LTE高負(fù)荷小區(qū)擁塞評估及容量提升策略研究

0 引言

隨著中國聯(lián)通互聯(lián)網(wǎng)化轉(zhuǎn)型的逐步深入，B2I2C用戶貢獻(xiàn)了巨大流量和經(jīng)營利潤增長，但同時(shí)也給網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的壓力。當(dāng)前全網(wǎng)前20%的站點(diǎn)貢獻(xiàn)了70%的流量，造成過熱站點(diǎn)流量集中，熱點(diǎn)區(qū)域站點(diǎn)容量受限的問題，而其中80%的站點(diǎn)為宏站，這些站點(diǎn)均為室分微站無法進(jìn)入或不適宜進(jìn)入的區(qū)域，導(dǎo)致用戶感知下降、投訴增加。

為提升LTE高流量熱點(diǎn)場景下的用戶感知，通過分析用戶感知和相關(guān)指標(biāo)，我們提出了高負(fù)荷小區(qū)擁塞系數(shù)評估方法。該方法可發(fā)現(xiàn)高價(jià)值區(qū)域，能精準(zhǔn)聚焦投資，使效益最大化。同時(shí)，該方法可基于評估結(jié)果，在有限站址資源以及頻譜資源中挖掘容量潛力，從提升頻譜資源、頻譜效率以及同頻復(fù)用小區(qū)數(shù)三個(gè)維度著手，通過應(yīng)用擴(kuò)頻、4T4R、六扇區(qū)等手段，研究探索精準(zhǔn)容量解決方案。結(jié)合中國聯(lián)通現(xiàn)網(wǎng)擴(kuò)容4T6S成功案例，我們總結(jié)出各類典型場景的容量提升方案，從而促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容工作的高效開展。

1 研究背景

1.1 網(wǎng)絡(luò)容量提升著力點(diǎn)

LTE網(wǎng)絡(luò)容量主要受頻譜資源、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、小區(qū)負(fù)荷、信道開銷、MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)和業(yè)務(wù)類型等因素影響。隨著LTE網(wǎng)絡(luò)部署的深入和完善，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成型，在現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)資源緊張的情況下，如何挖掘現(xiàn)網(wǎng)潛能顯得尤為重要。對于單個(gè)站點(diǎn)而言，頻譜資源、頻譜效率以及同頻復(fù)用的小區(qū)數(shù)量決定了站點(diǎn)容量的高度，這也是容量提升的關(guān)鍵著力點(diǎn)。

（1）頻譜資源

LTE系統(tǒng)定義了包括 1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz六種不同的系統(tǒng)帶寬，如下表所示，系統(tǒng)帶寬配置將直接影響到RB配置數(shù)量，亦即直接影響到系統(tǒng)吞吐量和用戶數(shù)據(jù)速率。系統(tǒng)帶寬決定了網(wǎng)絡(luò)的容量，中國聯(lián)通LTE頻譜資源稀缺，需在頻率重耕1.8G的基礎(chǔ)上高效使用1.8G和2.1G頻段20MHz資源進(jìn)行彌補(bǔ)，通過擴(kuò)頻提升用戶感知。

表1 LTE頻譜帶寬

（2）頻譜效率

多輸入多輸出（Multiple Input and Multiple Output，MIMO）技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍地提高系統(tǒng)信道容量，是LTE最核心的技術(shù)。4×4 MIMO能夠更充分地利用空間維度，大幅度地提升頻譜效率和功率效率。隨著高性能終端的不斷推出，LTE頻譜資源效率可以采用更高的MIMO（4×4）技術(shù)以及更高階的256QAM調(diào)制方式，從而提升網(wǎng)絡(luò)容量。

與目前使用的64QAM調(diào)制相比，在相同編碼效率條件下，256QAM的頻譜效率理論上可直接提升33.3%。但是，256QAM對基站發(fā)射機(jī)參數(shù)以及終端能力都提出了較高的要求。

（3）多小區(qū)

小區(qū)分裂具有成本低、實(shí)施便捷等優(yōu)點(diǎn)，通過小區(qū)分裂技術(shù)，增加小區(qū)數(shù)目從而增加網(wǎng)絡(luò)空口容量，這在擴(kuò)容中得到越來越多的應(yīng)用。室分小區(qū)分裂相對簡單，通過樓層或區(qū)域的劃分增加信源進(jìn)行覆蓋提升容量；而對于宏站的小區(qū)分裂，一般是將原先的每個(gè)小區(qū)分為兩個(gè)進(jìn)行覆蓋，即六扇區(qū)的小區(qū)分裂。由于扇區(qū)分裂會帶來干擾，所以六扇區(qū)改造需要更換窄波瓣天線，同時(shí)也要對應(yīng)更高的天線增益，因此六扇區(qū)在提升容量的同時(shí)能夠改善基站的覆蓋。宏站的六扇區(qū)分裂不需要新增站址，也不需要新增頻譜，站點(diǎn)改造周期短，場景適應(yīng)性強(qiáng)，是容量提升的理想手段。

