]resident time； network interoperability； network optimization
1 引言
LTE網络建设初期存在较多的覆盖不连续、弱覆盖、设备参数配置不合理的现象，这极大地影响了用户的使用感知。根据运营商相关的投诉数据显示，4G用户的投诉原因中，2G/3G/4G网络互操作是用户投诉的主因之一。
本文主要针对用户能稳定驻留4G网络的感知情况，研究建立LTE网络驻留时长指标，反映LTE用户网络互操作的性能质量，支撑2G/3G/4G网络互操作分析优化工作。
2 基于LTE网络信令的驻留时长算法
目前运营商一般采用用户计费话单统计LTE用户的流量驻留率和驻留时长。其中，流量驻留率是统计用户在LTE网络产生话单流量对于用户总的数据业务话单流量的占比；驻留时长则是统计用户使用LTE业务话单中的总时长。该统计方法较为简单，但无法全面记录用户的LTE网络驻留情况。这种统计方法只能反映用户处于业务态下的LTE网络驻留时长情况，无法对大量空闲态的移动性质量进行分析和有效的指导优化。
2.1 基于信令的驻留时长算法介绍
随着信令监测系统的广泛建设和应用，通过对用户的信令和业务交互过程的监测，可详细还原用户移动性管理和业务过程，准确统计出用户驻留在LTE网络和网络互操作的指标，包括业务态和空闲态驻留时长。为此，通过研究基于LTE系统的信令流程及EPC网络各接口信令流程的特征，结合网络实际组网情况，提出利用4G EPC网络接口的信令来计算出用户LTE网络驻留时长的算法。该方案无需采集2G/3G网络信令，通过分析各个业务场景的信令特征，仅利用LTE网络S1/S11接口的CDR关联来统计出LTE网络驻留时长指标。这种实现方案部署简单，易于大规模推广，并大幅降低了2G/3G/4G网络互操作分析的难度，提高了分析效率、节省了投入。
2.2 基于LTE网络信令的驻留时长算法
LTE用户驻留时长计算的关键是梳理及关联用户接入和退出LTE网络时的关键信令消息，分析特征信令消息之间的时间间隔，从而计算用户驻留4G网络的时长占比。通过对各种应用场景的用户行为进行分析，确定接入退出LTE网络相关的信令判断点和时间戳，通过S1接口的Attach、Detach、TAU、UE Context Release和S11接口的Delete Session等信令共同判定。用户接入退出LTE网络的主要场景如图1所示：
LTE用户驻留时长指标算法：
4G驻留时长=网络总时长-2G/3G驻留时长-用户关机时长 （1）
4G时长驻留比=4G驻留时长/网络总时长 （2）
其中，2G/3G驻留时长包括用户CSFB回落时长，重选/重定向至2G/3G后驻留时长；用户关机时长为用户在4G网络发起Detach流程，直至重新在4G Attach附着流程间隔时长。
2.3 分场景的判定规则和信令特征
以下通过对信令流程的分析，清晰地展示从用户Attach进入4G，4G回落2G/3G，用户重选/重定向进入4G，4G Detach关机四种场景的判定规则以及信令特征，为算法的实现提供理论依据。
（1）用户Attach进入4G场景
用户开机发起Attach流程是用户在4G网络驻留的开始，当出现信令Attach流程可判断该用户开始使用4G网络。具体信令流程如图2所示，用户附着LTE网络的信令特征如表1所示：
（2）用户重选（空闲态）/重定向（业务态）进入4G场景
用户从2G/3G重选或重定向进入4G，均会发起TAU信令流程，当信令出现TAU流程时，可判断该用户从2G/3G回到4G，信令流程如图3所示，用户重选或重定向接入LTE网络的信令特征如表2所示：
（3）4G回落2G/3G网络场景
根据网络配置情况，UE从4G向2G/3G进行跨系统RAU，SGSN和MME间使用Gn接口。在该跨系统RAU流程中，S-GW改变会触发原MME向S-GW发出Delete Session的消息。用户回落到2G/3G网络的信令流程如图4所示。
具体针对该信令流程的算法如下：4G回落2G/3G驻留时长的计算，需要挖掘S1/S11接口信令联合分析得到。通过信令分析，共提取以下4种信令消息组合情况，用来判定4G回落2G/3G。
4G回落2G/3G驻留时长T=T1+T2+T3+T4
1）情况1：在4G空闲状态下进入2G/3G，直至重新在4G Attach附着场景
表3为用户空闲态回落2G/3G后附着接入LTE网络的信令特征。
