基于校園LTE網(wǎng)絡(luò)容量和感知優(yōu)化的探究

李戰(zhàn)　劉建明

【摘 要】

以XX學(xué)院FDD網(wǎng)絡(luò)為例，通過對其用戶行為和網(wǎng)絡(luò)負荷的分析，提出了針對校園LTE FDD系統(tǒng)容量分析、監(jiān)控及感知優(yōu)化的解決建議，為網(wǎng)絡(luò)資源容量的擴容提供數(shù)據(jù)依據(jù)，保障校園LTE網(wǎng)絡(luò)高質(zhì)、高效的運行。

【關(guān)鍵詞】

LTE 資源容量 空口負荷 感知速率 擴容

1 概述

1.1 背景

校園擁有龐大且特點相對集中的客戶群，是大量話務(wù)的源頭之一，校園網(wǎng)市場是移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的戰(zhàn)略性市場。學(xué)生群體追求時尚，品牌歸屬感強，是未來高端客戶的潛在群體。搶占校園網(wǎng)市場，對于正在大力發(fā)展4G的運營商來說，具有不可估量的戰(zhàn)略意義。運營商在校園網(wǎng)市場的競爭異常激烈。在中國移動TD-LTE網(wǎng)絡(luò)提前領(lǐng)跑的現(xiàn)實情況下，中國電信則需要建設(shè)和優(yōu)化好自己的校園LTE網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮LTE FDD的性能優(yōu)勢，以高感知度發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢搶占校園市場。要實現(xiàn)以上目標，一張運行穩(wěn)定、高性能的精品LTE網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)。

1.2 LTE校園網(wǎng)特點

發(fā)展校園網(wǎng)市場，首先要對校園網(wǎng)本身以及校園用戶群的特點有足夠的認識。校園網(wǎng)用戶群的主要特點如下：

◆用戶多，業(yè)務(wù)量大，高并發(fā)；

◆以小數(shù)據(jù)包、多連接、高時長業(yè)務(wù)為主，如即時社交軟件（QQ、微信、貼吧等）、在線手游、新聞小說閱讀等；

◆在時間和空間上業(yè)務(wù)分布非常集中，存在明顯的“潮汐”效應(yīng)。

以主要承載業(yè)務(wù)類型為依據(jù)可將基站小區(qū)分為：小包小區(qū)、中包小區(qū)、大包小區(qū)，本文將以此為切入點，分析和探索校園網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方案。

2 校園LTE話務(wù)模型分析

本章對校園網(wǎng)用戶話務(wù)模型進行分析，為后續(xù)分析提供相關(guān)的數(shù)據(jù)參考和支撐。

2.1 校園網(wǎng)話務(wù)模型

校園網(wǎng)話務(wù)模型如圖1所示：

圖1 校園網(wǎng)話務(wù)模型

XX學(xué)院的LTE網(wǎng)絡(luò)模型如表1所示。

2.2 校園網(wǎng)有效傳輸比

有效傳輸比指在線用戶中傳輸數(shù)據(jù)的比例，反映實際占用業(yè)務(wù)PRB（Physical Resource Block，物理層數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源分配的頻域最小單位）資源的用戶情況，有效傳輸比越大則用戶業(yè)務(wù)越多，占用的業(yè)務(wù)資源越多，大包業(yè)務(wù)的有效傳輸比高于小包業(yè)務(wù)。

有效傳輸比=激活用戶數(shù)/RRC連接數(shù) （1）

隨著小區(qū)承載業(yè)務(wù)越多，用戶速率降低，激活用戶數(shù)增多，但業(yè)務(wù)間等待時間不變，有效傳輸比提升。

◆“小包小區(qū)”的有效傳輸比在容量門限內(nèi)表現(xiàn)平穩(wěn)，在容量門限內(nèi)約為4%；

◆“大包小區(qū)”的有效傳輸比隨著用戶數(shù)增加而持續(xù)提升，在容量門限內(nèi)約為11%；

◆“中包小區(qū)”的有效傳輸比隨著用戶數(shù)增加而持續(xù)提升，在容量門限內(nèi)約為7%。

2.3 校園網(wǎng)用戶均峰比

用戶均峰比反映平均RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）用戶數(shù)與最大RRC用戶數(shù)的比例，隨著用戶數(shù)的增長，均峰比提升。用戶均峰比可以近似反映用戶激活比，用戶均峰比越大，則用戶激活比越大。

