移動(dòng)通信覆蓋自愈的研究與實(shí)現(xiàn)

邵銳，李春明

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)山東有限公司濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

SON（Self-Organized Networks，自組織網(wǎng)絡(luò)）是在LTE的網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化階段由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)提出的概念，其主要思路是實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的一些自主功能，減少人工參與，降低運(yùn)營(yíng)成本[1]。

SON主要包括三大功能，分別是自配置（Selfconfiguration）、自優(yōu)化（Self-optimization）、自愈（Self-healing）。自優(yōu)化是指網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)其自身運(yùn)行狀況，自適應(yīng)地調(diào)整參數(shù)，以達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的目標(biāo)[2]。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化可以分為兩個(gè)方面：其一為無線參數(shù)的優(yōu)化，如發(fā)射功率、切換門限、小區(qū)個(gè)性偏置等；其二為機(jī)械優(yōu)化，如天線方向、天線下傾角等。SON的自優(yōu)化功能可以部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。自優(yōu)化主要包括以下功能[3-4]。

（1）ANR（Automatic Neighbor Relation function，自動(dòng)鄰區(qū)關(guān)系優(yōu)化）；

（2）MLB（Mobility Load Balancing optimization，移動(dòng)性負(fù)載均衡優(yōu)化）；

（3）MRO（Mobility Robustness Optimization，移動(dòng)性魯棒性優(yōu)化）；

（4）RO（RACH Optimization，隨機(jī)接入信道優(yōu)化）；

（5）ES（Energy Savings，基站節(jié)能）；

（6）ICIC（Inter-cell Interference Coordination，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)）；

（7）CCO（Coverage and Capacity Optimization，覆蓋與容量?jī)?yōu)化）。

本文主要討論CCO覆蓋于中容量?jī)?yōu)化中的覆蓋場(chǎng)景。

在日常優(yōu)化維護(hù)工作中，由于停電、傳輸、硬件故障等因素，不可避免存在基站退服現(xiàn)象，影響用戶感知。如何在退服基站恢復(fù)正常工作前，將用戶感知影響降至最低成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。同時(shí)目前網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大，基于傳統(tǒng)人工優(yōu)化調(diào)整方法依賴工程師個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和能力，并且需要反復(fù)進(jìn)行測(cè)試、調(diào)整、驗(yàn)證過程，在實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性方面都難以保證，也需要耗費(fèi)大量的人工成本。

目前LTE基站天線基本具備電調(diào)功能，基于對(duì)退服周邊基站天線進(jìn)行天線傾角調(diào)整可以在一定程度上緩解區(qū)域內(nèi)覆蓋問題。但是目前各廠家現(xiàn)網(wǎng)中對(duì)天線的電調(diào)功能基本都沒有深入發(fā)揮其應(yīng)用，尤其是自動(dòng)化規(guī)?；{(diào)整更很少有應(yīng)用案例。利用智能天線的電調(diào)功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的天饋調(diào)整補(bǔ)盲，非常有實(shí)際意義。在其中，如何確定周邊基站天線傾角調(diào)整幅度，以及優(yōu)化算法的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)成為問題的關(guān)鍵。本文提出一種基于大數(shù)據(jù)分析建立圖模型，采用關(guān)鍵點(diǎn)覆蓋度作為優(yōu)化目標(biāo)的調(diào)整方法。

1 關(guān)聯(lián)圖模型

為保證移動(dòng)用戶接受服務(wù)的連續(xù)性，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中基站與周邊基站之間存在一定的重疊覆蓋。終端在空閑狀態(tài)完成小區(qū)重選以及在業(yè)務(wù)狀態(tài)下完成切換。終端在業(yè)務(wù)狀態(tài)下需要周期性或事件性測(cè)量服務(wù)小區(qū)及周邊小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度，將測(cè)量信息作為測(cè)量報(bào)告發(fā)送至服務(wù)小區(qū)。根據(jù)服務(wù)小區(qū)收集到的相鄰小區(qū)的絕對(duì)強(qiáng)度與相對(duì)強(qiáng)度可以建立整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基站小區(qū)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系圖模型。

1.1 高關(guān)聯(lián)小區(qū)

