TD—LTE設備大容量性能及測試方案研究

韓延濤　王東　李秋香　徐曉東

摘要：隨著TD-LTE用戶數量的不斷增多，需要對設備大容量性能進行深入研究。重點研究了用戶接入網絡流程、設備大容量規(guī)格及資源管控機制，同時，研究了設備大容量性能的測試方案，最后給出實驗室性能測試驗證的結果。

關鍵詞：CAPS RRC連接建立用戶數 接入控制 擁塞控制

1 引言

隨著TD-LTE用戶數量的不斷增多，在大型體育賽事、演唱會、高校等場景，TD-LTE用戶大量聚集，形成典型的大話務場景，短時間內大量用戶發(fā)起業(yè)務，對TD-LTE設備造成顯著沖擊，情況嚴重時將導致無線接通率急劇下降，用戶感知水平顯著降低。

TD-LTE基站具有恒定的系統(tǒng)大容量能力，其與基站主控板和基帶板CPU能力和軟件設計能力密切相關，基站的大容量能力包括CAPS（Call Attempt Per Second，每秒呼叫嘗試建立數量）能力和小區(qū)支持的用戶數量。CAPS能力衡量了基站處理并發(fā)信令的接納能力，TD-LTE終端每次業(yè)務接入/釋放、位置更新等行為需通過與基站信令交互來完成，2G/3G設備（BSC/RNC）有單獨的信令控制單板，4G基站的主控板和基帶板各負責處理一部分信令，主控板和基帶板CPU處理能力是有限的。當大量用戶同時接入小區(qū)時，CPU會瞬時沖高，CAPS能力較高的基站設備可同時處理較多數量的信令。小區(qū)支持的用戶數量衡量了基站對用戶數的保持能力，是基站承載能力的上限，當小區(qū)用戶數超過其系統(tǒng)容量時，會導致部分用戶無法接入，已接入用戶的感知也會受到影響。

面對當前大話務場景的不斷增多，需要對TD-LTE基站的大容量能力及測試方案進行深入研究，避免在用戶數量過多時，基站設備負荷過高，造成基站宕機等惡劣后果。

2 TD-LTE設備大容量性能研究

2.1 終端訪問網絡流程

一般來說，終端訪問網絡包括兩個流程，先是接入網絡，再是分配資源。前者是隨機接入流程，后者是控制信道及業(yè)務信道分配流程。隨機接入是終端與網絡之間建立無線鏈路的必經過程，只有在隨機接入過程完成后，基站和終端才能進行常規(guī)的數據傳輸和接收，通過隨機接入流程，UE可以實現與eNB之間上行同步并申請上行資源。隨機接入流程如圖1所示，分為5步完成，每一步稱為一條消息（Message），在標準中將這5步稱為Msg1～Msg5。

（1）Msg1：發(fā)送Preamble碼。該消息為上行消息，由UE發(fā)送，eNB接收。Preamble碼由PRACH承載，PRACH個數與時頻位置都通過系統(tǒng)消息通知UE。PRACH一定位于上行子幀或者UpPTS。

（2）Msg2：隨機接入響應。該消息為下行消息，由eNB發(fā)送，UE接收。該消息必須在隨機接入響應窗內發(fā)送。UE通過檢測Msg2中是否攜帶了其所發(fā)送的Preamble碼標識來判斷是否收到了隨機接入響應。

（3）Msg3：第一次調度傳輸。該消息為上行消息，由UE發(fā)送，eNB接收。UE正確接收Msg2后，在其分配的上行資源中傳輸Msg3。針對不同場景，Msg3中包含不同的內容。針對初始接入，攜帶RRC連接請求消息；針對連接重建，攜帶RRC連接重建請求消息；針對切換，傳輸RRC切換完成消息以及UE的C-RNTI，在資源允許的情況下可同時傳輸BSR。

