TD-LTE網絡容量評估及優(yōu)化方法的研究

［李勇］

TD-LTE網絡容量評估及優(yōu)化方法的研究

［李勇］

隨著移動互聯(lián)網業(yè)務及4G用戶的快速增長，TD-LTE網絡容量問題對用戶感知度的影響越來越大，如何進一步提升系統(tǒng)容量，對TD-LTE網絡后續(xù)發(fā)展至關重要。文章從影響TD-LTE系統(tǒng)容量的多種因素入手，著重分析網絡容量評估標準和擴容標準，最后根據目前網絡現(xiàn)狀，總結了常用的容量優(yōu)化方法，用于指導TD-LTE網絡規(guī)劃和優(yōu)化工作。

TD-LTE 容量評估 用戶感知 擴容優(yōu)化

李勇

工程師，PMP，碩士，2009年畢業(yè)于中山大學信息科學與技術學院。目前任職于中國移動通信集團廣東有限公司廣州分公司，主要從事無線通信工程規(guī)劃、設計及咨詢等工作，主要研究方向為無線通信新技術。

1　概述

2013年底工信部向三大運營商正式頒發(fā)TD-LTE牌照，標志著中國正式進入4G時代。經過兩年多TD-LTE網絡建設，中國移動目前已建成全球規(guī)模最大的4G網絡。截至今年2月份，中國移動TD-LTE基站110萬個，覆蓋人口超過12億，4G用戶數(shù)已超過3.4億，預計2016年中國移動4G用戶超過5億戶。

隨著4G用戶的急劇增加，數(shù)據業(yè)務逐步由原有的2/3G網絡向4G網絡遷移，以及移動互聯(lián)網業(yè)務的加速發(fā)展，TD-LTE網絡容量問題逐漸凸顯。同等20M帶寬下，相比于上下行采用不同頻帶的LTE-FDD系統(tǒng)，采用TDD雙工模式的TD-LTE系統(tǒng)，更容易出現(xiàn)容量瓶頸。因此各運營商應盡早研究熱點區(qū)域TD-LTE網絡容量評估及擴容優(yōu)化方法。本文通過從TD-LTE系統(tǒng)容量影響因素入手，結合目前常用的容量評估方法，重點分析兩種不同的擴容標準，最后根據網絡現(xiàn)狀，總結出常用優(yōu)化擴容方法，指導TD-LTE網絡規(guī)劃、優(yōu)化工作。

2　TD-LTE系統(tǒng)容量影響因素

影響TD-LTE系統(tǒng)容量的因素多種多樣，包括基站功率、系統(tǒng)帶寬、調度算法、資源分配方式、循環(huán)前綴（CP）長度、子載波間隔、上下行時隙及特殊子幀配置、上下行鏈路開銷、MIMO、干擾消除等。本文主要針對基站功率、系統(tǒng)帶寬、CP長度、上下行時隙及特殊子幀配置、調度算法等因素對TD-LTE系統(tǒng)容量的影響進行分析。

2.1基站功率

基站的覆蓋半徑，在不考慮阻擋和干擾的情況下，主要取決于基站的發(fā)射功率。TD-LTE基站發(fā)射功率越高，基站服務范圍也就越大，能有效覆蓋的用戶數(shù)就越多，系統(tǒng)容量也就越大。但是，由于TD-LTE系統(tǒng)工作在較高的頻段，系統(tǒng)穿透損耗和路徑損耗都非常大，所以比較難實現(xiàn)大范圍覆蓋。在實際組網中，需要考慮小區(qū)間干擾影響，因此發(fā)射功率不能隨意設置。

在密集城區(qū)和一般城區(qū)，由于建筑物較為密集，無線電傳播環(huán)境也較為復雜，提升基站發(fā)射功率對TD-LTE系統(tǒng)容量的改善效果不大，還有可能造成重疊覆蓋，影響整個系統(tǒng)吞吐量。在郊區(qū)、農村覆蓋場景下，建筑物較為單一，無線電傳播環(huán)境較好，提升基站發(fā)射功率可在一定程度上提升系統(tǒng)覆蓋和吞吐量，提升系統(tǒng)容量。

2.2 系統(tǒng)帶寬

TD-LTE系統(tǒng)峰值速率、用戶吞吐量和接入用戶量與系統(tǒng)帶寬成正比關系。TD-LTE采用時分雙工（TDD）方式，上下行工作在相同的頻段，用時間來分割接收和發(fā)送信道，通過保護帶寬來消除時域的“展寬”和“震蕩”現(xiàn)象。保護帶寬越大，分配到系統(tǒng)帶寬之外的能量越小，但頻譜資源的損失也越大。LTE協(xié)議支持1.4M、3M、5M、10M、15M、20M等六種靈活的信道帶寬配置，不同系統(tǒng)帶寬下，TD-LTE傳輸帶寬和保護帶寬的關系如表1。