◆對于“小包小區(qū)”，用戶均峰比在用戶數(shù)提升后，最終達到約為70%；

◆對于“大包小區(qū)”，用戶均峰比在用戶數(shù)提升后，最終達到約為80%；

◆對于“中包小區(qū)”，用戶均峰比在用戶數(shù)提升后，最終達到約為80%。

3 校園LTE網(wǎng)絡(luò)容量分析

校園LTE網(wǎng)絡(luò)容量分析的目的是評估網(wǎng)絡(luò)當前的負荷程度，判斷網(wǎng)絡(luò)容量是否存在受限因素，并提供相應(yīng)的優(yōu)化及擴容方案。在具體分析層面上，分為空口資源、設(shè)備資源、傳輸資源等幾大部分，本章主要分析空口資源。

空口硬資源評估是對空口各種物理資源利用率的評估，包括PRB、PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行鏈路控制信道）、PRACH（Physical Random Access Channel，物理隨機接入信道）、PUCCH（Physical Uplink Control CHannel，物理上行鏈路控制信道）、空口尋呼資源、RRC用戶數(shù)License等。

空口用戶感知評估主要分析用戶感知速率，與業(yè)務(wù)體驗的要求相比較，判斷網(wǎng)絡(luò)容量是否滿足業(yè)務(wù)體驗的要求，以此來評估LTE網(wǎng)絡(luò)容量是否受限?？湛谟脩舾兄_定的LTE容量是軟容量。

3.1 基于用戶感知的LTE網(wǎng)絡(luò)容量分析

用戶感知是衡量網(wǎng)絡(luò)性能好壞的重要標準，所有的優(yōu)化工作都是以用戶感知提升為目標，所以在網(wǎng)絡(luò)容量分析時，用戶感知是重要的參考因素。本章以現(xiàn)網(wǎng)實際數(shù)據(jù)為依據(jù)，對用戶感知和網(wǎng)絡(luò)容量之間的關(guān)系進行分析討論。

（1）“小包小區(qū)”的容量分析

“小包小區(qū)”的用戶感知速率和平均用戶數(shù)關(guān)系如圖2所示。

分析“小包小區(qū)”的用戶感知速率與平均用戶數(shù)的變化關(guān)系可知，在小區(qū)內(nèi)的平均用戶數(shù)低于102時，用戶感知速率基本保持在2.7Mbps左右，雖然用戶可以從小區(qū)獲得的最大速率遠高于此，但感知速率并不會提升。說明在這些“小包小區(qū)”中，小包業(yè)務(wù)需要的感知速率在2.7Mbps左右。

小區(qū)內(nèi)的平均用戶數(shù)大于102時，用戶感知速率開始下降，由此導(dǎo)致用戶等待的時間變長，同時用戶從小區(qū)可獲得的最大速率也會急劇下降，說明此時用戶體驗已經(jīng)開始受到影響。

綜上分析，“小包小區(qū)”保障用戶感知的用戶數(shù)門限為：小區(qū)內(nèi)的平均用戶數(shù)≤102。

分析“小包小區(qū)”的PRB占用率與平均用戶數(shù)的變化關(guān)系可知，小包業(yè)務(wù)小區(qū)PRB占用率都比較低，達到平均用戶數(shù)門限時，下行PRB占用率約為30%。

分析“小包小區(qū)”的流量與平均用戶數(shù)的變化關(guān)系可知，小包業(yè)務(wù)小區(qū)的流量相對較低，達到平均用戶數(shù)門限時，小區(qū)的下行流量約為2.5GB，上行流量約為0.22GB。

