高鐵場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶感知提升方法

梁松柏，郭穎悟，李新衛(wèi)

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司河南省分公司，河南 鄭州 450008）

1 引言

高鐵已成為我國(guó)最大規(guī)模的人口流動(dòng)承載工具，最大限度提升高鐵用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)和感知成為運(yùn)營(yíng)商塑造網(wǎng)絡(luò)口碑的一大挑戰(zhàn)。中部某省為“米”字型高鐵匯集區(qū)。該省成立專項(xiàng)組，每完成一條高鐵專網(wǎng)覆蓋，都按照集團(tuán)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，采用路測(cè)加后臺(tái)分析方法發(fā)現(xiàn)問題，以及采取多RRU小區(qū)合并解決頻繁切換、多載波加低速用戶遷出解決容量等一系列高鐵網(wǎng)絡(luò)特性功能提升用戶感知。自京廣高鐵開通至今，6年時(shí)間下發(fā)14 000條問題調(diào)整工單，累計(jì)投入優(yōu)化費(fèi)用1 200多萬元，京廣等關(guān)鍵線路SINR≥0的比例僅為83.9%左右，無法從根本上解決SINR差、VoLTE掉話、上網(wǎng)慢、用戶體驗(yàn)差、投訴多等問題。

本文以高鐵用戶質(zhì)量和業(yè)務(wù)感知提升為目標(biāo)，旨在構(gòu)建一套干線優(yōu)化理論體系，并提出與該理論匹配的、可變現(xiàn)的簡(jiǎn)單操作方法，解決現(xiàn)有干線質(zhì)量提升無系統(tǒng)性解決方案以及效果有限的困境，供運(yùn)營(yíng)商在所有交通干線場(chǎng)景快速?gòu)?fù)制和推廣。

2 優(yōu)化原理

2.1 理論分析

造成高鐵SINR差、VoLTE掉話多、感知頻繁被人詬病的原因有很多，排除故障告警、斷站等運(yùn)維因素，現(xiàn)有方法僅著眼于掉話、切換失敗、單個(gè)SINR差等表象問題；或依賴加載某項(xiàng)功能特性改善一類的問題；實(shí)際效果事倍功半。其根本原因是，問題根因定位不準(zhǔn)，缺乏基于根因的體系化方法，具體為覆蓋控制不合理、干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正常解調(diào)、容量厚度不夠。要徹底解決以上問題，需從其原理著手，并解決實(shí)施順序。

高鐵網(wǎng)絡(luò)和大網(wǎng)類似，需要優(yōu)化解決覆蓋、質(zhì)量和容量問題，最終實(shí)現(xiàn)用戶感知提升。

（1）移動(dòng)網(wǎng)覆蓋，指終端接收到的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)電平值高于某種基本業(yè)務(wù)的信號(hào)解調(diào)門限，是為終端提供基本網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的第一位因素。反之則為弱覆蓋或無覆蓋。

（2）移動(dòng)網(wǎng)質(zhì)量，主要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)或終端的接收機(jī)靈敏，接收機(jī)靈敏度包含接收信號(hào)的解調(diào)門限SNR，是指定的誤碼率下的信噪比。

其中，K是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，B是帶寬，NF是系統(tǒng)噪聲系數(shù)（一般為常數(shù)3～4 dB）。KT=-174 dBm；解調(diào)門限是基帶最低解調(diào)信噪比，是第二位的因素。

對(duì)于4G和5G網(wǎng)絡(luò)，主要通過信號(hào)與干擾加噪聲比（signal to interference plus noise ratio，SINR）衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量高低，并可與解調(diào)門限進(jìn)行比較。

其中，Signal為測(cè)量到的有用信號(hào)功率，主要測(cè)量的信號(hào)和信道包括RS、PDSCH；Noise為底噪，與具體測(cè)量帶寬和接收機(jī)噪聲系數(shù)有關(guān)，為式（1）中的10lg(KTB)+NF；Interference為測(cè)量到的干擾信號(hào)的功率，包括本系統(tǒng)其他小區(qū)的干擾以及異系統(tǒng)的干擾：對(duì)于同頻組網(wǎng)的4G和5G網(wǎng)絡(luò)，Interference信號(hào)可以簡(jiǎn)寫為：

