基于用戶感知的3D MIMO擴容門限研究*

何振華

（中國移動通信集團湖南有限公司郴州分公司，湖南 郴州 423000）

0 引 言

Massive MIMO是5G的關(guān)鍵技術(shù)[1]，通過增加小區(qū)天線數(shù)形成類似雷達的天線陣，利用用戶信道間的空分特性提高系統(tǒng)總?cè)萘俊?D MIMO（Three Dimension Multiple Input Multiple Output）是Pre5G技術(shù)，是Massive MIMO的初期形式，可以部署在LTE系統(tǒng)，天線規(guī)格支持128天線。根據(jù)實際使用效果，3D MIMO天線具有15 dB的波束賦形增益，能提升2～3倍頻譜效率，且可以降低小區(qū)干擾。

一方面，隨著用戶流量消費習(xí)慣養(yǎng)成，網(wǎng)絡(luò)流量需求增加，熱點小區(qū)吞吐量逐步提升；另一方面，用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗要求越來越高。在同質(zhì)化競爭中，要求運營商不斷改善用戶上下行業(yè)務(wù)體驗。在3D MIMO這種高價值場景，精準(zhǔn)化貼近用戶感知的網(wǎng)絡(luò)擴容評估是當(dāng)前亟待解決的問題。

1 擴容策略

LTE網(wǎng)絡(luò)擴容有基于用戶感知、網(wǎng)絡(luò)安全、行業(yè)內(nèi)競爭和運營商效益的策略。擴容評估的參數(shù)涉及硬件性能、網(wǎng)絡(luò)擁塞、網(wǎng)絡(luò)流量、用戶激活數(shù)、用戶連接數(shù)以及傳輸能力等。目前，中國移動采用綜合資源利用率、吞吐量、RRC連接用戶數(shù)、業(yè)務(wù)類型等參數(shù)進行高負(fù)荷小區(qū)擴容決策。根據(jù)小區(qū)業(yè)務(wù)類型或E-RAB（E-UTRAN Radio Access Bearer）流量，將小區(qū)劃分為大包、中包和小包3類，而不同的小區(qū)分別選擇不同的擴容門限。實踐發(fā)現(xiàn)，起決定性作用的參數(shù)是PDSCH或PUSCH的資源利用率。資源利用率反映統(tǒng)計周期內(nèi)PRB利用率的平均數(shù)，掩蓋了短時期業(yè)務(wù)資源不足導(dǎo)致的體驗差[2]。

文獻[3]提出根據(jù)單用戶保障速率計算小區(qū)容量需求的模型，因為用戶的業(yè)務(wù)類型、無線環(huán)境、用戶激活率不可知，導(dǎo)致該類策略出現(xiàn)“精確的錯誤”，引入誤差造成容量冗余較大。文獻[4]提出基于用戶體驗的網(wǎng)絡(luò)擴容策略，僅僅根據(jù)單用戶下載速率為基礎(chǔ)進行用戶體驗評估。用戶對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)差的厭惡感來自卡頓、掉線等現(xiàn)象，該策略無法模擬用戶真實的業(yè)務(wù)感知，導(dǎo)致主觀體驗與客觀評估標(biāo)準(zhǔn)之間不一致。

3D MIMO主要應(yīng)用在流量熱點區(qū)域，如今尚未形成統(tǒng)一的擴容標(biāo)準(zhǔn)。3D MIMO的擴容策略如果過于寬松，將導(dǎo)致容量浪費；過于嚴(yán)格，則導(dǎo)致大量流量與收入的損失。本文根據(jù)實際無線環(huán)境和業(yè)務(wù)類型，探索用戶感知模型，并提出了一組3D MIMO擴容門限標(biāo)準(zhǔn)。

2 感知評價

隨著用戶數(shù)、資源負(fù)荷的增加，系統(tǒng)內(nèi)干擾增加，繼而引發(fā)用戶接入時延變長、感知惡化（如圖1所示）?，F(xiàn)階段3D MIMO主要應(yīng)用在高流量價值的口碑區(qū)域，流量壓抑嚴(yán)重將影響品牌區(qū)域的用戶口碑。

