高鐵場景LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷評估及容量提升分析

殷海云，谷俊江

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司江蘇省分公司，江蘇 南京 210029）

1 引言

高鐵場景下，高速移動、批量瞬時涌入、無線信號多普勒偏移等特性給網(wǎng)絡(luò)帶來了全新挑戰(zhàn)，雖然已有針對性的解決方案，但隨著LTE用戶規(guī)模的單極化增長，高鐵網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)荷的抬升使得網(wǎng)絡(luò)容量難以滿足用戶多樣化的需求，如何準(zhǔn)確評估用戶感知與高鐵網(wǎng)絡(luò)容量之間的關(guān)系，是當(dāng)下必須解決的問題。本文重點討論高鐵LTE小區(qū)容量提升問題，針對SFN（Single Frequency Network，單頻網(wǎng)）拆解和載波擴(kuò)容兩方面應(yīng)用給出實用標(biāo)準(zhǔn)。

2 LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷評估研究

網(wǎng)絡(luò)接入性能和用戶速率是影響LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的主要指標(biāo)，高鐵SFN合并比例高，需進(jìn)行重點分析。

2.1 SFN

SFN是將多個獨立的無線發(fā)射單元同時服務(wù)于一個用戶，以此使單小區(qū)覆蓋面積倍增，高鐵場景由于移動用戶速度快，切換要求高，采用SFN的方式可大幅減少小區(qū)間切換次數(shù)。覆蓋范圍倍增對網(wǎng)絡(luò)的影響如表1所示。

采用SFN雖然有效降低了小區(qū)間切換次數(shù)，但網(wǎng)絡(luò)容量也因此倍減，區(qū)域內(nèi)同時可容納的用戶數(shù)和吞吐率也隨之降低，所以當(dāng)區(qū)域內(nèi)用戶規(guī)模和業(yè)務(wù)需求超過網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)時，需要進(jìn)行評估拆除。

表1 覆蓋范圍倍增對網(wǎng)絡(luò)的影響

2.2 允許同時在線用戶數(shù)

LTE系統(tǒng)中，終端有兩種狀態(tài)，即連接態(tài)和空閑態(tài)。每個連接態(tài)用戶都需要消耗一定的軟硬件資源，系統(tǒng)隨時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中有緩存需求（即有數(shù)據(jù)傳輸要求）的用戶，當(dāng)小區(qū)內(nèi)同時處于連接態(tài)的用戶數(shù)達(dá)到一定規(guī)模后，將超出小區(qū)的處理能力，而當(dāng)多個物理小區(qū)采用SFN合并的方式之后，多個物理小區(qū)最大只能共享一個小區(qū)的RRC連接用戶數(shù)，在覆蓋范圍倍增而容量不變的情況下，網(wǎng)絡(luò)易出現(xiàn)容量受限的情況。

2.3 用戶感知速率評估

用戶感知與網(wǎng)絡(luò)下行速率和響應(yīng)時延強(qiáng)相關(guān)，高鐵特性決定大量用戶瞬時涌入，盡管LTE空口速率達(dá)150 Mbit·s-1，平均到單用戶卻仍很低。且高鐵與大網(wǎng)同頻組網(wǎng)，還承擔(dān)著大網(wǎng)用戶的承載，隨著4G滲透率不斷提升，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷大增，此時列車經(jīng)過再帶來高鐵用戶，用戶感知無法得到保障，需要深入評估LTE用戶感知，主要從以下四個維度進(jìn)行：

◆高鐵用戶感知受限影響因素；

◆確定高鐵用戶主流業(yè)務(wù)感知惡化臨界點；

◆LTE單小區(qū)RRC接入用戶數(shù)與資源利用率關(guān)系曲線；

◆LTE單小區(qū)資源利用率與吞吐量間關(guān)系曲線。

（1）高鐵用戶感知受限影響因素

LTE網(wǎng)管小粒度的統(tǒng)計才能真實反映用戶真實受限情況。高鐵運行速度快，承載用戶多，列車的到來使小區(qū)進(jìn)入業(yè)務(wù)高峰，需要采取更短周期粒度來分析實際用戶的實際受限情況。