網(wǎng)絡(luò)調(diào)整的目標(biāo)是調(diào)整盡量少的小區(qū)，達(dá)到最佳補(bǔ)盲效果，這就需要找到與退服小區(qū)關(guān)聯(lián)程度最大的鄰小區(qū)。為保證調(diào)整有效性，需要通過以終端實(shí)際測(cè)量為依據(jù)確定與服務(wù)小區(qū)存在高關(guān)聯(lián)性的小區(qū)，同時(shí)保證待調(diào)整小區(qū)具備電調(diào)功能。傳統(tǒng)上這個(gè)任務(wù)交給優(yōu)化人員，采用基于地理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)位置確定高關(guān)聯(lián)小區(qū)，這樣做可能會(huì)因?yàn)榈匦蔚孛灿绊憣?shí)際覆蓋范圍，從而導(dǎo)致無效調(diào)整。而我們采用基于測(cè)量報(bào)告的自動(dòng)分析，評(píng)估依據(jù)來自網(wǎng)絡(luò)測(cè)量值，從而能夠準(zhǔn)確找到高關(guān)聯(lián)小區(qū)。

1.2 高關(guān)聯(lián)小區(qū)排序

某小區(qū)作為服務(wù)小區(qū)時(shí)，不斷測(cè)量周邊小區(qū)，周邊小區(qū)對(duì)其提供覆蓋彌補(bǔ)關(guān)系。此周邊小區(qū)作為相鄰小區(qū)同時(shí)也向其他小區(qū)提供覆蓋彌補(bǔ)關(guān)系。因此整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)可以抽象為由小區(qū)作為節(jié)點(diǎn)、小區(qū)之間相互彌補(bǔ)關(guān)系作為邊組成的有向圖。另外當(dāng)我們僅考慮同頻小區(qū)之間的相互關(guān)系時(shí)，可以認(rèn)為是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的干擾圖，也稱作干擾矩陣。圖1為現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境下關(guān)聯(lián)圖示例。

圖1 現(xiàn)網(wǎng)基站關(guān)聯(lián)關(guān)系邏輯圖

在網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置終端周期性測(cè)量時(shí)，對(duì)于同頻、異頻頻點(diǎn)上報(bào)測(cè)量的概率有所不同。因此對(duì)于關(guān)聯(lián)性評(píng)估需要考慮不同頻點(diǎn)設(shè)置的上報(bào)概率權(quán)重。在特定時(shí)段內(nèi)（例如1小時(shí)或者24小時(shí)等），依據(jù)服務(wù)小區(qū)測(cè)量報(bào)告中非同站各相鄰小區(qū)出現(xiàn)次數(shù)占比進(jìn)行排名。此處強(qiáng)調(diào)非同站相鄰小區(qū)是因?yàn)樵诨就朔?，往往是基站下所有小區(qū)均停止工作，屬于同站的相鄰小區(qū)將無法彌補(bǔ)本小區(qū)覆蓋。

假設(shè)服務(wù)小區(qū)S在特定時(shí)段內(nèi)收到測(cè)量報(bào)告數(shù)量為report_cnt，包含相鄰小區(qū)celli的測(cè)量報(bào)告數(shù)為report_cnti。針對(duì)相鄰小區(qū)屬于不同的頻段，其上報(bào)概率權(quán)重為band_weighti。服務(wù)小區(qū)S鄰區(qū)celli可彌補(bǔ)性系數(shù)定義如下：

待調(diào)整小區(qū)按照cov_factori由高到低進(jìn)行排序，作為調(diào)整優(yōu)先級(jí)。

2 覆蓋目標(biāo)

首先定義服務(wù)基站關(guān)鍵采樣點(diǎn)，所謂關(guān)鍵采樣點(diǎn)是指根據(jù)基站所接收的測(cè)量報(bào)告原始數(shù)據(jù)，計(jì)算得出測(cè)量報(bào)告中服務(wù)小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到服務(wù)門限，并且非本站鄰區(qū)無法達(dá)到服務(wù)門限的采樣點(diǎn)。也就是當(dāng)服務(wù)基站退服后，相鄰基站的信號(hào)無法彌補(bǔ)的采樣點(diǎn)。非關(guān)鍵采樣點(diǎn)的覆蓋在基站退服后可以由周邊非同站小區(qū)彌補(bǔ)，同樣可以達(dá)到最低服務(wù)水平。而關(guān)鍵采樣點(diǎn)是不可彌補(bǔ)的，這樣對(duì)周邊小區(qū)天線調(diào)整目標(biāo)是覆蓋基站的關(guān)鍵采樣點(diǎn)。

同時(shí)需要注意的是一個(gè)基站包含若干個(gè)小區(qū)，當(dāng)基站整站退服后其所包含小區(qū)將全部停止工作。由于MRO數(shù)據(jù)是以小區(qū)為單位的用戶測(cè)量數(shù)據(jù)，因此同站鄰區(qū)不能記錄到可彌補(bǔ)采樣點(diǎn)中。