在时间轴上对用户的S1/S11接口信令进行分析，当依次出现表3中的3条信令时，判定用户符合情况1。监测S1接口UE Release消息（cause：Normal Release（0）），之后S11消息中出现Delete Session即开始计时t1，此时认为4G正常释放进入2G/3G，直到S1接口监测到Attach消息结束计时t2，因用户从2G/3G Detach，4G信令无任何消息可获取。在这种情况下近似判断用户是驻留在2G/3G。则本次回落2G/3G时长T1=t2-t1。
2）情况2：在4G空闲状态下进入2G/3G后通过TAU重选/重定向回至4G场景
表4为用户空闲态回落2G/3G后通过TAU接入LTE网络的信令特征。
在时间轴上对用户的S1/S11接口信令进行分析，当依次出现表4中的3条信令时，判定用户符合情况2。监测S1接口UE Release消息（cause：Normal Release（0）或User Inactivity（20）），之后S11消息中出现Delete Session即开始计时t1，此时认为4G正常释放进入2G/3G，直到S1接口监测到TAU消息结束计时t2，则本次回落2G/3G时长T2=t2-t1。
3）情况3：在4G业务态进入2G/3G后通过TAU重选/重定向回至4G场景
表5为用户业务态回落2G/3G后重选接入LTE网络的信令特征。
在时间轴上对用户的S1/S11接口信令进行分析，当依次出现表5中的2条信令时，判定用户符合情况3。监测S1接口UE Release消息（cause：Inter-RAT Redirection（28）），即可明确网络要求重定向至2G/3G，开始计时t1，直到S1接口监测到TAU消息结束计时t2，此次TAU请求类型为IMSI附着组合TAU，本次回落2G/3G时长T3=t2-t1。
4）情况4：4G因语音业务回落至2G/3G，发起CSFB后通过TAU重选/重定向回至4G场景
表6为用户CSFB回落2G/3G后重选接入LTE网络的信令特征。
在时间轴上对用户的S1/S11接口信令进行分析，当依次出现表6中的2条信令时，判定用户符合情况4。监测S1接口UE Release消息（cause：CS Fallback Triggered（23或24）），即發起CSFB流程，开始计时t1，直到S1接口监测到TAU消息结束计时t2，则本次回落2G/3G时长T4=t2-t1。
（4）4G关机Detach场景
用户关机发起Detach流程是用户在4G网络结束服务，当出现信令Detach流程可判断该用户离开4G网络。图5为用户关机Detach的信令流程，表7为用户关机Detach的信令特征：
在计算LTE网络驻留时长指标的实际部署中还应考虑异常场景或异常信令的处理，如异常脱网、信令不完整等问题，部分情况下需要结合前后的信令进行模糊处理，才能较好地反映用户真实的驻留情况。
3 LTE网络驻留时长指标的应用
根据以上算法，采集LTE网络S1/S11接口信令，可统计出用户维度的LTE网络驻留时长指标。通过信令所携带的位置信息，判断用户进入和离开小区的信息，进一步汇聚小区级指标。针对4G驻留指标质差的小区，结合网管统计、参数、MR等数据，可挖掘定位出网络覆盖、参数调整、网络性能等问题。表8针对某地市区域统计出4G时长驻留占比低于85%的质差小区及其问题定位。
图6为LTE驻留时长指标质差小区问题定位。
利用以上算法也可扩展计算频繁重定向（业务态）、频繁回落、跨系统TAU成功率等一系列小区维度的互操作指标来指导优化。同时从用户维度的指标出发也可进行客户投诉预警、溯源分析等客户保障工作。LTE驻留时长指标的应用如图7所示。
4 结束语
LTE网络驻留时长指标直观反映出LTE网络覆盖、互操作性能和网络稳定性等质量情况。本文详细介绍了利用LTE网络信令计算LTE网络驻留时长的算法，为后续利用该指标开展分场景、多维度的分析奠定了基础。通过对LTE网络驻留时长指标的分析挖掘，可有效发现2G/3G/4G网络互操作问题，指导网络优化工作，从而有效提升用户LTE网络使用感知。
参考文献：
[1] Erik Dahlman， Stefan Parkvall， Johan Sk?ld. 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband 4G移动通信技术权威指南[M]. 堵久辉，缪庆育，译. 北京： 人民邮电出版社， 2013.