其中，RSRPn表示所有與服務(wù)小區(qū)同頻的、鄰區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度之和。有用信號(hào)Signal為-80 dBm，所有鄰區(qū)信號(hào)和為80 dBm時(shí)，若不考慮本小區(qū)底噪，則該終端計(jì)算的小區(qū)SINR為0；可見，鄰區(qū)信號(hào)越與服務(wù)小區(qū)信號(hào)接近，影響越大。若SINR小于解調(diào)門限SNR，則數(shù)據(jù)無法解調(diào)。

（3）移動(dòng)網(wǎng)容量，受頻率復(fù)用和同頻干擾控制等因素影響較大，需要在網(wǎng)絡(luò)覆蓋和質(zhì)量的基礎(chǔ)上考慮。比如在4G和5G中，網(wǎng)絡(luò)或終端采用MCS方式，與SINR映射的CQI密切相關(guān)。

CQI、MCS與編碼效率關(guān)系見表1，同樣采用64QAM調(diào)度，CQI=10和CQI=12編碼效率提升43%左右，以現(xiàn)網(wǎng)20 MHz帶寬的L1800網(wǎng)絡(luò)來說，CQI從10提升至12，容量提升幅度相當(dāng)于建設(shè)一個(gè)10 MHz帶寬的基站。質(zhì)量控制是用戶感知速率的保障基礎(chǔ)。

覆蓋電平高低影響業(yè)務(wù)基本保障門限；鄰區(qū)信號(hào)控制影響服務(wù)小區(qū)的SINR；而SINR高低又影響網(wǎng)絡(luò)容量；以上因素最終影響用戶感知。

2.2 優(yōu)化理論及實(shí)現(xiàn)方法

基于以上分析，為控制手機(jī)在空閑態(tài)和連接態(tài)行為，確保手機(jī)和基站能夠正確解調(diào)出有用信號(hào)，提出了交通干線“覆蓋有主、重選合理、切換有序”的“切換鏈”優(yōu)化理念。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)在接收機(jī)最低接收門限之上時(shí)，稱為有效覆蓋，而一個(gè)基站覆蓋范圍與其規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)相符，稱為覆蓋有主；重選合理，確保移動(dòng)用戶在最合適的小區(qū)發(fā)起業(yè)務(wù)接入；切換有序，保障移動(dòng)用戶正在使用的業(yè)務(wù)在最合適的小區(qū)順暢遷移。

為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，又提出3種交通干線的優(yōu)化方法，即“先覆蓋控制提質(zhì)量，再參數(shù)優(yōu)化穩(wěn)質(zhì)量，再特性加載保感知”的三層實(shí)踐優(yōu)化模型，并匹配如下實(shí)際操作方法，實(shí)現(xiàn)高鐵網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶感知穩(wěn)步快速提升。

2.2.1 第一步：覆蓋控制提質(zhì)量

網(wǎng)絡(luò)覆蓋不合理、越區(qū)覆蓋或覆蓋不足，都與覆蓋有主相悖，會(huì)導(dǎo)致終端在空閑態(tài)選擇、重選以及接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)出現(xiàn)問題；在業(yè)務(wù)態(tài)則會(huì)造成終端頻繁切換或乒乓切換、切換不及時(shí)、切換過早等問題。為實(shí)現(xiàn)覆蓋有主，解決辦法如下。

（1）空閑態(tài)、業(yè)務(wù)態(tài)DT，采集重選、切換數(shù)據(jù)，或采集MDT數(shù)據(jù)獲取空閑態(tài)和業(yè)務(wù)態(tài)網(wǎng)絡(luò)信息。

· 多終端多輪空閑態(tài)和業(yè)務(wù)態(tài)拉網(wǎng)測(cè)試獲取數(shù)據(jù)。規(guī)避單一終端、單次拉網(wǎng)數(shù)據(jù)帶來的隨機(jī)性和突變性。

· 基于MDT的數(shù)據(jù)采集方式，采集一定時(shí)間周期內(nèi)，該線路所經(jīng)終端上報(bào)的MR數(shù)據(jù)，反映網(wǎng)絡(luò)性能。

（2）基于拉線圖的覆蓋分析，發(fā)現(xiàn)覆蓋、重選、切換問題

借助路測(cè)分析軟件，拉線關(guān)聯(lián)分析功能，將空閑態(tài)和鏈接態(tài)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)服務(wù)小區(qū)，快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題。如圖1（b）所示，非專網(wǎng)基站南曹站越過其周邊第一圈鄰區(qū)，成為覆蓋該高鐵路段的大網(wǎng)小區(qū)，南曹基站為越區(qū)覆蓋。