表1　TD-LTE傳輸帶寬和保護帶寬的關系

2.3 循環(huán)前綴（CP）長度

為避免嚴重的符號間干擾（ISI）和子載波間干擾（ICI），循環(huán)前綴CP的長度需遠遠大于無線信道的最大時延擴展。但是CP過長會帶來額外的頻譜效率損失。在TD-LTE系統(tǒng)中，正常CP的開銷 =（5.21+6×4.67）/500 = 6.67%，擴展CP的開銷 =16.67×6/500=20%。CP的長度與基站的覆蓋半徑相關，一般情況下配置普通CP即可滿足要求。郊區(qū)、農村等廣覆蓋場景，可配置擴展CP，增大小區(qū)覆蓋半徑。但CP長度配置越大，系統(tǒng)開銷也就越大，反而會降低系統(tǒng)容量。

2.4上下行時隙及特殊子幀配置

在TD-LTE系統(tǒng)中一個10ms的無線幀分為兩個半幀，每個半幀由5個長度1ms的子幀組成。每半幀包括4個普通子幀和1個特殊子幀，普通子幀由2個時隙組成，特殊子幀由下行導頻時隙（DwPTS）、保護時隙（GP）和上行導頻時隙（UpPTS）等3個時隙組成。GP為特殊時隙內上下行轉換點保護間隔， GP的設置影響小區(qū)的最大覆蓋半徑，小區(qū)理論最大覆蓋半徑 = C×GP/2，其中C為光速。GP越大，覆蓋距離也越大，從而影響系統(tǒng)覆蓋容量。

2.5調度算法

TD-LTE系統(tǒng)經典資源分配技術，主要考慮小區(qū)吞吐量和用戶之間的公平性這兩個因素，分配算法也是這兩個因素之間的折中。主要包括輪詢（Round Robin，RR）調度、最大載干比（Max C/I）調度和正比公平（Proportional Fair，PF）調度三種調度算法。

輪詢調度只考慮用戶的公平性，小區(qū)內的用戶按照某種確定順序循環(huán)占用等時間的無線資源進行通信。輪詢調度算法，能保證用戶的公平性，實現(xiàn)也較為簡單，但是由于沒有考慮無線信道的時變特點，會造成較大的資源浪費，不能達到較高的系統(tǒng)容量。

最大載干比算法只考慮吞吐量，完全不考慮用戶之間的公平性，該算法的基本思想是在每個調度周期內，對所有用戶依據其接收到信號的載干比進行排序，按照載干比從大到小的順序依次選擇用戶進行調度。最大載干比算法可以最大限度的提高系統(tǒng)吞吐量，但是信道條件較差的用戶長期得不到服務，不能滿足不同業(yè)務的QoS要求。

正比公平算法通過對吞吐量和用戶公平性進行折中而產生，其目的是保證小區(qū)吞吐量的同時，兼顧不同用戶的公平性。傳統(tǒng)正比公平算法用戶優(yōu)先級與用戶在t時刻的載干比成正比，與用戶在一段時間內的平均數(shù)據傳輸速率成反比，在一個多用戶的小區(qū)內，按照用戶優(yōu)先級從高到低的順序依次選擇用戶進行服務，實現(xiàn)了最大系統(tǒng)吞吐量和保證用戶公平性之間的折中。與RR和Max C/I相比，PF算法實現(xiàn)較為復雜。

3　TD-LTE網絡容量評估標準

2G網絡是“固定管道”容量，主要承載語音業(yè)務，也即是“固定管道”承載固定速率業(yè)務，系統(tǒng)的單載波容量和單用戶占用的“管道資源”基本恒定。2G網絡的容量受限，主要體現(xiàn)在通話用戶數(shù)超過網絡管道數(shù)，表征為網絡利用率高導致用戶無法接入、網絡擁塞、掉話等網絡問題，因此2G網絡可以用資源利用率指標作為網絡擴容的單一指標，即可較好的滿足用戶感知。

TD-LTE網絡容量相對于傳統(tǒng)的2G網絡差異較大，TD-LTE網絡是“動態(tài)管道”。TD-LTE網絡主要承載會話類、流媒體類、交互類和背景類等非固定速率的數(shù)據業(yè)務，不同種類的業(yè)務應用于不同的場景，具備不同的QoS性能特征。TD-LTE承載業(yè)務的速率基于用戶的業(yè)務類型和信道條件自適應的選擇不同的調制方式、編碼方式、數(shù)據塊的大小和數(shù)據速率。用戶數(shù)多、頻譜效率低都會導致用戶速率低，降低用戶感知。因此單一的資源利用率不再適合作為TD-LTE網絡的容量標準。

