基于用戶感知的LTE高鐵優(yōu)化分析方法的研究及應(yīng)用

1 引言

截止2018年底，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到13.1萬公里以上,其中高鐵2.9萬公里以上。國家鐵路完成旅客發(fā)送量27.7億人，同比增長11.2%，其中動車組發(fā)送14.43億人，占比超過52%；單日發(fā)送旅客最高達(dá)1 442.7萬人，創(chuàng)歷史新高。

乘坐高鐵已成為人們重要的出行方式，高鐵通信已逐步成為各運(yùn)營商品牌展示、獲取可觀經(jīng)濟(jì)利潤及拉升高端客戶黏合度的新競爭領(lǐng)域?，F(xiàn)階段高鐵專網(wǎng)建設(shè)已鋪開，高鐵優(yōu)化需求日益增長[1]，大部分高鐵路線已實(shí)現(xiàn)新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)LTE的覆蓋，但仍有較大的不足，同時(shí)由于高鐵速度快，多普勒效應(yīng)顯著，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量問題嚴(yán)峻。對于高速鐵路移動無線網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)優(yōu)化手段，一則是通過后臺話務(wù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對覆蓋高鐵的小區(qū)指標(biāo)進(jìn)行分析，然后針對異常小區(qū)進(jìn)行分析及優(yōu)化；二則是通過大量的實(shí)地路測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定異常問題點(diǎn)然后進(jìn)行優(yōu)化。但是，上述手段均無法準(zhǔn)確反映高鐵用戶的實(shí)際指標(biāo)，通過話統(tǒng)數(shù)據(jù)分析容易被非高鐵用戶的指標(biāo)所淹沒，而實(shí)地測試數(shù)據(jù)往往又存在耗時(shí)長、驗(yàn)證周期長、數(shù)據(jù)少、測試終端型號與商務(wù)終端的性能存在差異等缺點(diǎn)，而且測試成本較大。

2 背景技術(shù)

大規(guī)模的高鐵建設(shè)，給人們工作生活帶來方便，具有移動速度快（在150~350 km/h之間）且相對恒定、移動方向與軌跡固定、同一趟高鐵用戶具有相似的移動特性（如相同的移動方向、相同速率、相近的時(shí)間等），因此通過結(jié)合新一代4G無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的原理及數(shù)據(jù)特點(diǎn)， 利用高鐵上用戶的海量LTE軟硬采XDR信令數(shù)據(jù)對高鐵用戶進(jìn)行剝離，進(jìn)一步分析高鐵用戶實(shí)際的感知質(zhì)量（如接入、速率、覆蓋、質(zhì)差等）、快速查找網(wǎng)絡(luò)問題、制定優(yōu)化方案并驗(yàn)證優(yōu)化效果，完成對高鐵網(wǎng)絡(luò)的信令數(shù)據(jù)采集與建模、專項(xiàng)分析、輸出優(yōu)化方案及閉環(huán)處理等支撐工作，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題的有效優(yōu)化及站點(diǎn)的精確規(guī)劃。

2.1 LTE的概念

LTE（Long Term Evolution，長期演進(jìn))是由3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃）組織制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統(tǒng)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長期演進(jìn)，它改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù)）和MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出系統(tǒng)）作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbit/s與上行50 Mbit/s的峰值速率，改善了小區(qū)邊緣用戶的性能，提高小區(qū)容量和降低系統(tǒng)延遲。從理論的角度上LTE在數(shù)據(jù)傳輸上能夠達(dá)到300 Mbit/s，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾噬吓c之前3G的格式有了很大的提高，很多家庭寬帶都沒有LTE的速率快，隨著LTE技術(shù)的廣泛運(yùn)用，給人們生活和工作帶來了極大的便利[2]。