表1 CQI、MCS與編碼效率關(guān)系

圖1 不同線型場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)覆蓋拉線圖舉例

同理，基于MDT數(shù)據(jù)的分析軟件也支持以上空閑態(tài)和鏈接態(tài)的覆蓋分析。但需注意選取具有高精度經(jīng)緯度的MRO數(shù)據(jù)。

通過多終端測(cè)試數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度偏移設(shè)置對(duì)比分析，可快速發(fā)現(xiàn)空閑態(tài)和業(yè)務(wù)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋不一致問題。4個(gè)終端拉網(wǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)在經(jīng)緯度一定偏移的基礎(chǔ)上形成的采樣點(diǎn)覆蓋圖如圖2所示。

在永城芒山趙樓東電信（高鐵）F388附近，幾乎4個(gè)終端在該路段出現(xiàn)相鄰兩個(gè)小區(qū)互相深度交叉覆蓋的問題，說明該路段鐵定存在問題。同時(shí)不同終端在該路段兩個(gè)小區(qū)間存在4次切換問題，是典型的覆蓋不合理導(dǎo)致的頻繁切換和乒乓切換問題。

越區(qū)覆蓋的標(biāo)準(zhǔn)在業(yè)內(nèi)暫無定論。但如果以移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)為目的，就能得到很好的標(biāo)準(zhǔn)。做網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，經(jīng)常會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)盲；基于視距傳播原理，補(bǔ)盲站一定要建設(shè)在補(bǔ)盲中心區(qū)域高點(diǎn)，解決該區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題。其核心思想是：補(bǔ)盲站是解決該盲區(qū)的覆蓋問題。反之，若該補(bǔ)盲站覆蓋至其他非規(guī)劃區(qū)域，即意味其對(duì)該區(qū)域原有基站造成干擾。

圖2 4個(gè)終端高鐵同一路段覆蓋情況

因此，一般以目標(biāo)基站與其周邊第一圈非共站鄰區(qū)覆蓋范圍為基準(zhǔn)，合理覆蓋范圍應(yīng)該為目標(biāo)基站覆蓋距離不超過與其第一圈鄰區(qū)的2/3的距離為好。但無線電磁波傳播存在波動(dòng)性，實(shí)際上這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)比較苛刻且難以實(shí)現(xiàn)。因此可以定義為目標(biāo)基站覆蓋范圍不能超過其非共站第一圈鄰區(qū)為優(yōu)。這也就是拉線圖發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題的理論依據(jù)。

以上問題的解決手段：建議天饋調(diào)整控制覆蓋。降功率、優(yōu)參數(shù)等手段都是治標(biāo)不治本的權(quán)宜之計(jì)。通過天饋調(diào)整，確保網(wǎng)絡(luò)有比較好的覆蓋結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的保障打下基礎(chǔ)。

優(yōu)化前后的覆蓋情況對(duì)比如圖3所示，小毛莊西南（高鐵）F附近與葛埠口鄉(xiāng)徐莊村（高鐵）北小區(qū)覆蓋不合理導(dǎo)致重疊交叉覆蓋，電平值相差2 dB內(nèi)，引起同頻強(qiáng)干擾質(zhì)差，SINR為3.299 dB，無法保證業(yè)務(wù)質(zhì)量。通過天饋調(diào)整覆蓋后，SINR提升至9.899 dB，SINR提升近13 dB。

2.2.2 第二步：參數(shù)優(yōu)化穩(wěn)質(zhì)量

（1）常規(guī)參數(shù)優(yōu)化

覆蓋控制到位后，還需根據(jù)交通線快速移動(dòng)特性對(duì)重選、切換、鄰區(qū)參數(shù)以及定時(shí)器等做有別于大網(wǎng)的調(diào)整和優(yōu)化，進(jìn)一步保障覆蓋控制效果，確保終端按照網(wǎng)絡(luò)策略在既定基站或小區(qū)之間有序移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)重選合理和切換有序的目的。高鐵場(chǎng)景部分可優(yōu)化參數(shù)見表2。

圖3 優(yōu)化前后的覆蓋情況對(duì)比

表2 高鐵場(chǎng)景部分可優(yōu)化參數(shù)