（2）“大包小區(qū)”的容量分析

“大包小區(qū)”用戶感知速率和平均用戶數(shù)關(guān)系如圖3所示。

分析“大包小區(qū)”的用戶感知速率與平均用戶數(shù)的變化關(guān)系可知，大包業(yè)務(wù)的感知速率是隨用戶數(shù)的增長而下降的，說明對于大包業(yè)務(wù)，負荷低時它可以感知到更高的速率，隨著用戶可獲取的最大速率下降，大包業(yè)務(wù)感知速率也下降，這與小包小區(qū)的特征是不一樣的。

結(jié)合平均用戶數(shù)與用戶感知速率的關(guān)系，考慮大包業(yè)務(wù)感知速率要求為5Mbps，“大包小區(qū)”保障用戶感知的用戶數(shù)門限為：小區(qū)內(nèi)的平均用戶數(shù)≤53。

分析“大包小區(qū)”的PRB占用率與平均用戶數(shù)的變化關(guān)系可知，大包業(yè)務(wù)小區(qū)PRB占用率都比較高，達到平均用戶數(shù)門限時，下行PRB占用率約為60%。

分析“大包小區(qū)”的流量與平均用戶數(shù)的變化關(guān)系可知，大包業(yè)務(wù)小區(qū)的流量相對較高，達到平均用戶數(shù)門限時，小區(qū)的下行流量約為6.8GB，上行流量約為0.5GB。

（3）“中包小區(qū)”的容量分析

“中包小區(qū)”用戶感知速率和平均用戶數(shù)關(guān)系如圖4所示。

分析“中包小區(qū)”的用戶感知速率與平均用戶數(shù)的關(guān)系可知，中包業(yè)務(wù)的感知速率是隨用戶數(shù)的增長而下降的，但它的速率低于大包業(yè)務(wù)。

對于“中包小區(qū)”，考慮業(yè)務(wù)體驗要求取大包業(yè)務(wù)和小包業(yè)務(wù)之間速率約3.8Mbps，“中包小區(qū)”保障用戶感知的用戶數(shù)門限為：小區(qū)內(nèi)的平均用戶數(shù)≤64。

分析“中包小區(qū)”的PRB占用率與平均用戶數(shù)的關(guān)系可知，中包業(yè)務(wù)小區(qū)達到平均用戶數(shù)門限時，下行PRB占用率約為45%。

分析“中包小區(qū)”的流量與平均用戶數(shù)的關(guān)系可知，大包業(yè)務(wù)小區(qū)的流量相對較高，達到平均用戶數(shù)門限時，小區(qū)的下行流量約為3.8GB，上行流量約為0.42GB。

（4）小結(jié)

通過對用戶感知和網(wǎng)絡(luò)負荷相互關(guān)系的分析，可以得出如下結(jié)論：為保障用戶感知不受明顯的影響，各業(yè)務(wù)特性小區(qū)需滿足表2的條件（即保障用戶感知的小區(qū)擴容標準）：

表2 保障用戶感知的小區(qū)擴容標準

小區(qū)分類 容量監(jiān)控指標

（小時級話統(tǒng)指標） 判斷標準

小包小區(qū)（平均每E-RAB流量≤300kB） 小區(qū)內(nèi)的平均用戶數(shù) 102

PRB占用率/% 30

中包小區(qū)（300<平均每E-RAB流量<1000kB） 小區(qū)內(nèi)的平均用戶數(shù) 64

PRB占用率/% 45

大包小區(qū)（平均每E-RAB流量≥1000kB） 小區(qū)內(nèi)的平均用戶數(shù) 53

PRB占用率/% 60

相關(guān)指標說明如表3所示（E-RAB（Evolved Radio Access Bearer，演進的無線接入承載）；PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議））。