2.2 XDR數(shù)據(jù)的概念

XDR數(shù)據(jù)，是指基于全量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，生成的供信令監(jiān)測平臺和信令類應(yīng)用使用的信令及業(yè)務(wù)的詳細(xì)記錄。XDR數(shù)據(jù)分為信令面XDR和用戶面XDR兩種，信令面采集包括對以下接口的采集：Uu、X2、S1-MME、S6a、S10、S11、S5/S8、SGs、Gn，用戶面采集只對S1-U接口進(jìn)行采集，其中Uu、X2口采集的數(shù)據(jù)屬于軟采XDR數(shù)據(jù)，其他口采集的屬于硬采XDR數(shù)據(jù)。另外，XDR數(shù)據(jù)還包含UE_MR XDR和CELL_MR XDR兩種MR XDR數(shù)據(jù)，UE_MR XDR為基于軟采上報(bào)的每個(gè)UE的每個(gè)MR生成一個(gè)UE_MR XDR，其中包含UE級的相關(guān)信息，需要把Uu接口MR測試結(jié)果和Uu-extend接口MR相關(guān)測量值進(jìn)行關(guān)聯(lián)后生成；而CELL_MR XDR為基于軟采上報(bào)的每個(gè)小區(qū)的小區(qū)級Uu-extend MR相關(guān)字段生成一個(gè)Cell_MR XDR，其中包含小區(qū)級的相關(guān)信息，如圖1所示。

2.3 高鐵用戶的剝離方法

目前高速鐵路已基本實(shí)現(xiàn)了LTE專網(wǎng)的覆蓋，因此通過進(jìn)一步結(jié)合高鐵用戶的特性，即可將高鐵用戶從LTE專網(wǎng)小區(qū)海量的用戶中剝離出來，方法一則為占用到高鐵專網(wǎng)小區(qū)達(dá)到3個(gè)以上且在小區(qū)覆蓋距離內(nèi)平均速度達(dá)到高鐵速度值（如150 km/h以上）的用戶，二則為占用高鐵專網(wǎng)特殊小區(qū)（如只覆蓋高鐵隧道的小區(qū)）的用戶，綜合兩者即為高鐵用戶，其中前者的具體方法如下：

圖1 統(tǒng)一DPI系統(tǒng)架構(gòu)圖

步驟1：切換序列的確定

根據(jù)高鐵專網(wǎng)小區(qū)工參數(shù)據(jù)及時(shí)間順序，確定高鐵行駛正向小區(qū)切換序列(A/B/C/…/N(n-1)/Nn)和反向小區(qū)切換序列（Nn/N(n-1)/…/C/B/A）。

步驟2：切換點(diǎn)位置的確定

根據(jù)海量的高鐵路測數(shù)據(jù)，得到正反向切換點(diǎn)所對應(yīng)的經(jīng)緯度信息，無經(jīng)緯度信息的切換點(diǎn)，則根據(jù)傳播模型獲取，而對于高速鐵路場景，其具有用戶移動速度快(200~350 km/h)、站點(diǎn)密集、傳播環(huán)境較好等特點(diǎn)。而采用Hata的擴(kuò)展模型，即COST-231 Hata模型，其適合在基站密集區(qū)域（數(shù)百米）及頻率在2GHz頻率的傳播場景，由于高速鐵路軌跡是固定的，LTE切出切入的發(fā)射點(diǎn)也是確定的，因此通過建立切換點(diǎn)算法模型，即可得出切換點(diǎn)的位置，具體如下：

傳播模型算法：

式中：

f 是載波頻率；

hte是發(fā)射天線有效高度；

同時(shí)為保證挖溝機(jī)能夠正常越障,車體與地面的最小離地間隙應(yīng)作為重要參數(shù)進(jìn)行考慮,可以得到如下安全的離地間隙[8]，即

hre是接收天線有效高度；

d是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離；

CM為校正因子；[3]

a(hre)是移動天線修正因子，其數(shù)值為：

PTX：天線口功率;

GT：天線增益，發(fā)射天線增益+接收天線增益；

LRS：人體損耗；

LCS：車體損耗；

切換點(diǎn)位置算法：

PS：切換出小區(qū)的信號強(qiáng)度；

PN：目標(biāo)小區(qū)的信號強(qiáng)度；

Qhyst：切換幅度遲滯；

CIO：切換偏置；

通過上述公式（1）、公式（2）和公式（3）即可得出無GPS位置信息的切換點(diǎn)的位置。

步驟3：切換點(diǎn)的位置匹配

獲取高鐵專網(wǎng)小區(qū)的軟采XDR（包括Uu_XDR及X2_XDR）信令數(shù)據(jù)，根據(jù)源小區(qū)（CELLID/Source Cell ID）及目標(biāo)小區(qū)(Target Cell ID) 篩選切換點(diǎn)及其對應(yīng)的時(shí)間，其中Uu_XDR選取為“RRC_HO_intraENB/RRC_HO_interENB”的Procedure Type，X2_XDR選取為“X2 handover”的Procedure Type，將軟采切換點(diǎn)與已知位置點(diǎn)信息進(jìn)行匹配，同時(shí)根據(jù)用戶占用高鐵專網(wǎng)小區(qū)的時(shí)間序列，確定用戶的正反向?qū)傩裕?/p>