（4）Msg4：競爭解決。該消息為下行消息，由eNB發(fā)送，UE接收。eNB和UE通過Msg4完成最終的競爭解決。Msg4和Msg3內容相對應。

（5）Msg5：隨機接入完成。該消息為上行消息，由UE發(fā)送，eNB接收。針對不同場景，Msg5中攜帶不同內容，比如針對初始接入，攜帶RRC連接請求完成消息。

從隨機接入流程中能夠看到，終端接入到LTE小區(qū)需要向基站先后發(fā)送Msg1、Msg3和Msg5消息，基站對以上消息的處理能力在一定程度上決定了終端接入小區(qū)的時延。

考慮到基站空口無線資源及設備硬件資源有限，基站只能支持一定數目的RRC連接用戶數、小區(qū)激活用戶數以及承載數目。因此，在終端隨機接入網絡時，基站需要對接入請求進行接入控制。在保證用戶數和接入承載QoS的情況下，盡可能多地接入用戶并保證新接入承載QoS，提高系統(tǒng)容量和資源利用率。

終端隨機接入到網絡后，基站根據其數據傳輸請求為其分配上下行資源，LTE系統(tǒng)中數據傳輸包括上行調度和下行調度兩個過程。上行調度時，UE通過PUCCH發(fā)送SR（Schedule Request）向eNB請求上行資源，eNB通過PDCCH將資源分配結果告知UE，UE即可知道在哪個時間哪個載波上傳輸上行數據以及采用的調制編碼方案，eNB在每個TTI動態(tài)給UE分配資源，并在PDCCH上傳輸相應的C-RNTI。下行調度時，eNB根據UE上報的下行信道質量為UE分配下行資源，并在PDSCH根據資源分配結果填充數據，并在PDCCH上傳輸C-RNTI。

2.2 4G基站的大容量規(guī)格及資源管控機制

從2.1節(jié)終端訪問網絡流程能夠看出，TD-LTE基站和列車車廂非常類似，同樣具有“車門”和“座位”，終端通過隨機接入流程接入TD-LTE無線網絡，類似于乘客通過“車門”進入車廂。車廂中的“座位”數量是有限的，同樣地，基站支持接入的用戶數和承載數量都是有限的。基站為終端分配上下行資源的過程類似于乘客在車廂找到相應“座位”的過程。

為了規(guī)范基站的“車門”寬度和“座位”數量，在通信領域，有兩個重要的衡量指標，一個是設備的CAPS能力，另一個是設備的容量。此外，接納擁塞控制機制保證了終端順利通過“車門”，找到“座位”。

（1）CAPS能力（基站“車門”寬度）

CAPS指的是設備處理并發(fā)信令的接納能力，也就是“車門”的寬度，衡量基站每秒處理進出信令流量的能力，基站的CAPS能力與其硬件能力密切相關。根據隨機接入流程的特點，終端需要先后向基站發(fā)起Msg1、Msg3消息接入系統(tǒng)，基站需要先后處理Msg1、Msg3消息。4G小區(qū)車廂擁有兩道“車門”，其一處理Msg1消息，一般由基帶板承擔；其二處理Msg3消息，一般由主控板承擔（部分廠家設備Msg3消息也由基帶板處理）。因此，TD-LTE基站CAPS及容量示意圖如圖2所示，其中，左側圓柱體表示基站的兩道“車門”，右側的綠色方框表示基站的車廂容量，橙色小方框表示“車座”。