圖1 多扇區(qū)示意圖

1.2 精準(zhǔn)容量提升方案

結(jié)合之前的容量提升理論分析可知，當(dāng)前宏站容量提升主要手段有擴(kuò)容頻譜資源、增加小區(qū)數(shù)以及提升頻譜資源效率三個(gè)方面。在待擴(kuò)容的小區(qū)中，各小區(qū)業(yè)務(wù)擁塞時(shí)長和規(guī)模存在不同。因此，對于擴(kuò)容小區(qū)我們進(jìn)一步分為“高中低”三個(gè)優(yōu)先級，并對容量提升方案進(jìn)一步細(xì)分。

（1）低擁塞場景—擴(kuò)頻

對頻譜資源進(jìn)行擴(kuò)容是網(wǎng)絡(luò)擁塞之后的首選方案。一般情況下，低擁塞場景已經(jīng)達(dá)到擴(kuò)容門限，但是整體負(fù)荷不算高，前期也沒有過擴(kuò)容計(jì)劃。對于低擁塞場景，考慮軟擴(kuò)1.8G，硬擴(kuò)2.1G。容量在理論上可提升150%。

（2）中度擁塞場景—擴(kuò)頻+多扇區(qū)

若經(jīng)過擴(kuò)容及負(fù)載均衡優(yōu)化后，1.8G和2.1G雙網(wǎng)仍超擴(kuò)容門限，則認(rèn)為此處為中度擁塞場景。對于中度擁塞場景建議擴(kuò)容6扇區(qū)，容量可提升80%。而改造成六扇區(qū)基站以后，每個(gè)扇區(qū)典型覆蓋約60°范圍的區(qū)域，因此需要更換為水平波瓣更窄的天線。建議采用水平波瓣角為33度的天線，降低扇區(qū)間干擾，提高基站容量。

圖2 六扇區(qū)示意圖

目前使用的劈裂天線應(yīng)注意劈裂前扇區(qū)間方位角的夾角不能小于90度，同時(shí)盡量避開高速移動場景（如高鐵、高速公路）。交疊區(qū)用戶比例（劈裂后新增交疊區(qū)用戶與整個(gè)區(qū)域所有用戶的比例）應(yīng)≤20度，同時(shí)，分裂后應(yīng)避免小區(qū)的重疊覆蓋，并通過實(shí)際測試和設(shè)置合理的切換帶來保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性和良好的用戶感知。

圖3 劈裂天線交疊示意圖

（3）高擁塞場景—擴(kuò)頻+4T6S

對于流量爆發(fā)區(qū)域，建議采用雙頻4T4R+6扇區(qū)方案一步到位，這可以使容量在之前的基礎(chǔ)上再提升80%。

4T4R相對于傳統(tǒng)2T2R技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)頻譜效率翻倍，進(jìn)而大大提升網(wǎng)絡(luò)容量和體驗(yàn)，而雙頻4T4R一體化設(shè)備在兩個(gè)頻段上均支持4T4R，相當(dāng)于四個(gè)傳統(tǒng)2T2R模塊，不僅使得容量和體驗(yàn)翻倍，同時(shí)也能簡化天面，節(jié)省鐵塔租金和電費(fèi)。由于目前4T4R的終端相對較少，所以在高檔寫字樓、住宅等區(qū)域以及高典型場景區(qū)域，可考慮雙拼4T4R改造。

圖4 雙頻4T6S示意圖

2 擁塞系數(shù)評估及容量提升方案

篩選小區(qū)均已達(dá)到擴(kuò)容門限要求時(shí)需進(jìn)行擴(kuò)容。如果對大量需擴(kuò)容小區(qū)劃分優(yōu)先級，不僅可以將工作進(jìn)行細(xì)化，而且可以有針對性地提出解決方案，同時(shí)也能作為網(wǎng)絡(luò)投資的參考依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)提升的良性循環(huán)發(fā)展。針對上述情況，本文提出了高負(fù)荷小區(qū)擁塞系數(shù)評估方法。

2.1 高負(fù)荷小區(qū)擁塞系數(shù)評估方法

擁塞系數(shù)評估原理：以擴(kuò)容標(biāo)準(zhǔn)為判斷依據(jù)，通過合理評估每天的高業(yè)務(wù)量時(shí)長來區(qū)分?jǐn)U容小區(qū)的優(yōu)先級。