[2] 郭宝，张阳，李冶文. TD-LTE无线网络优化与应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 2014.
[3] 孙宇彤. LTE教程：业务与信令[M]. 北京： 电子工业出版社， 2017.
[4] 3GPP TS 36.412. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； S1 signalling transport （Release 13）[S]. 2015.
[5] 3GPP TS 36.413. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； S1 Application Protocol （S1AP） （Release 13）[S]. 2015.
[6] 3GPP TS 36.414. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； S1 data transport （Release 13）[S]. 2015.
[7] 张守过. LTE无线网络优化实践[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2016.
[8] 林辉. LTE-Advanced关键技术详解[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2012.
[9] 3GPP TS 25.331. The Radio Resource Control Protocol for the （UE）UTRAN radio interface V8.1.0[S]. 2015.
[10] 3GPP TS 25.214. Physical Layer Procedures V6.1.0[S]. 2004.
【摘 要】LTE网络驻留指标直观表征LTE用户接入并驻留在LTE网络内使用业务的情况。通过深入分析基于LTE系统的信令流程，针对网络互操作的各个场景在EPC网络各接口信令流程的特征，梳理出分场景的指标算法规则，提出一种简单有效的基于LTE网络信令的驻留时长指标算法。利用该指标可开展2G/3G/4G网络互操作问题分析定位，指导LTE网络优化工作。
【关键词】驻留时长；网络互操作；网络优化
Research on Signaling based Resident Time Algorithm for LTE Network
CHEN Weidong， CHEN Zhengbin
[Abstract] The LTE network resident indicators （ICTs） directly characterize the situations of LTE users access and reside in LTE networks. The signaling process of LTE systems was analyzed in depth firstly. Secondly， the characteristics of each network interoperability scenarios in each interface signaling process in EPC network were given. Then， the rules of sub-scenario index algorithm were summarized. A simple and effective signaling based resident time index algorithm for LTE network was proposed. The indicator can be used to analyze and locate 2G/3G/4G interoperability as well as guide the LTE network optimization.
[Key words]resident time； network interoperability； network optimization
1 引言
LTE網络建设初期存在较多的覆盖不连续、弱覆盖、设备参数配置不合理的现象，这极大地影响了用户的使用感知。根据运营商相关的投诉数据显示，4G用户的投诉原因中，2G/3G/4G网络互操作是用户投诉的主因之一。
本文主要针对用户能稳定驻留4G网络的感知情况，研究建立LTE网络驻留时长指标，反映LTE用户网络互操作的性能质量，支撑2G/3G/4G网络互操作分析优化工作。
2 基于LTE网络信令的驻留时长算法