TD-LTE網絡容量評價體系需要綜合考慮設備能力和資源消耗情況對網絡指標和用戶感知的影響。TD-LTE網絡容量有很多表征指標，如小區(qū)吞吐量、用戶吞吐量、激活用戶數(shù)、非激活用戶數(shù)、VoLTE容量、最大在線用戶數(shù)和最大并發(fā)用戶數(shù)等。TD-LTE網絡空口質量、不同種類業(yè)務占比、用戶面、控制面等會影響網絡頻譜效率、小區(qū)吞吐量、用戶數(shù)、用戶速率及用戶感知擁塞率等指標。其余指標主要與設備性能相關。

4　TD-LTE網絡擴容標準

由于TD-LTE網絡通常采用同頻組網，屬于自干擾的網絡，當小區(qū)內用戶數(shù)和業(yè)務達到一定規(guī)模后，小區(qū)吞吐量和無線資源利用率會出現(xiàn)拐點，即網絡負荷達到一定程度且未有效分流時網絡容量會惡化。因此根據目前TDLTE網絡的負荷情況，建議在分析和優(yōu)化系統(tǒng)容量時，優(yōu)先選出高價值高負荷的小區(qū)進行優(yōu)化。評估小區(qū)的容量應主要從小區(qū)業(yè)務特征、無線資源利用率、有效RRC連接數(shù)等幾個方面考慮。

4.1現(xiàn)網載波擴容標準

中國移動通信集團傳統(tǒng)擴容標準從邊緣用戶1M速率出發(fā)，按利用率、用戶數(shù)、流量三個維度判決擴容需求。典型的門限標準設置為小區(qū)忙時TD-LTE網絡無線資源利用率〉=利用率門限（50%）；小區(qū)忙時有效RRC連接平均數(shù)〉=用戶容量門限（30個）；忙時小區(qū)下行流量〉=下行流量門限（5GB）或忙時小區(qū)上行流量〉=上行流量門限（1GB），以上三點滿足任一點時，即觸發(fā)TDLTE網絡擴容需求。

4.2 基于用戶感知的載波擴容標準

基于用戶感知的載波擴容標準從業(yè)務模型出發(fā)，評估現(xiàn)網業(yè)務需求，得出合理的擴容門限，主要分三個步驟：

第一步，預測用戶感知目標。首先，根據現(xiàn)網中網頁瀏覽、即時通信、社交網絡、視頻、文件傳輸、郵件、游戲及其他不同業(yè)務類型上下行速率基準和單用戶忙時并發(fā)業(yè)務數(shù)，結合不同業(yè)務占比得出單用戶感知保障速率；然后，根據預測得出，下一階段用戶上行和下行速度基線。根據目前現(xiàn)網數(shù)據分析，推薦用戶保障速率為DL=5Mbit/s，UL=0.5Mbit/s。

第二步，根據估算出的用戶上下行基準速率，預測對應的網絡利用率、RRC連接數(shù)及忙閑率（K值）。首先根據無線話筒分析，得出現(xiàn)網不同網絡的業(yè)務模型“網絡利用率-用戶感知速率”的大數(shù)據之間的關聯(lián)趨勢，隨著網絡PRB利用率上升，用戶感知逐漸變差。然后以年為單位，預測網絡利用率和RRC連接數(shù)。為保障較好的業(yè)務體驗，小區(qū)帶寬需求應該保證在業(yè)務平均速率需求的2倍左右，最后依據業(yè)務需求、資源占用特征，預測出合理的忙閑率系數(shù)。用戶下行保障速率5Mbit/s時，根據預測對應的網絡利用率30%～40%，RRC連接數(shù)40～60，“平均利用率”約為“最大利用率”0.5倍，即K=0.5。

第三步，根據空口質量和利用率計算單載波流量承載能力。根據現(xiàn)網統(tǒng)計數(shù)據分析，目前移動TD-LTE現(xiàn)網宏小區(qū)CQI分布中值為10，小區(qū)滿載速率22Mbit/s。PRB利用率=35%、CQI =10時，對應單載波流量承載能力約3GB/hour。因此基于3秒網絡體驗、當前網絡業(yè)務模型和覆蓋情況，得出TD-LTE單小區(qū)忙時流量承載能力約3GB。