擁塞系數(shù)評估算法：分別以條件一和條件二為判斷條件，按小時(shí)級指標(biāo)進(jìn)行評估，滿足記為1，不滿足記為0，統(tǒng)計(jì)N天（N≥1）的數(shù)據(jù)，將權(quán)值相加并進(jìn)行排序，權(quán)值大則優(yōu)先級高。

評估具體流程如下圖所示，擴(kuò)容優(yōu)先級評估的原則是：合理評估每天高業(yè)務(wù)量時(shí)長，按小時(shí)級指標(biāo)進(jìn)行評估并計(jì)算擁塞系數(shù)，按統(tǒng)計(jì)天級權(quán)值來進(jìn)行區(qū)分。

圖5 評估流程

（1）根據(jù)擴(kuò)容標(biāo)準(zhǔn)篩選高負(fù)荷小區(qū)

當(dāng)前中國聯(lián)通的擴(kuò)容標(biāo)準(zhǔn)既考慮了網(wǎng)絡(luò)容量也考慮了用戶感知，通過提取每天忙時(shí)用戶數(shù)、單用戶速率、64QAM占比、PRB利用率以及流量來評估小區(qū)。首先，64QAM占比須大于40%，因?yàn)?4QAM占比與CQI相關(guān)，如果該值過低證明網(wǎng)絡(luò)

環(huán)境較差，需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；其次，擴(kuò)容準(zhǔn)則分兩個(gè)條件評估，條件一由用戶數(shù)和用戶速率組成，條件二由平均用戶速率、PRB利用率和流量組成，條件一和二各自內(nèi)部條件均滿足則該條件成立，一周滿足條件4次即列為擴(kuò)容小區(qū)。

表2 擴(kuò)容準(zhǔn)則

（2）提取高負(fù)荷小區(qū)N（N≥1）天的小時(shí)級指標(biāo)

將需擴(kuò)容小區(qū)組成對象組，提取其中N（≥1）天的小時(shí)級指標(biāo)，主要指標(biāo)有用戶數(shù)、單用戶速率、PRB利用率、流量以及64QAM占比指標(biāo)等。

（3）將64QAM占比低小區(qū)標(biāo)記為0

剔除64QAM站點(diǎn)小于40%的小區(qū)，并將權(quán)值記為0。由于擴(kuò)容標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)對天級64QAM指標(biāo)差的進(jìn)行了過濾，所以小時(shí)級低于40%的小區(qū)很少，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，值僅為1.6%，存在一定的偶然性和突發(fā)性。

（4）根據(jù)算法計(jì)算擁塞系數(shù)

按照評估標(biāo)準(zhǔn)對剩余小區(qū)的小時(shí)級數(shù)據(jù)進(jìn)行二次評估劃分，對每個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行標(biāo)記。分別按擴(kuò)容標(biāo)準(zhǔn)中的條件一和條件二計(jì)量權(quán)值，條件內(nèi)計(jì)算方法與擴(kuò)容準(zhǔn)則計(jì)算方法一致，內(nèi)部條件均滿足條件記為1，否則為0，并將條件一和二的最終權(quán)值相加得到系數(shù)總計(jì)數(shù)。

圖6 擁塞系數(shù)計(jì)算

（5）統(tǒng)計(jì)計(jì)算小區(qū)系數(shù)并排序

以小區(qū)為單位，對上述權(quán)值各時(shí)間段進(jìn)行累加，按數(shù)值大小依次排序。按照數(shù)值大小統(tǒng)計(jì)，數(shù)值越大則小區(qū)優(yōu)先級越高，可得出持續(xù)高業(yè)務(wù)小區(qū)，建議以此作為參考依據(jù)，合理安排擴(kuò)容工作，并可以以此劃分“高中低”優(yōu)先級等級。

2.2 典型場景宏站容量提升方案

結(jié)合方案研究及典型場景的劃分，對各場景的容量提升方案進(jìn)一步總結(jié)。

（1）對于室分場景，容量提升主要通過小區(qū)分裂來實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)方式相對簡單。對于機(jī)場、火車站、重保場景等高價(jià)值區(qū)域可通過改造lampsite進(jìn)行升級。