目前运营商一般采用用户计费话单统计LTE用户的流量驻留率和驻留时长。其中，流量驻留率是统计用户在LTE网络产生话单流量对于用户总的数据业务话单流量的占比；驻留时长则是统计用户使用LTE业务话单中的总时长。该统计方法较为简单，但无法全面记录用户的LTE网络驻留情况。这种统计方法只能反映用户处于业务态下的LTE网络驻留时长情况，无法对大量空闲态的移动性质量进行分析和有效的指导优化。
2.1 基于信令的驻留时长算法介绍
随着信令监测系统的广泛建设和应用，通过对用户的信令和业务交互过程的监测，可详细还原用户移动性管理和业务过程，准确统计出用户驻留在LTE网络和网络互操作的指标，包括业务态和空闲态驻留时长。为此，通过研究基于LTE系统的信令流程及EPC网络各接口信令流程的特征，结合网络实际组网情况，提出利用4G EPC网络接口的信令来计算出用户LTE网络驻留时长的算法。该方案无需采集2G/3G网络信令，通过分析各个业务场景的信令特征，仅利用LTE网络S1/S11接口的CDR关联来统计出LTE网络驻留时长指标。这种实现方案部署简单，易于大规模推广，并大幅降低了2G/3G/4G网络互操作分析的难度，提高了分析效率、节省了投入。
2.2 基于LTE网络信令的驻留时长算法
LTE用户驻留时长计算的关键是梳理及关联用户接入和退出LTE网络时的关键信令消息，分析特征信令消息之间的时间间隔，从而计算用户驻留4G网络的时长占比。通过对各种应用场景的用户行为进行分析，确定接入退出LTE网络相关的信令判断点和时间戳，通过S1接口的Attach、Detach、TAU、UE Context Release和S11接口的Delete Session等信令共同判定。用户接入退出LTE网络的主要场景如图1所示：
LTE用户驻留时长指标算法：
4G驻留时长=网络总时长-2G/3G驻留时长-用户关机时长 （1）
4G时长驻留比=4G驻留时长/网络总时长 （2）
其中，2G/3G驻留时长包括用户CSFB回落时长，重选/重定向至2G/3G后驻留时长；用户关机时长为用户在4G网络发起Detach流程，直至重新在4G Attach附着流程间隔时长。
2.3 分场景的判定规则和信令特征
以下通过对信令流程的分析，清晰地展示从用户Attach进入4G，4G回落2G/3G，用户重选/重定向进入4G，4G Detach关机四种场景的判定规则以及信令特征，为算法的实现提供理论依据。
（1）用户Attach进入4G场景
用户开机发起Attach流程是用户在4G网络驻留的开始，当出现信令Attach流程可判断该用户开始使用4G网络。具体信令流程如图2所示，用户附着LTE网络的信令特征如表1所示：
（2）用户重选（空闲态）/重定向（业务态）进入4G场景
用户从2G/3G重选或重定向进入4G，均会发起TAU信令流程，当信令出现TAU流程时，可判断该用户从2G/3G回到4G，信令流程如图3所示，用户重选或重定向接入LTE网络的信令特征如表2所示：
（3）4G回落2G/3G网络场景
根据网络配置情况，UE从4G向2G/3G进行跨系统RAU，SGSN和MME间使用Gn接口。在该跨系统RAU流程中，S-GW改变会触发原MME向S-GW发出Delete Session的消息。用户回落到2G/3G网络的信令流程如图4所示。
具体针对该信令流程的算法如下：4G回落2G/3G驻留时长的计算，需要挖掘S1/S11接口信令联合分析得到。通过信令分析，共提取以下4种信令消息组合情况，用来判定4G回落2G/3G。
4G回落2G/3G驻留时长T=T1+T2+T3+T4
1）情况1：在4G空闲状态下进入2G/3G，直至重新在4G Attach附着场景
表3为用户空闲态回落2G/3G后附着接入LTE网络的信令特征。
在时间轴上对用户的S1/S11接口信令进行分析，当依次出现表3中的3条信令时，判定用户符合情况1。监测S1接口UE Release消息（cause：Normal Release（0）），之后S11消息中出现Delete Session即开始计时t1，此时认为4G正常释放进入2G/3G，直到S1接口监测到Attach消息结束计时t2，因用户从2G/3G Detach，4G信令无任何消息可获取。在这种情况下近似判断用户是驻留在2G/3G。则本次回落2G/3G时长T1=t2-t1。
2）情况2：在4G空闲状态下进入2G/3G后通过TAU重选/重定向回至4G场景
表4为用户空闲态回落2G/3G后通过TAU接入LTE网络的信令特征。
在时间轴上对用户的S1/S11接口信令进行分析，当依次出现表4中的3条信令时，判定用户符合情况2。监测S1接口UE Release消息（cause：Normal Release（0）或User Inactivity（20）），之后S11消息中出现Delete Session即开始计时t1，此时认为4G正常释放进入2G/3G，直到S1接口监测到TAU消息结束计时t2，则本次回落2G/3G时长T2=t2-t1。
3）情况3：在4G业务态进入2G/3G后通过TAU重选/重定向回至4G场景
表5为用户业务态回落2G/3G后重选接入LTE网络的信令特征。