圖1 用戶感知曲線

無線類業(yè)務(wù)豐富，不同類型業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)性能要求不同?，F(xiàn)階段3D MIMO主要承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，語音業(yè)務(wù)通過語數(shù)分層策略遷移到其他制式或頻段網(wǎng)絡(luò)。本文將移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)劃分為即時通信類業(yè)務(wù)、瀏覽類業(yè)務(wù)和視頻類業(yè)務(wù)3個大類[5]。即時通信類業(yè)務(wù)以小包業(yè)務(wù)為主，主要包括微信、支付APP等業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)特性為單用戶流量需求小、突發(fā)性高、速率要求低、信令開銷大；瀏覽類業(yè)務(wù)以中包業(yè)務(wù)為主，包括網(wǎng)頁瀏覽、應(yīng)用下載等業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)特性為單用戶流量需求較大、速率要求較高、信令開銷適中；視頻類業(yè)務(wù)以大包為主，包括各類APP視頻、網(wǎng)頁視頻、FTP下載等業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)特性為單用戶流量大、速率要求高、信令開銷適中。3類業(yè)務(wù)的感知評價和感知基線不同，其中用戶感知低于感知基線則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)性能不能滿足用戶需求。

影響即時通信類業(yè)務(wù)感知主要是時延，本文通過時延評估該類業(yè)務(wù)感知，并設(shè)定時延2 s為感知基線。影響瀏覽類業(yè)務(wù)感知的主要是上傳下載速率和時延，本文通過上傳下載速率及時延評估該類業(yè)務(wù)感知，下行速率600 kb/s，上行速率300 kb/s，時延7 s為感知基線。用戶在觀看視頻或游戲時，如果出現(xiàn)卡頓、播放不流暢等現(xiàn)象，會使用戶在視頻體驗服務(wù)上感覺較差。本文選取了4個維度對視頻業(yè)務(wù)感知進行評估，并建立了決策樹評價模型，其評價函數(shù)為：

其中，W1=0.2，W2=0.2，W3=0.1；VQuality指視頻源質(zhì)量得分（實驗中選用1 080 P視頻），VStallingFrequency指卡頓頻次得分，VLoading指初始緩沖時延得分，VStallingRecovery指卡頓恢復(fù)時長得分。

在視頻業(yè)務(wù)感知評估中，將感知劃分多個等級，根據(jù)感知等級進行評分，對應(yīng)關(guān)系如表1所示，VMOS得分3為感知基線。

表1 視頻類業(yè)務(wù)感知評分

3 業(yè)務(wù)模型

實驗分別對視頻業(yè)務(wù)和混合業(yè)務(wù)進行測試，視頻用戶場景測試小區(qū)在全視頻業(yè)務(wù)下感知受限時小區(qū)容量，多業(yè)務(wù)混合場景測試小區(qū)在多業(yè)務(wù)按比例分布時感知受限時的小區(qū)容量。

現(xiàn)實無線網(wǎng)絡(luò)中，每個小區(qū)下接入的業(yè)務(wù)形式多種多樣，但各類業(yè)務(wù)分布呈現(xiàn)一定比例，不同類型場景用戶偏好存在較少差異（如高校場景，即時通信時長占比較居民場景高1%～2%）。根據(jù)某地市現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)統(tǒng)計占比（如表2所示），混合業(yè)務(wù)中主要以瀏覽類、即時通信類和視頻類業(yè)務(wù)為主。參考現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)時長占比和前文業(yè)務(wù)類型劃分，本次實驗設(shè)計3類4項業(yè)務(wù)：視頻類業(yè)務(wù)占比10%（其中視頻占比5%，F(xiàn)TP下載占比5%），瀏覽業(yè)務(wù)占比60%，即時通信業(yè)務(wù)占比30%。

表2 某地市不同類型業(yè)務(wù)占比

4 實驗設(shè)計

本次實驗3D MIMO站點為2.6 GHz頻段，帶寬20 MHz，上下行配比為3:1，特殊時隙DwPTS:GP:UpPTS配比為10:2:2。CFI采用動態(tài)分配，終端放置在加擾小區(qū)內(nèi)發(fā)起上行業(yè)務(wù)，上行采用真實終端進行加擾，下行采用鄰小區(qū)OCNG（OFDM Channel Noise Generator）方式加擾10%?？紤]到現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)覆蓋場景包括近端區(qū)域、中心區(qū)域和邊緣區(qū)域，測試終端模擬按照無線環(huán)境好點（SINR＞20 dB且RSRP＞-90 dBm）、中點（0 dB＜=SINR＜=20 dB且-100 dBm＜=RSRP＜=-90 dBm）、差點（SINR＜0 dB且RSRP＜-100 dBm）進行3:4:3的模型配比，測試終端分布現(xiàn)場及測試現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 測試終端分布及測試現(xiàn)場

