4G網絡的資源瓶頸分析

王月珍，尹珂，梁健生，陳宇

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4G網絡的資源瓶頸分析

王月珍，尹珂，梁健生，陳宇

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東廣州 510630）

分析了LTE網絡的技術能力，包括小區(qū)吞吐量，PDCCH、PHICH和PUCCH信道容量，接入容量，尋呼容量等，并基于技術能力分析了各種典型業(yè)務的PRB、PDCCH CCE、PUCCH、PRACH、尋呼、RRC連接等網絡資源的消耗和占用情況，最后推導了限制LTE網絡提供更多用戶服務的瓶頸資源，提出了建設和運營優(yōu)化時重點考察的瓶頸指標建議。

LTE；技術能力；典型流量模型；資源消耗；資源瓶頸

1 引言

經過近幾年的建設部署，三大運營商的4G網絡覆蓋范圍不斷延伸和完善，開通4G服務的用戶也呈現(xiàn)出規(guī)?；鲩L趨勢。進入4G時代，哪些因素會成為限制網絡為更多用戶提供服務的能力瓶頸？由于4G網絡采用的是LTE空口技術，與2G、3G技術存在質的不同，以往重點關注的Wash碼資源、時隙占用率、ROT抬升等瓶頸因素將不再適用于4G網絡，運營商在建設和運營過程中應該重點關注哪些瓶頸因素和指標？本文將圍繞這些問題進行相關的分析。

2 4G網絡的技術能力

網絡的技術能力是分析資源瓶頸的前提，分析給出LTE系統(tǒng)的小區(qū)吞吐量，PDCCH、PHICH和PUCCH信道容量，接入容量，尋呼容量等能力數據。所有的分析基于20 MHz帶寬，采用2×2 MIMO系統(tǒng)進行。

（1）小區(qū)吞吐量

根據3GPP標準組織提供的4G系統(tǒng)頻譜效率指標和現(xiàn)場試驗（對1 800 MHz頻段、2.1 GHz頻段分別進行試驗測試，系統(tǒng)帶寬為20 MHz）的測試數據，市區(qū)環(huán)境下LTE小區(qū)的平均吞吐量為：下行33.8 Mbit/s，上行14.7 Mbit/s。

（2）PDCCH和PHICH信道容量

PDCCH的主要作用是承載用戶調度信息和尋呼指示，PHICH的作用是針對用戶的PUSCH數據傳送反饋ACK/NACK信息。PDCCH、PHICH的用戶支持能力與參數、的配置相關，在=3、2×2 MIMO的典型配置下，為不同值時的PDCCH和PHICH用戶支持能力見表1。

表1 PDCCH和PHICH用戶支持能力

（注：每個用戶的調度可以占用1、2、4、8個CCE（control channel element），當環(huán)境越差、速率越低時，占用的CCE數越多，通常情況下平均每個用戶占用3個CCE。）

由表1可知，將配置為1.0是較優(yōu)的選擇，此時PDCCH支持的調度用戶數為28個用戶/ms，PHICH支持的用戶數為104個用戶/ms。且除了=1/6的情況外，PDCCH均會先于PHICH成為瓶頸?？紤]到現(xiàn)網中不會把配置為1/6，后續(xù)的資源消耗和瓶頸分析將不再把PHICH能力作為考察對象。

（3）PUCCH信道容量

PUCCH用于傳輸上行控制信息，包括上行資源請求、周期性的CQI/PMI和RI、ACK/NACK，占用整個帶寬邊緣的RB（上邊帶和下邊帶RB成對占用）進行傳送，占用多少個RB需要通過參數配置或者網絡自適應配置。PUCCH分成1/1a/1b和2/2a/2b兩種傳輸模式，由于處于激活態(tài)的用戶CQI和ACK/NACK消息通常在PUSCH上傳遞，PUCCH的容量能力主要表現(xiàn)為可以支持的調度請求（SR）用戶數。在1/1a/1b配置下，PUCCH通過循環(huán)移位長度為12的Zadoof-Chu（ZC）序列和3種正交擴頻碼進行用戶消息復用，若以2為循環(huán)移位間隔，1個RB（resource block，資源塊）可以支持3×12/2=18個用戶，最小配置下（即=2時）可以支持18×2=36個用戶/ms，在信道條件好的情況下，可以采用比2小的循環(huán)移位間隔，同時網絡上行支持的調度用戶數會更大一些。