圖1是1 min級的時隙占比散點圖，當(dāng)占空比在50%左右時，用戶速率下降到5 Mbit·s-1，因此設(shè)校正因子取值0.5，現(xiàn)網(wǎng)話統(tǒng)數(shù)據(jù)最低監(jiān)控粒度為15 min，需要除以校正因子0.5完成高鐵擴(kuò)容無線資源利用率預(yù)估。

圖1 時隙占比分析

表2 不同業(yè)務(wù)保證優(yōu)良體驗對應(yīng)不同速率

圖2 高負(fù)荷/主流業(yè)務(wù)分布

3）視頻業(yè)務(wù)邊緣速率要求

目前用戶使用時長最高的業(yè)務(wù)類型為視頻業(yè)務(wù)，視頻業(yè)務(wù)的最低速率要求分析如下：

◆用戶點播不同清晰度的片源時，需要的網(wǎng)絡(luò)最低邊緣速率也不盡相同，當(dāng)片源清晰度為480 P～1 080 P時，網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)置為：緩沖時延2 s～4 s，卡頓次數(shù)為0；

◆分析值可以作為參考基準(zhǔn)，如表3所示，根據(jù)不同OTT的視頻業(yè)務(wù)差異、業(yè)務(wù)發(fā)展變化及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。

對照網(wǎng)研院對現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)邊緣速率要求，基于國內(nèi)主流OTT視頻業(yè)務(wù)特征統(tǒng)計，要求2 s內(nèi)打開視頻頁面，緩沖時間不超過8 s時的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)下行速率不超10 Mbit·s-1。

（3）單用戶速率與PRB資源利用率的關(guān)系

不同SFN場景下，PRB利用率與單用戶速率趨勢比不同，當(dāng)小區(qū)下行PRB利用率不斷攀升，用戶感知速率逐漸下降，不同場景下下降趨勢有所不同：

1）未SFN合并狀態(tài)：下行PRB利用率為44%和65%時，用戶感知速率下降至10 Mbit·s-1和5 Mbit·s-1左右，表明該狀態(tài)下用戶感知速率受限的門限為下行PRB資源利用率達(dá)到44%。

2）經(jīng)SFN合并后：當(dāng)下行PRB利用率為47%和73%時，用戶感知速率下降至10 Mbit·s-1和5 Mbit·s-1左右。表明該狀態(tài)下用戶感知速率受限的門限為下行PRB資源利用率達(dá)到47%。

3）跨站SFN時，當(dāng)下行PRB利用率為40%和60%時，用戶感知速率下降至10 Mbit·s-1和5 Mbit·s-1左右。表明該狀態(tài)下用戶感知速率受限的門限為下行PRB資源利用率達(dá)到40%。

總結(jié)：上述分析可以看出，滿足高鐵用戶的視頻體驗10 Mbit·s-1的情況下，PRB利用率絕不能超過45%。

（4）比用戶感知速率與用戶數(shù)關(guān)聯(lián)分析

1）用戶數(shù)＞40時，開始發(fā)生流量抑制，單用戶速率為15 Mbit·s-1左右；

2）用戶數(shù)＞60時，流量抑制擴(kuò)大，單用戶速率為10 Mbit·s-1左右；

3）用戶數(shù)＞100時，流量抑制明顯，單用戶速率為8 Mbit·s-1左右；

表3 RTT=70 ms時不用業(yè)務(wù)體驗下邊緣速率要求

4）用戶數(shù)＞200時，流量抑制呈指數(shù)增長，單用戶速率為5 Mbit·s-1以下。

高鐵小區(qū)流量抑制比如圖3所示。

3 LTE容量提升方案

LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷評估體系主要是從2個維度（小區(qū)接入能力和用戶速率）和3個指標(biāo)（PRB資源利用率、小區(qū)平均用戶數(shù)、下行單用戶速率）對網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷進(jìn)行容量評估，具體方法如下：

統(tǒng)計：監(jiān)控單地市高鐵小區(qū)PRB資源利用率、小區(qū)平均用戶數(shù)、下行單用戶速率，統(tǒng)計粒度1 min，統(tǒng)計周期4小時。