基站主控板和基帶板的處理能力都是有限的，每一條信令消息都將消耗主控板或者基帶板CPU資源，CPU負荷反應了CPU資源的使用情況。當終端均勻接入TD-LTE小區(qū)且單位時間信令進出流量低于基站CAPS能力時，信令通行速度順暢，用戶可較快接入小區(qū)。當小區(qū)中存在大量終端頻繁發(fā)起業(yè)務觸發(fā)隨機接入時，并發(fā)的信令流量大于“車門”寬度，導致信令擁塞，CPU負荷隨之升高，信令處理能力隨之降低。在較為極端的情況下，并發(fā)的信令流量會瞬間沖高且伴隨著信令雪崩效應，可能會導致CPU以極高負荷運行并最終導致單板復位、宕機。譬如同時尋呼單小區(qū)中所有用戶場景下，假設小區(qū)中存在300用戶，TD-LTE系統(tǒng)能夠在1 s內尋呼到所有用戶（1 s最多可尋呼1600用戶），300用戶會在1 s內向基站發(fā)起隨機接入請求，基站僅能同時處理部分用戶。根據協(xié)議，若某個UE未收到Msg2，該UE將在10 ms后重發(fā)Msg1，若未收到Msg4，將在64 ms后重發(fā)Msg1，大量信令重發(fā)將繼續(xù)增大信令接入壓力，造成信令雪崩效應，可能會導致基站系統(tǒng)徹底癱瘓、宕機。Msg1信令雪崩效應示意圖如圖3所示：

因此，為了確保通信系統(tǒng)安全運行，一方面需要提高CAPS能力，另一方面必須為CPU運行設置安全門限，采取適當、合理的過載保護機制。譬如，當CPU負荷超過一定門限時，基站啟動過載保護機制，保護已接入用戶的體驗并丟棄部分新接入用戶的信令消息。基站設備CAPS能力并非要求無限高，其評估量化原則是保障并發(fā)用戶接入時延體驗，這在大話務場景表現地尤為明顯。比如說，小區(qū)中有100個用戶同時發(fā)起網頁瀏覽業(yè)務，如果設備CAPS能力為20，所有人能夠瀏覽網頁需要5 s時間，如果設備CAPS能力為100，所有人能夠瀏覽網頁需要1 s時間。因此，在量化CAPS能力時，用公式（1）進行量化。

CAPS=并發(fā)用戶數/用戶接入時延 （1）

（2）設備容量（基站“座位”數量）

基站容量指的是基站支持RRC連接用戶數及有效RRC連接用戶數（或稱激活用戶數）的保持能力，也就是基站的“座位”數量，它衡量了基站業(yè)務承載能力的上限。RRC連接用戶是指處于RRC Connected狀態(tài)的UE，可以監(jiān)聽下行控制信道獲知是否有上下行數據需要傳輸。有效RRC連接用戶是指上行或者下行調度Buffer中有數據的用戶，該部分用戶一定處于RRC Connected狀態(tài)，而且有數據傳輸的需求。基站的硬件以及軟件設計決定了其支持的RRC連接用戶數及有效RRC連接用戶數能力。對于有效RRC連接用戶數的統(tǒng)計，3GPP協(xié)議規(guī)定的測量采樣周期最多為100 ms，對周期T內的采樣數據進行平均后獲得有效RRC連接用戶數值。

運營商對基站設備的容量均有明確規(guī)定，如中國移動企標中要求設備支持1200 RRC連接用戶數和400有效RRC連接用戶數；對于VoLTE業(yè)務，在保證VoLTE業(yè)務性能的前提下，時隙配比3DL：1UL時，支持高清12.65 k/23.85 k有效RRC連接用戶數不低于250/200；時隙配比2DL：2UL時，支持高清12.65 k/23.85 k有效RRC連接用戶數不低于500/400。

在現網應用時，上下行空口資源會影響到小區(qū)實際容納的用戶數量，由于中國移動采用3DL：1UL時隙配比方案，一般來說上行空口資源（包括PUCCH及SRS等）會成為用戶數量瓶頸。PUCCH承載的內容主要是SR（調度請求）、ACK/NACK和CQI，通過配置PUCCH PRB數量及PUCCH各參數及SRS的周期，可以有效地控制小區(qū)用戶數量，PRB數量越多、周期越大，可容納的用戶數量越多。

（3）資源管控機制

設備的大容量規(guī)格是設備能力的上限要求，資源管控機制的目的是在最大化資源利用率時，通過接入控制和擁塞控制保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1）接入控制機制