（2）對于宏站的容量提升，載波擴(kuò)容仍是首選，適用于幾乎所有場景的宏站擴(kuò)容。

（3）多扇區(qū)能有效提升容量，但同時(shí)會帶來干擾、切換等問題，建議在只有宏站覆蓋的高擁塞場景下小規(guī)模使用。

（4）4T4R能提升容量和用戶感知，目前4R終端在1.4%左右，建議在高價(jià)值及高端人群場所使用。

表3 典型場景方案

3 基于4T6S提升的應(yīng)用案例

結(jié)合高負(fù)荷小區(qū)擁塞系數(shù)評估法可以對擁塞等級進(jìn)行細(xì)分，同時(shí)可結(jié)合市場信息對方案進(jìn)一步調(diào)整，達(dá)到效益最大化的目的。因此，在結(jié)合擁塞等級評估高擁塞高價(jià)值區(qū)域后，我們對高優(yōu)先級區(qū)域及時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容響應(yīng)，快速提升用戶感知。林楓苑基站作為高擁塞區(qū)域，我們對該站點(diǎn)進(jìn)行了江蘇聯(lián)通首個(gè)4T6S試點(diǎn)，取得了很好的效果。

3.1 案例背景

林楓苑基站位于密集住宅區(qū)，如下圖所示。由于網(wǎng)絡(luò)容量擁塞，機(jī)房3個(gè)扇區(qū)前期均已擴(kuò)容為L1800（20M）+L2100（20M）雙載波，業(yè)務(wù)忙時(shí)單載波業(yè)務(wù)量在17GB以上，雙載波下行PRB利用率在95%以上，小區(qū)負(fù)荷高，當(dāng)用戶速率低于3Mbps時(shí)，用戶體驗(yàn)差。經(jīng)過評估擁塞系數(shù)，該小區(qū)屬于典型的業(yè)務(wù)爆發(fā)高擁塞區(qū)域，因此選取該站作為4T6S試點(diǎn)。

圖7 案例位置

3.2 方案實(shí)施

由于現(xiàn)行天面資源緊張，需更換4T4R設(shè)備以及8端口的劈裂天線，同時(shí)要規(guī)劃好劈裂天線的中心交疊區(qū)，不應(yīng)設(shè)置在用戶密集區(qū)。改造前塔頂抱桿占用空間3副天線位置和6臺RRU空間位置，改造后不增加天面資源；同時(shí)改造前后塔身承受3副天線、6臺RRU重量，基本一致。

圖8 改造前后對比

3.3 效果分析

對比開通前后的數(shù)據(jù)，在用戶數(shù)基本維持不變的情況下，忙時(shí)流量4T6S站點(diǎn)較替換前增加43%，忙時(shí)PRB利用率較替換前降低23%，忙時(shí)下行單用戶速率比替換前增加71.7%，極大地提升了用戶感知。

（1）4T6S方案對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有一定的提升，通過下圖CQI指標(biāo)前后對比可以看出（豎線為改造時(shí)間節(jié)點(diǎn)），改造后平均CQI得到提升，CQI≤6占比改善3.1%。

圖9 CQI對比

（2）下圖為改造前后流量和感知速率分析?？梢钥闯觯脑烨罢军c(diǎn)容量在90G左右受到抑制，改造后壓抑得到釋放；同時(shí)，在改造后流量90G的壓抑點(diǎn)，感知速率得到明顯提升，忙時(shí)提升約2倍。

圖10 壓抑點(diǎn)得到提升

（3）統(tǒng)計(jì)整體指標(biāo)可以看出，在忙時(shí)平均用戶維持在885基本不變的情況下，忙時(shí)PRB利用率從93.96%下降到70.9%，下降23個(gè)百分點(diǎn)，見圖11：

圖11 忙時(shí)PRB利用率和用戶數(shù)指標(biāo)

忙時(shí)下行單用戶速率從2.45Mbps提升到4.2Mbps，提升71.7%；忙時(shí)空口流量從271.01GB提升到了388.42GB，容量提升43%，見圖12：

圖12 忙時(shí)單用戶速率及流量指標(biāo)

4 結(jié)束語

本文通過對熱點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析研究，提出了高負(fù)荷小區(qū)優(yōu)先級擁塞系數(shù)評估法，通過合理評估每天高業(yè)務(wù)量時(shí)長來區(qū)分?jǐn)U容小區(qū)優(yōu)先級，能合理安排工作并發(fā)現(xiàn)高價(jià)值區(qū)域，可作為投資評估的參考依據(jù)。同時(shí)，從頻譜資源、頻譜效率、小區(qū)數(shù)量三個(gè)方面著手，重點(diǎn)介紹了宏站容量提升的解決方案，結(jié)合擁塞評估方法進(jìn)行了高擁塞4T6S的容量提升方案案例分析，驗(yàn)證容量提升方案的效果，提出了一整套容量評估提升方案，具有一定的推廣意義。