設(shè)服務(wù)門限為Sthr，單位為dBm，目前設(shè)置為-110 dBm。

基站S在特定時(shí)間段內(nèi)，例如24小時(shí)，所收到的所有MRO采樣點(diǎn)數(shù)量為n。每個(gè)采樣點(diǎn)中包含m個(gè)相鄰小區(qū)，其中m≥0。第i個(gè)測(cè)量報(bào)告為reporti，其中1≤i≤n，此報(bào)告中服務(wù)小區(qū)電平為s_rxlevreporti。

此測(cè)量報(bào)告中存在m個(gè)相鄰小區(qū)（相鄰小區(qū)不屬于基站S），其電平強(qiáng)度為,其中0≤j≤m。

基站關(guān)鍵性采樣點(diǎn)即不可替代采樣點(diǎn)reporti，其滿足公式(2)的約束條件，即此采樣點(diǎn)中服務(wù)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度s_rxlevreporti大于等于服務(wù)門限Sthr，且任意相鄰小區(qū)j的信號(hào)強(qiáng)度均小于服務(wù)門限Sthr。

服務(wù)基站通常以多個(gè)扇區(qū)范圍考慮，假設(shè)整站退服，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)每個(gè)扇區(qū)方向均能得到關(guān)鍵采樣點(diǎn)覆蓋分布圖，則根據(jù)天線的方位角，關(guān)鍵采樣點(diǎn)的TA分布，則可以得到待補(bǔ)充覆蓋區(qū)域拓?fù)鋱D。舉例說明，實(shí)驗(yàn)基站包含兩個(gè)扇區(qū)，如圖2所示：

圖2 關(guān)鍵采樣點(diǎn)距離概率密度圖

（1）單扇區(qū)關(guān)鍵采樣點(diǎn)距離概率分布

根據(jù)無線信號(hào)的傳播特性，終端距離服務(wù)基站越遠(yuǎn)信號(hào)越弱，前述定義的關(guān)鍵采樣點(diǎn)應(yīng)當(dāng)集中于近基站側(cè)，但不排除有零星采樣點(diǎn)分布于較遠(yuǎn)位置。如果采樣點(diǎn)分布出現(xiàn)長(zhǎng)尾現(xiàn)象，則待彌補(bǔ)區(qū)域范圍將大幅增加。這樣造成周邊基站覆蓋調(diào)整范圍不可控，一是彌補(bǔ)采樣點(diǎn)數(shù)量有限，二是可能造成周邊基站過覆蓋從而引起重疊覆蓋高等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)問題。因此取距離服務(wù)基站最近的95%關(guān)鍵采樣點(diǎn)覆蓋分布作為待彌補(bǔ)目標(biāo)。如圖2所示，分別展示了某基站兩個(gè)扇區(qū)關(guān)鍵采樣點(diǎn)TA（Timing Advance）的核密度估計(jì)。圖2橫坐標(biāo)為TA單位，由此來衡量基站覆蓋距離，在LTE網(wǎng)絡(luò)中1個(gè)TA單位約折合78 m?？v坐標(biāo)為核密度分布之，可以計(jì)算不同TA范圍內(nèi)曲線下的面積用于估計(jì)基站關(guān)鍵采樣點(diǎn)在此TA范圍內(nèi)的概率。

（2）多扇區(qū)合成分布平面圖

LTE測(cè)量報(bào)告中TA取值范圍為0-1282，其中1個(gè)TA單位為16 Ts（4.89 m），近似換算為78.12 m。根據(jù)服務(wù)基站單扇區(qū)關(guān)鍵采樣點(diǎn)概率分布統(tǒng)計(jì)，可以計(jì)算出每個(gè)小區(qū)關(guān)鍵采樣點(diǎn)的地理投影包絡(luò)?；拘^(qū)的覆蓋水平范圍按照極坐標(biāo)標(biāo)識(shí)，水平張角120°，覆蓋距離為關(guān)鍵采樣點(diǎn)TA最大值（95%概率）。

另外需要注意通常使用的經(jīng)緯度坐標(biāo)是EPSG（European Petroleum Survey Group）4326坐標(biāo)系標(biāo)準(zhǔn)，為了提升投影至地面精確度，需要對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如北京可使用EPSG:4527。經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后服務(wù)基站兩個(gè)小區(qū)的待彌補(bǔ)區(qū)域投影如圖3所示。

圖3 多扇區(qū)合成分布平面圖

周邊鄰區(qū)調(diào)整最終目標(biāo)是減少重疊覆蓋的前提下，最大化對(duì)待彌補(bǔ)區(qū)域進(jìn)行覆蓋。

3 調(diào)整范圍

以天線方向角、下傾角、位置以及地理環(huán)境為變量，利用采樣點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)。設(shè)置站高為h，機(jī)械下傾角為α，垂直半功率角為β，電下傾角為γ。則基站某小區(qū)的覆蓋范圍如圖4所示：