接入控制的主要作用是在基站收到新的業(yè)務請求時，根據請求的資源要求、小區(qū)當前資源使用狀況等，決定是否接納業(yè)務請求，以防止新的業(yè)務接入后系統(tǒng)出現過載狀態(tài)，從而保持系統(tǒng)穩(wěn)定。同時，在資源允許的情況下，盡可能多地接入業(yè)務，從而充分利用系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)的容量，降低運營成本。

接納控制場景可包括空閑態(tài)下初始業(yè)務請求、連接態(tài)下無線承載激活、切換請求等。接納控制的判決因素包括激活承載數、連接態(tài)UE數量、PRB利用率等。

2）擁塞控制機制

擁塞控制是在基站出現系統(tǒng)擁塞的情況下，進行合理的資源控制。TD-LTE系統(tǒng)的擁塞控制一般區(qū)分信令和數據，擁塞控制啟動需要滿足一定條件，即監(jiān)控負載狀態(tài)達到擁塞狀態(tài)。對于信令，擁塞狀態(tài)一般通過主控板、基帶板CPU占用率來進行判定，當CPU占用率高于門限時，采用漸進式方式限制Msg2或者Msg4的響應次數，對部分RRC建立請求回Reject消息來降低信令風暴的風險。對于數據，擁塞狀態(tài)的判定一般通過PRB利用率或者QoS業(yè)務滿意率評估，當小區(qū)擁塞后，從當前已接入業(yè)務中選擇低優(yōu)先級業(yè)務進行釋放，或者通過切換、重定向遷移部分用戶至異系統(tǒng)小區(qū)。

3 設備大容量性能測試方案

根據TD-LTE基站處理信令的特點，系統(tǒng)CAPS能力可以用系統(tǒng)每秒正確處理的Msg3消息的數量進行衡量，正確率（Msg5/Msg3）不低于95%。測試方案需要模擬現網大量信令并發(fā)的場景，通過終端測試儀表記錄設備Msg3的處理數量，進而計算得到設備CAPS能力。

系統(tǒng)容量性能可以通過驗證小區(qū)內接入及進行數據傳輸的用戶數量進行判定，根據現網中用戶不斷動態(tài)接入的現實情況，測試方案中模擬了信令動態(tài)接入的場景，同時利用終端測試儀表檢測小區(qū)中的RRC連接用戶數和有效RRC連接用戶數。

系統(tǒng)吞吐量的測試可以有效驗證系統(tǒng)的整體性能，其測試方案也需要考慮信令的沖擊。

3.1 第一類：設備CAPS能力及容量性能測試

（1）用例一：信令沖擊場景，設備CAPS能力和RRC連接用戶數性能測試

測試方法：

1）通過終端測試儀表設置1200個用戶，分別以每秒20、50、100、200、400的速率通過Attach接入小區(qū)，并處于RRC Connected狀態(tài)。

2）持續(xù)信令沖擊10分鐘，記錄RRC連接建立成功率、RRC連接用戶數、每秒Msg3消息數量等。

考察點：

1）系統(tǒng)穩(wěn)定性：每種沖擊場景，設備無退服、宕機現象。

2）RRC連接用戶數性能：基站支持的RRC連接用戶數。

3）CAPS能力：記錄不同沖擊粒度時，基站每秒鐘處理Msg3消息的數量和RRC連接建立成功率（Msg5/Msg3），RRC連接建立成功率為95%時的Msg3消息處理數量即為設備的CAPS能力。

（2）用例二：信令沖擊場景，設備CAPS能力和激活用戶數性能測試

測試方法：

1）通過終端測試儀表設置400個用戶，分別以每秒20、50、100、200、400的速率通過Attach接入小區(qū)，并進行上下行數據傳輸。

2）持續(xù)測試10分鐘，記錄RRC連接建立成功率、激活用戶數、每秒Msg3消息數量等。

考察點：

1）系統(tǒng)穩(wěn)定性：每種沖擊場景，設備無退服、宕機現象。

2）激活用戶數性能：基站支持的激活用戶數。

3）CAPS能力：同用例一。

3.2 第二類：設備吞吐量性能測試

（1）用例三：設備峰值吞吐量性能測試

測試方法：配置單站支持六小區(qū)，每小區(qū)接入共400用戶，分別進行FTP上行業(yè)務、FTP下行業(yè)務、FTP上下行并發(fā)業(yè)務，測試系統(tǒng)峰值吞吐量。