平均每E-RAB流量=小區(qū)PDCP層所發(fā)送的下行數(shù)據(jù)的總吞吐量/8/1024/E-RAB建立成功總次數(shù) （2）

下行PRB占用率=下行PRB被使用的平均個數(shù)/

下行可用的PRB個數(shù) （3）

上行PRB占用率=上行PRB被使用的平均個數(shù)/

上行可用的PRB個數(shù) （4）

表3 相關(guān)指標說明

指標ID 指標名稱 指標描述

1526727378 L.Traffic.User.Avg 小區(qū)內(nèi)的平均用戶數(shù)

1526728261 L.Thrp.bits.DL 小區(qū)PDCP層所發(fā)送的下行數(shù)據(jù)的總吞吐量（比特）

1526726740 L.ChMeas.PRB.DL.Used.Avg 下行PRB被使用的平均個數(shù)

1526728433 L.ChMeas.PRB.DL.Avail 下行可用的PRB個數(shù)

1526726737 L.ChMeas.PRB.UL.Used.Avg 上行PRB被使用的平均個數(shù)

1526728434 L.ChMeas.PRB.UL.Avail 上行可用的PRB個數(shù)

1526727544 L.E-RAB.SuccEst E-RAB建立成功總次數(shù)

3.2 基于空口信道資源負荷的容量分析

空口資源受限會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降、KPI（Key Performance Indicator，關(guān)鍵績效指標法）嚴重惡化，此時無法保證用戶接入的最低要求，用戶感知更是無從談起。鑒于此，對空口信道資源負荷進行關(guān)注顯得尤為重要。

（1）RRC連接許可用戶數(shù)使用率

“eNodeB（Evolved Node B基站）內(nèi)的最大用戶數(shù)”統(tǒng)計了接入（包括接入成功、接入失敗、切換入成功、切換入失敗但已申請到License）該eNodeB的所有UE申請License的最大值，該指標作為是否需要擴容用戶數(shù)License的決策依據(jù)。當eNodeB內(nèi)的最大用戶數(shù)超過License數(shù)目時，新用戶接入將會失敗，影響用戶體驗。

根據(jù)優(yōu)化實踐經(jīng)驗，建議“RRC連接許可用戶數(shù)使用率”達到70%時，即要密切關(guān)注其變化趨勢，并做擴容準備。

RRC連接許可用戶數(shù)使用率=eNodeB內(nèi)的最大用戶數(shù)/RRC連接許可用戶License數(shù)×100% （5）

RRC連接許可用戶License數(shù)取小區(qū)配置值。

（2）平均PDCCH信道占用率

PDCCH承載的是DCI（Downlink Control Information，下行鏈路控制信息），包含一個或多個UE（User Equipment，用戶設(shè)備）上的資源分配和其他的控制信息。UE需要首先解調(diào)PDCCH中的DCI（Downlink Control Information，下行控制信息），然后才能夠在相應(yīng)的資源位置上解調(diào)屬于UE自己的PDSCH（Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道）（包括廣播消息、尋呼、UE的數(shù)據(jù)等）。因此如果PDCCH占用率受限，將導(dǎo)致用戶接入、業(yè)務(wù)體驗都會受到影響。

建議“平均PDCCH（Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道）信道占用率”達到70%時，即要密切關(guān)注其變化趨勢，并做擴容準備（CCE（Control Channel Element，控制信道因子））。

平均PDCCH信道占用率=（公共信令使用的CCE個數(shù)+上行調(diào)度使用的CCE個數(shù)+下行調(diào)度使用的CCE個數(shù)）/小區(qū)最大CCE個數(shù)×100% （6）