計算：計算單地市高鐵小區(qū)PRB資源利用率、小區(qū)平均用戶數(shù)、下行單用戶速率，各項指標(biāo)都是統(tǒng)計周期內(nèi)取最大值。

評估：將小區(qū)各項指標(biāo)統(tǒng)計值與預(yù)設(shè)門限值比較，對比結(jié)果進(jìn)行分類匯總。根據(jù)上面分析得知，建議采用本站合并SFN模式，下行平均PRB資源利用率門限為45%，下行單用戶速率為10 Mbit·s-1，小區(qū)平均用戶數(shù)為150。

3.1 不同SFN合并模式拆分對比

將滬寧線6RRU和4RRU合并（背靠背SFN）拆分至單RRU帶兩副背對背天線，發(fā)現(xiàn)4RRU拆分為本站合并后各項指標(biāo)均較其他兩種拆分方式優(yōu)勢明顯。

（1）4RRU小區(qū)拆分后，在用戶數(shù)不變情況下，單用戶速率提升了23.98%，PRB利用率下降了53.23%，CQI下降趨勢較大，為9.23%。

（2）4RRU小區(qū)拆分后，在用戶數(shù)不變情況下，單用戶速率提升了28.65%，PRB利用率下降了61.50%，CQI下降了0.33%。

結(jié)論：上面分析可以得出，跨站SFN拆分后增益最高，可以達(dá)到20%以上。

3.2 SFN拆分單用戶速率增益

當(dāng)前江蘇高鐵中滬寧城際的資源負(fù)荷最高，單用戶感知速率最差，選取滬寧城際進(jìn)行SFN合并拆分增益分析，表4為滬寧城際合并情況。

圖3 高鐵小區(qū)流量抑制比

表4 滬寧城際江蘇段各地市合并情況

由表4可以得到，滬寧城際合并小區(qū)比例為77.68%，其中本站背靠背SFN合并方式比例為40.63%，跨站SFN合并比例為37.05%，將跨站SFN合并小區(qū)拆除為本站背靠背SFN合并模式，共需增加95個本站背靠背SFN合并模式小區(qū)，按照增幅23%進(jìn)行計算，下行單用戶速率提升0.5 Mbit·s-1，最大可容納用戶數(shù)增加38 000個。速率提升幅度較小，想達(dá)到感知標(biāo)準(zhǔn)（10 Mbit·s-1），仍需采取載波擴(kuò)容模式。

3.3 載波聚合擴(kuò)容增益（CA）

聯(lián)通高鐵載波聚合推薦1.8G帶內(nèi)和1.8G+2.1G帶間兩種方案，當(dāng)前2個方案情況優(yōu)劣勢對比如表5所示。

表5 L2100和L1800優(yōu)劣勢對比

7月26日，為保障鐵總測試，徐州對北段進(jìn)行帶內(nèi)1.8G擴(kuò)容，開通載波聚合，實際提升效果如下：路測下載速率由30 Mbit·s-1提升至43 Mbit·s-1，提升幅度為43%，LTE數(shù)據(jù)流量（一天）由635 Gbit·s-1上升至777 Gbit·s-1，話務(wù)量提升22.4%。

4 結(jié)束語

本文圍繞高鐵場景下SFN不同類型合并模式展開分析，從站點接入能力及用戶感知速率兩個維度來評估高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，從用戶感知角度出發(fā)，確定各評估指標(biāo)項的預(yù)設(shè)門限。通過分析SFN拆分影響，確定高鐵網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷高的情況下如何合理進(jìn)行拆分，合理利用SFN可以提升用戶感知速率，根據(jù)實際情況進(jìn)行拆分，避免“一刀切”帶來的用戶感知下降及小區(qū)指標(biāo)惡化。由于各地區(qū)本地網(wǎng)高鐵用戶分布、業(yè)務(wù)模型及無線環(huán)境都存在區(qū)別，各指標(biāo)預(yù)設(shè)門限可以根據(jù)實際情況進(jìn)行靈活調(diào)整。