考察點：峰值吞吐量。

（2）用例五：設備平均吞吐量性能測試

測試方法：

1）靜態(tài)模型：配置單站支持六小區(qū)，每小區(qū)接入400用戶，按照極好點（SINR>22 dB）：好點（SINR 15 dB ～20 dB）：中點（SINR 5 dB～10 dB）：差點（SINR -5 dB～0 dB）=2：4：8：6的比例進行分布，進行FTP上下行吞吐量測試。

2）動態(tài)模型：配置單站支持六小區(qū)，每小區(qū)接入400用戶，按照靜態(tài)模型的比例分布用戶，并以60 km/h的速度運動，進行FTP上下行吞吐量測試。

考察點：平均吞吐量，靜態(tài)模型和動態(tài)模型下，系統(tǒng)平均吞吐量。

（3）用例六：信令沖擊場景，設備吞吐量性能測試

測試方法：

1）通過終端測試儀表設置400個用戶，分別以每秒20、50、100、200、400的速率通過Attach接入小區(qū)，并進行上下行數據傳輸。

2）持續(xù)測試10分鐘，記錄上下行吞吐量。

考察點：沖擊場景設備上下行的吞吐量性能。

（4）用例七：典型業(yè)務下的系統(tǒng)吞吐量性能測試

測試方法：配置單站支持六小區(qū)，每小區(qū)接入400用戶，按照一定比例對400用戶進行分組，分別進行FTP、HTTP、UDP、Ping大數據包/小數據包業(yè)務，測試系統(tǒng)吞吐量及PRB使用數量。

考察點：系統(tǒng)吞吐量和PRB使用數量。

4 測試結果分析

按照第3節(jié)的測試方案對廠商A和廠商B的設備進行測試，本節(jié)重點分析設備CAPS的測試結果，通過測試結果分析，可以有效地驗證設備的CAPS能力以及其資源管控機制。

廠商A測試結果如圖4所示，當每秒接入用戶數為20～200時，RRC連接建立成功率（Msg5/Msg3）均滿足95%要求，而且設備每秒處理Msg3數量也在9～19的范圍內，因此該設備的CAPS能力小于20。

當每秒接入用戶數從20逐漸增加到200時，雖然Msg5/Msg3比率保持在95%以上，但Msg5/Msg1比率逐漸下降，說明當每秒接入用戶數高出設備CAPS能力后，隨著CPU負荷的不斷升高，系統(tǒng)開啟了擁塞控制機制，并優(yōu)先限制了Msg2消息的響應次數。

設備支持的RRC連接用戶數在1000左右，可由綠色曲線得出。

廠商B的測試結果如圖5所示，當每秒接入用戶數為20～40時，RRC連接建立成功率（Msg5/Msg3）均滿足95%要求，而且設備每秒處理Msg3數量也在20～40的范圍內，因此該設備的CAPS能力在40左右。

當每秒接入用戶數高于40時，Msg5/Msg3和Msg5/Msg1比率開始不斷下降，且下降趨勢大致相同，說明當每秒接入用戶數高出設備CAPS能力后，系統(tǒng)開啟了擁塞控制機制，并優(yōu)先限制了Msg4消息的響應次數。

設備支持的RRC連接用戶數在1200左右，可由綠色曲線得出。

5 結束語

設備大容量性能是TD-LTE系統(tǒng)的重要指標，本文重點介紹了TD-LTE系統(tǒng)的大容量規(guī)格及資源管控機制以及大容量性能的測試方案，包括設備的CAPS能力、RRC連接用戶數及有效RRC連接用戶數和吞吐量性能，通過對測試結果進行分析可知，測試方案可以有效驗證設備大容量性能。

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