（3）平均小區(qū)尋呼信道占用率

小區(qū)尋呼負荷一旦超過規(guī)格，尋呼消息就可能被丟棄，導(dǎo)致尋呼成功率下降，進而影響用戶使用感知。

當“平均小區(qū)尋呼信道占用率”達到50%時，即要密切關(guān)注其變化趨勢，達到70%可能出現(xiàn)尋呼消息被丟棄的情況，此時需要擴容。

平均小區(qū)尋呼信道占用率=小區(qū)Uu接口尋呼用戶個數(shù)/3600/尋呼容量 （7）

尋呼容量按1200計算。

（4）平均PRACH信道占用率

UE通過上行PRACH來達到與LTE系統(tǒng)之間的上行接入和同步。隨機接入過程分為基于競爭的隨機接入和基于非競爭的隨機接入。如果競爭接入次數(shù)超過N次/s（當帶寬為15M/20M時，N取值為100；當帶寬為5M/10M時，N取值為50），UE發(fā)起隨機接入遇到?jīng)_突的概率增大，接入時延增大。這里N的選擇是產(chǎn)品在Preamble（序文）設(shè)計時考慮碰撞概率小于1%等因素確定的。

建議“平均PRACH信道占用率”達到50%時，即要密切關(guān)注其變化趨勢，達到70%則需要擴容。

平均PRACH信道占用率=（忙時競爭Preamble接收次數(shù)（Group A）+忙時競爭Preamble接收次數(shù)（Group B））/3600/N×100% （8）

N=100，帶寬為15M/20M；或N=50，帶寬為5M/10M。

（5）平均PUCCH信道占用率

PUCCH資源指空口可分配的SRI（Scheduling Request Indication，調(diào)度請求指示）和CQI（Channel Quality Information，信道質(zhì)量信息）資源的調(diào)度用戶數(shù)及其使用的資源數(shù)，以及動態(tài)ACK資源數(shù)。PUCCH容量受限，首先將導(dǎo)致準入控制和切換失敗，小區(qū)調(diào)度用戶數(shù)受限，同時影響小區(qū)和用戶吞吐率以及用戶上行調(diào)度時延。

小區(qū)RRC連接用戶中只有維持上行同步的用戶是需要使用PUCCH資源的，以此類用戶數(shù)和PUCCH資源支持的最大用戶數(shù)的比例來作為評估PUCCH資源利用情況的依據(jù)。

建議“平均小區(qū)尋呼信道占用率”達到70%時即要密切關(guān)注其變化趨勢，并做擴容準備。

PUCCH資源利用率=小區(qū)內(nèi)上行平均同步用戶數(shù)/PUCCH用戶容量×100% （9）

PUCCH用戶容量按1200計算。

（6）小結(jié)

LTE空口信道容量受限后，會產(chǎn)生相應(yīng)的業(yè)務(wù)和信令擁塞，PRB信道資源主要是感知受限，已包含在基于用戶感知的容量監(jiān)控中，本章主要監(jiān)控的是與控制面相關(guān)的信道資源。通過以上分析得知，空口信道資源負荷需要監(jiān)控的指標及擴容標準如表4所示：

表4 空口信道資源負荷監(jiān)控指標及擴容標準

容量監(jiān)控指標 判斷標準

RRC連接許可用戶數(shù)使用率 >70%

平均PDCCH信道占用率 >70%（5分鐘話統(tǒng)推薦，

小時統(tǒng)計推薦50%）

平均小區(qū)尋呼信道占用率 >70%（5分鐘話統(tǒng)推薦，

小時統(tǒng)計推薦50%）

平均PRACH信道占用率 >70%（5分鐘話統(tǒng)推薦，

小時統(tǒng)計推薦50%）

平均PUCCH信道占用率 >70%（5分鐘話統(tǒng)推薦，

小時統(tǒng)計推薦50%）

4 XX學(xué)院網(wǎng)絡(luò)容量評估

上文探討了用戶感知與網(wǎng)絡(luò)負荷之間的關(guān)系，提出了保障用戶感知的網(wǎng)絡(luò)容量監(jiān)控與擴容標準，本章以XX學(xué)院為例，對其現(xiàn)網(wǎng)負荷進行評估分析，并提出優(yōu)化解決方案。

4.1 當前容量評估

從“感知受限”和“空口資源受限”兩個方面對XX學(xué)院的負荷進行評估。

（1）感知受限

統(tǒng)計一周小區(qū)級話統(tǒng)指標（7×24小時），根據(jù)各小區(qū)所屬的不同業(yè)務(wù)特征類型（如小、中、大包小區(qū)，根據(jù)小區(qū)每E-RAB流量確定），使用對應(yīng)的評估門限標準進行判斷：