（4）接入容量

LTE系統(tǒng)的用戶接入分為競爭接入和非競爭接入，通常提前預留一定比例的資源用于非競爭接入，比例可以調整，非競爭接入不會成為限制因素。這里分析的是小區(qū)的競爭接入容量，即每秒支持的競爭接入次數，計算式為：

=(競爭前導數×每秒PRACH數量)×ln(1-) （1）

其中，為每秒支持的競爭接入次數，為接入成功率，每秒PRACH數與參數“PRACH Configuration Index”的設置相關?，F(xiàn)網的默認配置是每秒PRACH的數量為100，每個PRACH最大可復用52個前綴（一共64個前綴，預留12個用于非競爭接入）。

如果允許3次接入嘗試，要求成功率為99%（即單次接入成功率為78.45%），根據式（1）可以計算出在默認配置下，單次的同時接入能力為1 261次/s，支持的接入容量為：（1 261×78.45%）/99% = 999個接入嘗試用戶/s。

（5）尋呼容量

LTE網絡的尋呼容量與物理信道能力，尋呼擁塞率，尋呼對PDCCH、PDSCH信道資源的占用以及設備處理能力相關，通過綜合分析（考慮到篇幅問題，這里不再列出具體過程），LTE小區(qū)尋呼能力主要受限于eNode B設備處理能力，目前商用設備基站的尋呼能力一般在400～600次尋呼/s。

綜合上述分析，匯總LTE網絡技術能力，見表2。

表2 LTE網絡技術能力

根據以上分析可以看出，在通常的網絡配置下，LTE信令層面主要的受限因素是PDCCH資源，相比于接入容量，尋呼容量更容易成為瓶頸。

3 網絡資源瓶頸分析

為了進一步確定哪些資源是LTE網絡的瓶頸資源，針對網頁瀏覽、游戲、視頻、即時通信、郵件等典型業(yè)務，分析每種業(yè)務對網絡資源的消耗情況，推導出影響LTE網絡容量的關鍵資源和瓶頸所在。

3.1 典型業(yè)務模型參數

依據業(yè)務特征的差異性，移動業(yè)務可劃分為9類，具體見表3。

參考商用網絡的4G業(yè)務特征，選取以下典型業(yè)務模型進行網絡資源消耗分析，具體見表4。

不同的業(yè)務行為特征將導致網絡資源需求的不同，通過計算各種業(yè)務對每種資源的消耗情況，就可以推導出相應的資源瓶頸。

表3 移動業(yè)務特征及歸類

表4 典型業(yè)務模型

（注：由于移動用戶的行為特征，每種業(yè)務被使用的概率（業(yè)務滲透率）不同，綜合業(yè)務是按照表4中第二列的業(yè)務滲透率組合各種業(yè)務得到的模型數據。）

3.2 典型業(yè)務的資源消耗

根據表4的業(yè)務特征數據，結合第2節(jié)LTE網絡技術能力的分析結果，給出以下設定條件。

?? RRC空閑休眠定時器設置為10 s。

?? VoIP語音激活因子為0.5。

?? 每小區(qū)支持的最大RRC連接數為1 200。

?? 小區(qū)的尋址能力為600次/s。

?? PDCCH CCE 5%的資源開銷（用于尋呼）。

?? LTE網絡采用三級尋呼（基站、TA、TA列表），假設每個TA列表平均包含5個TA，每TA平均包含60個小區(qū)，三級尋呼成功率分別為80%、85%和90%（總成功率>99%）。