根據上述分析，建議的載波擴容標準，以下兩條滿足一條即可擴容。（1）小區(qū)自忙時，當載波忙閑率大于門限（60%）且小區(qū)吞吐量大于門限（3GB），且RRC平均連接數(shù)大于門限（50）時，通過增加載頻擴容；（2）小區(qū)自忙時，當RRC數(shù)大于200時，通過增加載頻擴容。

5　TD-LTE網絡容量優(yōu)化方法

5.1 TD-LTE擴容觸發(fā)場景

TD-LTE網絡用戶行為會出發(fā)不同場景的容量問題，主要包括常規(guī)擴容、突發(fā)大話務和價值區(qū)域流量經營等三種擴容場景，觸發(fā)基于感知的載波擴容、基于用戶數(shù)的載波擴容和基于設備負荷的硬件擴容三種擴容方式。

常規(guī)擴容場景主要是由于系統(tǒng)用戶數(shù)增加，用戶吞吐量及小區(qū)吞吐量增加，網絡資源利用率上升，從而導致用戶速率下降，引發(fā)用戶接入受限和體驗受限，觸發(fā)基于用戶感知的擴容，主要采用基于用戶感知和用戶數(shù)的載波擴容。

突發(fā)大話務場景，一般是由于某區(qū)域內用戶數(shù)突然增加，設備負荷抬升引發(fā)資源不足，導致網絡接入擁塞，此時基于網絡安全考慮，需對網絡進行擴容，主要采用基于用戶數(shù)的載波擴容或基于設備負荷的硬件擴容。

價值區(qū)域流量經營是指同一地區(qū)，本運營商的用戶速率低于其他運營商用戶速率，用戶感知較差，為提高用戶感知和品牌影響力，增強自身競爭力，基于競爭考慮，采用基于用戶感知的載波擴容。

5.2 TD-LTE常用優(yōu)化擴容方法

業(yè)務分流和載頻擴容作為2/3G網絡常規(guī)的容量提升方法，在TD-LTE網絡仍然適用。同時由于TD-LTE網絡自身的技術特性，有更加豐富的容量優(yōu)化方法，如多網多頻段協(xié)同優(yōu)化和分流、網絡結構優(yōu)化、頻率使用策略調整、異構網應用和新技術應用等。

載頻擴容通過在原小區(qū)增加TD-LTE載頻的方式提升基站吸收業(yè)務的能力，擴容后終端根據場強選擇駐留和發(fā)起業(yè)務的載頻。載頻擴容極大改善用戶體驗和基站業(yè)務承載能力，此方法也是最為有效、最直接的容量提升方法。

由于采用同頻組網，TD-LTE網絡對網絡結構要求非常高，不合理的過近站、超高站等站點造成重疊覆蓋，對網絡結構影響較大。通過調整工程參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)、功率或站點整治等方式優(yōu)化網絡結構，有助于提升網絡容量和小區(qū)容量。同時，靈活部署一系列功能多樣的小微基站來提升頻率使用效率，對網絡盲點和熱點實現(xiàn)高質量的的覆蓋，吸收和分流業(yè)務，提升整個網絡容量。

在TD-LTE網絡優(yōu)化工作中，首先應考慮保護已有投資，盡量在不額外追加投資或大規(guī)模替換的情況下提升網絡容量，即優(yōu)先選用結構優(yōu)化和調整頻率的方式提升小區(qū)容量。在以上方法效果不明顯的情況下，考慮通過載波擴容和異構網、小區(qū)分裂等需新增設備和投資的方式提升網絡容量。容量優(yōu)化新技術引入應通過試點的形式論證并陸續(xù)推廣，使用時重點注意應用場景和新技術的局限性。

6　結束語

TD-LTE系統(tǒng)容量影響可承載業(yè)務量的，也越來越重要影響著4G網絡的用戶感知度。TD-LTE網絡容量評估及擴容優(yōu)化，是提升用戶業(yè)務感知和運營商收入的重要手段之一，對提升運營商品牌形象也至關重要。隨著TDLTE網絡大規(guī)模的建設和發(fā)展，網絡容量分析優(yōu)化方法的研究也受到行業(yè)的關注，具有深遠意義。

1張守國等.LTE無線網絡優(yōu)化實踐.人民郵電出版社， 2014

2湯利民等編著. TD-LTE原理與網絡規(guī)劃設計.人民郵電出版社， 2012

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4肖清華，毛卓華，凌文杰，張建國. TD-LTE容量能力綜合分析.郵電設計技術，2012，4:36-40

5吳永德.基于大數(shù)據分析的 TD-LTE 網絡擴容.信息通信，2016，01:180-182

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2016-06-24）