高鐵場(chǎng)景與大網(wǎng)部分參數(shù)對(duì)比實(shí)例見表3。

（2）載波功率調(diào)整

下行功率富余能給單用戶提供更多的功率資源，支撐更高的速率。因此20 MHz帶寬載波功率可由20 W調(diào)整為30 W或者更高，主要用于解決100 m內(nèi)弱覆蓋或小區(qū)功率擁塞問題。

該策略執(zhí)行后，某高鐵路段實(shí)地驗(yàn)證，整體下行感知速率由16.98 Mbit/s提升至18.99 Mbit/s，低于10 MHz帶寬小區(qū)占比由于12.76%下降至1.85%。20 MHz帶寬載波下行感知速率由22 Mbit/s提升至27 Mbit/s。

2.2.3 第三步：特性加載保感知

終端移動(dòng)速度快產(chǎn)生的多普勒頻偏，可以采用糾偏技術(shù)降低頻偏影響；因公網(wǎng)用戶占用專網(wǎng)小區(qū)，影響小區(qū)承載容量，應(yīng)用低速用戶遷出功能將公網(wǎng)用戶遷出高鐵專網(wǎng)；在低速小區(qū)開啟高速返回功能，可將高鐵用戶遷回至專網(wǎng)小區(qū)。120 km下非高鐵其他干線場(chǎng)景，因用戶高速移動(dòng)特性、用戶集中度不明顯，則可忽略此步驟。

（1）多普勒頻移補(bǔ)償

當(dāng)列車駛向基站，合成頻率增加，波長(zhǎng)變短；當(dāng)列車駛出基站時(shí)，合成頻率減小，波長(zhǎng)變長(zhǎng)；以列車經(jīng)過基站軸線頻偏為0，可計(jì)算得出具體頻偏，見表4。

開啟頻率補(bǔ)償功能，修正上行頻率偏移，確保基站接收機(jī)具有更好的解調(diào)性能，實(shí)地驗(yàn)證上行用戶速率提升6%左右。下行頻率糾偏補(bǔ)償，主要靠終端支持能力實(shí)現(xiàn)，目前，高通芯片終端對(duì)頻移補(bǔ)償糾錯(cuò)能力為-1 000～500 Hz，500～1 000 Hz。另外，部分設(shè)備廠商可根據(jù)上行頻偏反饋，進(jìn)行下行預(yù)糾偏補(bǔ)償，實(shí)地驗(yàn)證用戶速率增益為6%～8%。

（2）高速用戶優(yōu)先調(diào)度

算法實(shí)現(xiàn)的原理：首先，對(duì)高鐵專網(wǎng)終端，通過基帶測(cè)速功能判決高低速用戶，并在速度狀態(tài)跳變時(shí)上報(bào)給高層。高層對(duì)速度狀態(tài)發(fā)生跳變的NGBR業(yè)務(wù)進(jìn)行QoS優(yōu)先級(jí)的重配置，完成重配之后將重配信息下發(fā)給基帶執(zhí)行。其次，基帶實(shí)時(shí)按照業(yè)務(wù)的QoS配置，進(jìn)行QoS排序，當(dāng)出現(xiàn)高速終端時(shí)，高速終端的NGBR業(yè)務(wù)承載調(diào)度優(yōu)先級(jí)會(huì)比低速駐留用戶要高，調(diào)度的流量以及RB數(shù)明顯高于低速終端。

算法實(shí)現(xiàn)的前提：在保證高速用戶和低速用戶最低QoS需求的基礎(chǔ)上（即滿足GBR業(yè)務(wù)承載的GBR速率和Non-GBR承載的MinBR（下行）/PBR（上行）要求），將剩余資源絕對(duì)優(yōu)先分配給高速用戶。

表3 高鐵場(chǎng)景與大網(wǎng)部分參數(shù)對(duì)比實(shí)例

表4 高鐵場(chǎng)景不同時(shí)速下的頻偏情況

由于要求保障低速用戶最低QoS需求，意味著不能采取ARP中的強(qiáng)制方式。即不能使能搶占能力（pre-emptioncapability）和被搶占能力（pre-emptionvulnerability）兩個(gè)參數(shù)。

（3）低速用戶遷出

原理為列車高速運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致接收端接收的信號(hào)頻率發(fā)生變化，根據(jù)多普勒頻移，反向求出列車速度，做低速用戶判決，然后通過切換手段將低速公網(wǎng)用戶“趕出”高鐵專網(wǎng)。