在时间轴上对用户的S1/S11接口信令进行分析，当依次出现表5中的2条信令时，判定用户符合情况3。监测S1接口UE Release消息（cause：Inter-RAT Redirection（28）），即可明确网络要求重定向至2G/3G，开始计时t1，直到S1接口监测到TAU消息结束计时t2，此次TAU请求类型为IMSI附着组合TAU，本次回落2G/3G时长T3=t2-t1。
4）情况4：4G因语音业务回落至2G/3G，发起CSFB后通过TAU重选/重定向回至4G场景
表6为用户CSFB回落2G/3G后重选接入LTE网络的信令特征。
在时间轴上对用户的S1/S11接口信令进行分析，当依次出现表6中的2条信令时，判定用户符合情况4。监测S1接口UE Release消息（cause：CS Fallback Triggered（23或24）），即發起CSFB流程，开始计时t1，直到S1接口监测到TAU消息结束计时t2，则本次回落2G/3G时长T4=t2-t1。
（4）4G关机Detach场景
用户关机发起Detach流程是用户在4G网络结束服务，当出现信令Detach流程可判断该用户离开4G网络。图5为用户关机Detach的信令流程，表7为用户关机Detach的信令特征：
在计算LTE网络驻留时长指标的实际部署中还应考虑异常场景或异常信令的处理，如异常脱网、信令不完整等问题，部分情况下需要结合前后的信令进行模糊处理，才能较好地反映用户真实的驻留情况。
3 LTE网络驻留时长指标的应用
根据以上算法，采集LTE网络S1/S11接口信令，可统计出用户维度的LTE网络驻留时长指标。通过信令所携带的位置信息，判断用户进入和离开小区的信息，进一步汇聚小区级指标。针对4G驻留指标质差的小区，结合网管统计、参数、MR等数据，可挖掘定位出网络覆盖、参数调整、网络性能等问题。表8针对某地市区域统计出4G时长驻留占比低于85%的质差小区及其问题定位。
图6为LTE驻留时长指标质差小区问题定位。
利用以上算法也可扩展计算频繁重定向（业务态）、频繁回落、跨系统TAU成功率等一系列小区维度的互操作指标来指导优化。同时从用户维度的指标出发也可进行客户投诉预警、溯源分析等客户保障工作。LTE驻留时长指标的应用如图7所示。
4 结束语
LTE网络驻留时长指标直观反映出LTE网络覆盖、互操作性能和网络稳定性等质量情况。本文详细介绍了利用LTE网络信令计算LTE网络驻留时长的算法，为后续利用该指标开展分场景、多维度的分析奠定了基础。通过对LTE网络驻留时长指标的分析挖掘，可有效发现2G/3G/4G网络互操作问题，指导网络优化工作，从而有效提升用户LTE网络使用感知。
参考文献：
[1] Erik Dahlman， Stefan Parkvall， Johan Sk?ld. 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband 4G移动通信技术权威指南[M]. 堵久辉，缪庆育，译. 北京： 人民邮电出版社， 2013.
[2] 郭宝，张阳，李冶文. TD-LTE无线网络优化与应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 2014.
[3] 孙宇彤. LTE教程：业务与信令[M]. 北京： 电子工业出版社， 2017.
[4] 3GPP TS 36.412. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； S1 signalling transport （Release 13）[S]. 2015.
[5] 3GPP TS 36.413. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； S1 Application Protocol （S1AP） （Release 13）[S]. 2015.
[6] 3GPP TS 36.414. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； S1 data transport （Release 13）[S]. 2015.
[7] 张守过. LTE无线网络优化实践[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2016.
[8] 林辉. LTE-Advanced关键技术详解[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2012.
[9] 3GPP TS 25.331. The Radio Resource Control Protocol for the （UE）UTRAN radio interface V8.1.0[S]. 2015.
[10] 3GPP TS 25.214. Physical Layer Procedures V6.1.0[S]. 2004.