?? LTE系統(tǒng)帶寬20 MHz（業(yè)務可用RB數下行100個/ms，上行96個/ms）。

計算各種業(yè)務網絡資源消耗和占用，具體步驟如下。

步驟1 根據業(yè)務模型，假設一個固定的用戶數（如100），根據式（2）~式（9），計算每一種業(yè)務對網絡資源的占用情況，分別計算出上/下行PRB資源利用率、上/下行體驗用戶占用率、PDCCH CCE占用率、PRACH占用率、尋呼負荷和RRC連接占用率：

上/下行體驗用戶占用率=小區(qū)調度緩存用戶數/（小區(qū)平均吞吐量/業(yè)務） （2）

上/下行PRB資源利用率=用戶數×[每會話傳輸數據量/平均分組長]×[平均分組長/每PRB平均傳輸數據量]/（PRB總數） （3）

其中，每PRB平均傳輸數據量需要根據小區(qū)吞吐量和PRB總數得到，即小區(qū)吞吐量/PRB總數。

RRC連接利用率=用戶數×（每次會話數傳時間+RRC空閑定時器時長）×會話次數/最大RRC連接數 （4）

PDCCH CCE占用率=用戶數×（上行傳輸分組數量+下行傳輸分組數量）×3/（PDCCH CCE總數—開銷CCE數量（5%,用于尋呼）） （5）

PUCCH占用率=用戶數×上行傳輸數據分組數量/PUCCH信道容量 （6）

PRACH占有率=用戶數×呼叫次數/接入容量（7）

尋呼負荷=用戶數×被叫次數/小區(qū)尋呼容量（三級尋呼下） （8）

小區(qū)尋呼容量（三級尋呼下）=小區(qū)尋呼能力/3+（1-第一次尋呼成功率）×TA小區(qū)數+（1-第一次尋呼成功率）×（1-第二次尋呼成功率）×TA小區(qū)數×TA列表包含的TA數（9）

步驟2 不斷增加用戶數直到出現(xiàn)某個資源指標達到100%，此時的用戶數為LTE網絡支持該類業(yè)務的最大用戶數。

步驟3 根據步驟2的用戶數，重復步驟1，計算得出上/下行PRB資源利用率、上/下行體驗用戶占用率、PDCCH CCE占用率、PRACH占用率、尋呼負荷和RRC連接占用率，單一業(yè)務的LTE網絡資源消耗和綜合業(yè)務的LTE網絡資源消耗分別如圖1和圖2所示。

圖1和圖2所示為每種業(yè)務達到其最大容量對網絡資源的消耗和占用情況，具體的資源占用包括：上/下行PRB資源利用率、上/下行體驗用戶占用率、PDCCH CCE占用率、PRACH占用率、尋呼負荷和RRC連接占用率。

其中，上/下行體驗用戶占用率是一個與目標體驗速率以及小區(qū)吞吐量相關的指標，在既定體驗速率下，上/下行體驗用戶占用率本質上反映的是小區(qū)的上/下行吞吐量資源的占用。

?? 根據計算結果，總結各種業(yè)務的資源消耗規(guī)律如下。

?? 網頁瀏覽、游戲和社交網絡業(yè)務消耗最多的是PDCCH CCE資源。

?? 視頻流、文件傳送業(yè)務消耗最多的是下行PRB資源和小區(qū)下行吞吐量資源。

?? 郵件業(yè)務消耗最多的是小區(qū)上行吞吐量資源。

?? VoIP業(yè)務消耗最多的是PDCCH CCE資源。

?? 即時消息（IM）類業(yè)務消耗最多的是尋呼資源。

?? 綜合業(yè)務情況下，消耗最多的是小區(qū)下行吞吐量資源和下行PRB資源。

3.3 資源瓶頸分析

基于第3.2節(jié)的資源消耗分析，步驟2計算出的用戶數為某個資源達到100%時的用戶數，即消耗最多的資源占用達到100%時的綜合業(yè)務和各種單一業(yè)務的容量能力（用戶數/h），結果如圖3所示。