即時通信業(yè)務(wù)利用Ping包方式代替，設(shè)置文字、圖片和語音Ping包大小分別為70 Byte、7 950 Byte和65 kB，包發(fā)送頻次比例分別為68%、20%、12%。視頻測試采用Video Test軟件進行計分，瀏覽和FTP下載業(yè)務(wù)感知測試工具為Smart Test，測試操作界面如圖3所示。測試過程中通過NetNumen監(jiān)控小區(qū)級指標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖3 測試終端操作界面

5 實驗結(jié)果

在視頻業(yè)務(wù)場景測試時，當(dāng)用戶按照實驗設(shè)計分布總數(shù)達到26個（好點8個、中點10個、差點8個），小區(qū)用戶再增加將達到視頻感知的基線（如圖4所示），容量達到門限值。分析PRB指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，PDSCH資源最先受限。當(dāng)加載用戶數(shù)達到26個時，PDSCH資源利用率達80%以上，小區(qū)下行空分比例隨用戶數(shù)增長而上升。受限于PDSCH資源利用率和下行空分比例，在用戶數(shù)達到26個之后，用戶繼續(xù)增長時小區(qū)PDCP層吞吐量整體滯漲。

圖4 視頻類業(yè)務(wù)加載終端數(shù)及VMOS變化

在混合業(yè)務(wù)場景測試時，當(dāng)加載總用戶數(shù)為120時FTP用戶最先感知受限，當(dāng)加載總用戶數(shù)為160時視頻用戶感知明顯受限（如圖5所示），當(dāng)加載總用戶數(shù)200時瀏覽業(yè)務(wù)感知受限。

圖5 混合業(yè)務(wù)加載終端總數(shù)及VMOS變化

根據(jù)測試結(jié)果認(rèn)為，混合業(yè)務(wù)用戶按照測試模型分布，當(dāng)好點、中點、差點用戶總數(shù)到160時，小區(qū)容量基本飽和，此時下行小區(qū)容量飽和達到70 Mb/s，上行容量達到8 Mb/s，如圖6所示。

PDSCH資源利用率高于PUSCH和PUCCH資源利用率且先受限，加載用戶數(shù)160時，PDSCH資源利用率達95%以上（如圖7所示）。小區(qū)下行空分比例主要與用戶空間隔離度和信道相關(guān)性有關(guān)，其隨用戶數(shù)增長而上升，實驗中最高達到65%。

圖6 混合業(yè)務(wù)加載終端總數(shù)及上下行容量變化

圖7 混合業(yè)務(wù)加載終端總數(shù)及資源利用率變化

6 擴容門限

此次3D MIMO實驗隨著加載用戶數(shù)的增加，業(yè)務(wù)感知受限。同時，考慮3D MIMO小區(qū)無線資源利用率出現(xiàn)突增或飽和，則判斷為擴容門限，輸出相應(yīng)的用戶數(shù)、吞吐量和資源利用率門限。從視頻用戶數(shù)看，受益于空分功能，3D MIMO站點支持用戶數(shù)是8T8R宏站的2～3倍。3D MIMO單小區(qū)視頻業(yè)務(wù)擴容門限為激活用戶數(shù)26個，3D MIMO單小區(qū)混合業(yè)務(wù)擴容門限為160個激活用戶。3D MIMO小區(qū)吞吐量擴容門限為下行忙時吞吐量70 Mb/s，上行忙時吞吐量8 Mb/s。相同資源利用率，空分多流是提升容量的關(guān)鍵，空分后支持用戶數(shù)相比宏站更多。實驗中3D MIMO小區(qū)上行PUSCH RPB平均利用率超過60%，下行PDSCH資源平均利用率超過80%需考慮擴容?，F(xiàn)網(wǎng)中如果連片同頻組網(wǎng)，干擾受限場景，資源平均利用率的擴容門限應(yīng)該設(shè)置更低。

7 結(jié) 語

本文從業(yè)務(wù)類型、無線環(huán)境等多個角度模擬用戶行為，探討了基于感知擴容的原則和方法。后期將進一步探討上行及下行加擾對誤碼率、用戶感知和容量的影響。實驗用3D MIMO為TDD 20M頻段64通道，后期將繼續(xù)驗證其他制式的3D MIMO擴容門限。