小包小區(qū)用戶數(shù)門限≥103且上行或下行PRB占用率>30%；

中包小區(qū)用戶數(shù)門限≥64且上行或下行PRB利用率>45%；

中包小區(qū)用戶數(shù)門限≥53且上行或下行PRB利用率>60%。

一周內(nèi)任一時段（小時）各小區(qū)符合上述任一條件的記業(yè)務(wù)受限一次，并進行累加。

（2）空口資源受限

統(tǒng)計一周小區(qū)級空口負荷指標（7×24小時），使用對應(yīng)的門限標準進行判斷（1小時話統(tǒng)）：

RRC連接許可用戶數(shù)使用率>70%；平均PDCCH信道占用率>50%；平均小區(qū)尋呼信道占用率>50%；平均PRACH信道占用率>50%；平均PUCCH信道占用率>50%。

一周內(nèi)任一時段（小時）各小區(qū)符合上述任一條件的記相應(yīng)指標受限一次，并進行累加；任一時段以上任一指標受限，則表明小區(qū)空口資源受限。

（3）評估結(jié)果

根據(jù)以上原則評估分析可知，當前有8個小區(qū)存在感知和空口資源都受限的問題，需要盡快實施擴容。

表5中8個小區(qū)一周內(nèi)業(yè)務(wù)受限3次，空口資源受限10次以上，需要考慮實施擴容。

4.2 2016年容量預(yù)測

2016年容量預(yù)測：預(yù)計該校園用戶將增加一倍，每個用戶的流量增加1.5倍，在用戶使用時長及連接次數(shù)不變的情況下，根據(jù)第2章話務(wù)模型對資源的影響分析，小區(qū)容量受限情況為：47個小區(qū)將容量受限，共需要增加127個15MHz的小區(qū)，有些小區(qū)需要配置多個頻點。

5 結(jié)束語

隨著校園LTE用戶的飛速增長，網(wǎng)絡(luò)負荷突增、用戶感知逐漸下降，LTE FDD網(wǎng)絡(luò)原有的高速度、高感知優(yōu)勢已大打折扣，校園LTE網(wǎng)絡(luò)的容量、感知優(yōu)化已經(jīng)迫在眉睫。但由于缺乏統(tǒng)一、準確的負荷評估標準，校園LTE網(wǎng)絡(luò)擴容、優(yōu)化工作無法有效落地執(zhí)行。本文以XX學(xué)院為例，提出了校園LTE網(wǎng)絡(luò)的容量分析、監(jiān)控、感知優(yōu)化解決方案，為校園LTE網(wǎng)絡(luò)容量和感知優(yōu)化指明了方向，具有一定的參考意義。

參考文獻：

[1] 元泉. LTE輕松進階[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2012.

[2] 陳宇恒，肖竹，王洪. LTE協(xié)議棧與信令分析[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2013.

[3] 程鴻雁，朱晨鳴，王太峰，等. LTE FDD網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2013.

[4] 袁弋非. LTE/LTE-Advanced關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)性能[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2013.

[5] 胡金玲，陳山枝，王映民. LTE移動通信術(shù)語與縮略詞詞典[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2013.

[6] 汪丁鼎，景建新，肖清華，等. LTE FDD/EPC網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃涉及與優(yōu)化[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2014.

[7] 張守國，張建國，李曙海，等. LTE網(wǎng)絡(luò)無線優(yōu)化實踐[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2014.

[8] 孫宇彤. LTE教程：原理和實現(xiàn)[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2014.

[9] 孫宇彤. LTE教程：機制和流程[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2015.

[10] 尹圣君，錢尚達，李永代. LTE及LTE-Advanced無線協(xié)議[M]. 白尚俊，姜尚紅，張鴻濤，等譯. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2015.