步驟4：速率的計(jì)算

表1 用戶數(shù)及RSRP≥-110 dBm分布統(tǒng)計(jì)

表2 RSRQ分布統(tǒng)計(jì)

由于切換點(diǎn)及高鐵軌道均是確定的，因此切換點(diǎn)間的軌道距離S是確定的，即切換點(diǎn)1與切換點(diǎn)2、…、切換點(diǎn)N間的距離為S12、S13、…S1N，因此根據(jù)上述步驟1~3中可得出某一用戶切換點(diǎn)1與其他切換點(diǎn)間的間隔時(shí)間分別為T12、T13、…T1N，因此該用戶在小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的速度為：

最后，通過各高鐵小區(qū)覆蓋特性（如是否覆蓋高鐵站小區(qū)等），提出異常的小區(qū)速度，將剩下的樣本與高鐵場景用戶運(yùn)動速度VG（如VG=150 km/h）進(jìn)行比較，若符合則將此用戶判斷為高鐵用戶。

3 應(yīng)用效果

統(tǒng)計(jì)高鐵專網(wǎng)站點(diǎn)及周邊公網(wǎng)站點(diǎn)的一天的用戶數(shù)共594 777個(gè)，其中占用專網(wǎng)小區(qū)的用戶有92 064個(gè)，高鐵用戶有13 828個(gè)，高鐵用戶占比為15.02%，高鐵用戶RSRP≥-110 dBm的占比為82.25%（專網(wǎng)小區(qū)為64.37%）、SINR_UL≥-3dB的占比為99.82%（專網(wǎng)小區(qū)為98.18%）、RSRQ≥-15 dB的占比為94.28%（專網(wǎng)小區(qū)為90.59%）、X2口切換成功率為99.20%（專網(wǎng)小區(qū)為98.92%）、Uu口小區(qū)內(nèi)切換成功率為56.31%（專網(wǎng)小區(qū)為13.04%）、Uu口ENB內(nèi)切換成功率為95.96%（專網(wǎng)小區(qū)為96.76%）、Uu口ENB間切換成功率為93.05%（專網(wǎng)小區(qū)為86.67%），Uu口ENB間切換成功率為99.20%（專網(wǎng)小區(qū)為98.92%），MOD3干擾比例為0.1%（專網(wǎng)小區(qū)為0.02%），具體如表1~6所示。

4 結(jié)語

通過利用高鐵上用戶的海量LTE軟硬采XDR信令數(shù)據(jù)，對高鐵用戶的進(jìn)行剝離，實(shí)現(xiàn)了除依靠小區(qū)的后臺網(wǎng)管統(tǒng)計(jì)指標(biāo)、高速鐵路路測數(shù)據(jù)及高速鐵路用戶投訴這三方面的手段外的另一種維度的分析方法。通過區(qū)分LTE小區(qū)的高鐵與非高鐵用戶，進(jìn)行用戶級的精細(xì)化分析，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中各維度、各類型的問題點(diǎn)，完成對網(wǎng)絡(luò)評估及問題點(diǎn)的呈現(xiàn)、輸出、優(yōu)化調(diào)整及驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)問題的閉環(huán)處理，具有耗時(shí)短、取數(shù)周期短、效率高、巨量數(shù)據(jù)、反映實(shí)際用戶感知等優(yōu)勢，可有效推進(jìn)高鐵優(yōu)化的進(jìn)行。

表3 SINR_UL分布統(tǒng)計(jì)

表4 X2切換統(tǒng)計(jì)

表5 Uu切換統(tǒng)計(jì)

表6 MOD3干擾統(tǒng)計(jì)