假設(shè)高鐵由1 650和375頻點(diǎn)雙頻組網(wǎng)，由1 506頻點(diǎn)（與高鐵專網(wǎng)共站址）橋接公網(wǎng)1 650和375頻點(diǎn)，如圖4所示。

相關(guān)策略舉例如下。

· 高鐵專網(wǎng)，高鐵375載波和1 650載波采用平行組網(wǎng)，切換啟動(dòng)門限-114 dBm，重選啟動(dòng)門限-116 dBm。

· 低遷策略：高鐵375載波和1650載波單向低遷至1506大網(wǎng)載波，設(shè)置1 506載波為低優(yōu)先級(jí)，高鐵375載波和1 650載波內(nèi)部為同優(yōu)先級(jí)。低速用戶低遷至1 506載波，高速用戶駐留在1 650載波或375載波，當(dāng)覆蓋和質(zhì)量不滿足需求時(shí)，高速用戶優(yōu)先駐留高鐵1 650載波或375載波。1506載波不配置通往共站的高鐵1 650載波和375載波鄰區(qū)。

· 低遷載波出口：異頻切換啟動(dòng)門限設(shè)置為-109 dBm，重選啟動(dòng)門限設(shè)置為-116 dBm，與大網(wǎng)1 650載波和375載波做雙向重選和切換。

綜上所述，執(zhí)行以上3步舉措，即可實(shí)現(xiàn)“覆蓋有主、重選合理、切換有序”的優(yōu)化目標(biāo)。

3 應(yīng)用效果

該系統(tǒng)方法論先后在鄭徐高鐵開封段、京廣高鐵新鄉(xiāng)段進(jìn)行全面推廣應(yīng)用。徐蘭高鐵開封段里程60 km，4G專網(wǎng)小區(qū)66個(gè)。京廣高鐵新鄉(xiāng)段里程80 km，4G專網(wǎng)小區(qū)119個(gè)。累計(jì)調(diào)整大、專網(wǎng)4G小區(qū)天線289個(gè)，完成覆蓋及切換帶優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)公專網(wǎng)覆蓋分離，半年時(shí)間內(nèi)高鐵網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量穩(wěn)步快速提升。

（1）覆蓋控制優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，SINR＞0的比例由83.89%提升至92.90%，提升絕對(duì)值達(dá)10%。與之匹配的CQI質(zhì)差小區(qū)從最初的33%降低至3.35%，如圖5所示。

（2）參數(shù)功能適配最優(yōu)，挖掘網(wǎng)絡(luò)潛能。通過參數(shù)核查和最優(yōu)適配，20 MHz帶寬載波的功率由20 W提升至30 W，下行感知速率提升7 Mbit/s。前臺(tái)測(cè)試指標(biāo)MOS均值由3.37提升至3.87，MOS＞3.0的占比由73.74%提升至93.33%。

（3）用戶感知速率提升明顯。用戶速率從最初的10 Mbit/s提升至20 Mbit/s以上，低于5 Mbit/s小區(qū)占比由24.76%下降至0，處于全省前列，如圖6所示。

該系統(tǒng)方法論（前兩步）還成功應(yīng)用于某省18個(gè)地市城區(qū)120 km以下慢速道路場(chǎng)景，取得良好效果。經(jīng)過優(yōu)化，4G用戶感知速率均值提升7 Mbit/s，SINR均值從15 dB提升至17 dB，遠(yuǎn)超集團(tuán)達(dá)標(biāo)線。

圖4 公網(wǎng)、高鐵專網(wǎng)組網(wǎng)

圖5 SINR改善趨勢(shì)（SNR≥0 dB的比例）

圖6 高鐵小區(qū)用戶感知速率及低速小區(qū)占比

4 結(jié)束語

本文針對(duì)現(xiàn)有高鐵網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提升存在的問題，探索并提出了以“覆蓋有主、重選合理、切換有序”為核心思想的切換鏈優(yōu)化理論，并匹配了“先覆蓋控制、后參數(shù)優(yōu)化，再特性加載”的三層優(yōu)化實(shí)踐模型，形成了高鐵網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提升系統(tǒng)方法。該方法體系在鄭徐、京廣高鐵進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，取得理想效果。該方法簡(jiǎn)單易學(xué)，可“標(biāo)本兼治”解決交通干線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量問題，且易于快速推廣和復(fù)制至全國(guó)所有交通道路場(chǎng)景。