對于單業(yè)務而言，視頻流和游戲類業(yè)務的容量最小，而根據第3.2節(jié)的資源消耗分析，這兩類業(yè)務消耗最多的資源是PDCCH CCE資源、下行PRB資源和小區(qū)下行吞吐量資源。在最終網絡運營時，應重點關注在綜合業(yè)務情況下，網絡的用戶支持能力和資源消耗情況。在表4所示的綜合業(yè)務模型下，小區(qū)下行吞吐量和下行PRB資源受限決定了最終的用戶容量。

在進行網絡的運營優(yōu)化時，通常會把網絡資源分為用戶面和信令面分別進行考察，根據圖1~圖3，不難得出以下兩條結論。

?? 對于用戶面而言，下行PRB利用率和下行體驗用戶占用率是關鍵的瓶頸，應作為重點考察指標。

?? 對于信令面而言，PDCCH CCE資源是占用最多的資源，應把PDCCH CCE占有率作為信令面的重點考察指標。

4 結束語

本文基于LTE網絡的技術能力，選取典型的業(yè)務模型，進行了不同業(yè)務對各種LTE網絡資源的消耗和占用分析。通過分析得出，下行PRB資源、PDCCH CCE資源是LTE網絡的關鍵資源，限制LTE網絡提供更多用戶服務的能力瓶頸在于下行PRB利用率、業(yè)務的目標體驗速率和小區(qū)下行吞吐量。在進行LTE網絡的建設和運營優(yōu)化中，重點關注相應的能力瓶頸指標，并采取針對性的擴容和優(yōu)化手段，可實現(xiàn)資源的有效投放，進一步提升網絡的服務能力。

[1] 3GPP. Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); physical channels and modulation: TS36.211[S]. 2013.

[2] 3GPP. Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); physical layer procedures: TS36.213[S]. 2014.

[3] 3GPP. Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); measurements: TS36.314[S]. 2011.

[4] 3GPP. Feasibility study for evolved universal terrestrial radio access (UTRA) and universal terrestrial radio access network (UTRAN): TR25.912[S]. 2011.

Analysis of resource bottleneck in 4G network

WANG Yuezhen, YIN Ke, LIANG Jiansheng, CHEN Yu

Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China

The technical capability of LTE network was analyzed, which included cell throughput, channel capacity of PDCCH , PHICH and PUCCH, random access capacity, paging capacity and so on. Then, based on the technical ability, the consumption and occupancy of network resources such as PRB, PDCCH CCE, PUCCH, PRACH, paging, RRC connection were analyzed. Finally, the bottleneck resources which restrict the LTE network to provide more customer service were deduced, and the bottleneck index proposal which focuses on the construction and operation optimization was put forward.

LTE, technical capability, classic traffic model, resource consumption, resource bottleneck

TN929.53

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017131

2017?03?08；

2017?05?08

王月珍（1974?），女，中國電信股份有限公司廣州研究院高級工程師，主要從事移動通信系統(tǒng)技術、物聯(lián)網技術的研究和項目管理工作。

尹珂（1969?），男，中國電信股份有限公司廣州研究院高級工程師、移動通信研究部技術總監(jiān)，主要從事廣東移動通信網絡高級技術支持、移動通信技術研究等工作。

梁健生（1976?），男，中國電信股份有限公司廣州研究院工程師，主要從事LTE、NB-IoT、4G+等移動通信新技術研究與試驗、移動通信網絡規(guī)劃建設、網絡優(yōu)化等方面的研究工作。

陳宇（1988?），男，中國電信股份有限公司廣州研究院工程師，主要從事移動通信相關工作。