圖4 基站天線傾角示意圖

估算小區(qū)覆蓋范圍，上下3 dB波瓣覆蓋范圍為：

其中限定α+γ＞β/2，控制最遠(yuǎn)覆蓋距離不會(huì)超出水平面。在滿足網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響前提下，最大化覆蓋待彌補(bǔ)區(qū)域，即在上3 dB波瓣覆蓋范圍內(nèi)。例如目前主流FDD 1800天線垂直半功率角一般為7°，可根據(jù)上述公式計(jì)算其覆蓋范圍。

根據(jù)天線水平半功率角（例如典型65°）、D2覆蓋距離計(jì)算，同時(shí)對(duì)經(jīng)緯度進(jìn)行EPSG:4326到EPSG:4527坐標(biāo)轉(zhuǎn)換?？梢缘玫较噜徯^(qū)最佳覆蓋范圍的地面投影，根據(jù)覆蓋小區(qū)于待覆蓋區(qū)域地面投影的幾何關(guān)系計(jì)算最佳下傾角調(diào)整角度。

4 調(diào)整過程

根據(jù)服務(wù)基站對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)性小區(qū)列表，按照優(yōu)先級(jí)順序選擇調(diào)整小區(qū)。根據(jù)待調(diào)整小區(qū)水平半功率角、站高、下傾角確定其理想覆蓋水平面（注意覆蓋邊緣不能超過三倍站間距的范圍）。

4.1 目標(biāo)函數(shù)

退服基站S包含m個(gè)小區(qū)，設(shè)小區(qū)celli（其中0＜i≤m），其對(duì)應(yīng)的待彌補(bǔ)區(qū)域投影為areai。整站待彌補(bǔ)范圍為：

設(shè)待調(diào)整候選小區(qū)n個(gè)，設(shè)小區(qū)ncellj（其中0＜j≤n）,其對(duì)應(yīng)的最佳覆蓋范圍投影area_adjj由函數(shù)F計(jì)算，投影至水平坐標(biāo)為一個(gè)扇形區(qū)域。其中站高為h，機(jī)械下傾角為α，垂直半功率角為β，電下傾角為γ，水平半功率角為v?！萢rea表示多個(gè)多邊形投影的并集。

設(shè)覆蓋函數(shù)R(polygon)，表示polygon多邊形投影的面積函數(shù)，此處polygon是由上述多個(gè)area_adjj合并組成的area_adjN，則最終的調(diào)整目標(biāo)為：

h、α、β、γ、v中只有電下傾角γ為調(diào)整參數(shù)，可以得出最優(yōu)值。Cov表示周邊基站經(jīng)過調(diào)后對(duì)于原退服基站覆蓋區(qū)域面積的可彌補(bǔ)比例。

4.2 調(diào)整原則

為保證調(diào)整的合理性，同時(shí)保證調(diào)整對(duì)網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)問題帶來最小的影響，調(diào)整過程中需要滿足5個(gè)條件：

（1）待調(diào)整小區(qū)上3 dB波瓣最遠(yuǎn)覆蓋距離不會(huì)超出水平面，α+γ＞β/2。

（2）如果待調(diào)整小區(qū)下傾角已經(jīng)滿足待覆蓋區(qū)域需求則不進(jìn)行調(diào)整。

（3）如果需要抬升待調(diào)整小區(qū)下傾角，則選擇可滿足待覆蓋區(qū)域需求的最小抬升。

（4）為避免越區(qū)覆蓋影響，調(diào)整后覆蓋范圍不超過服務(wù)基站與相鄰基站之間3倍站間距。

（5）針對(duì)單個(gè)服務(wù)小區(qū)調(diào)整鄰區(qū)數(shù)量不超過3個(gè)。

5 效果驗(yàn)證

某基站包含兩個(gè)小區(qū)，其關(guān)鍵采樣點(diǎn)分布投影如圖5所示。調(diào)整前周邊高關(guān)聯(lián)小區(qū)對(duì)其覆蓋的彌補(bǔ)效應(yīng)如圖5所示，可看出陰影部分為當(dāng)前無法彌補(bǔ)區(qū)域。通過前述算法計(jì)算，對(duì)鄰小區(qū)1進(jìn)行電子下傾抬升調(diào)整，可看出大部分陰影區(qū)域已納入覆蓋范圍。零星未覆蓋面積由于即便調(diào)整其他小區(qū)下傾仍無法彌補(bǔ)，所以并未對(duì)其他高關(guān)聯(lián)小區(qū)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整方案如表1所示。調(diào)整前后待彌補(bǔ)區(qū)域平面效果如表2所示，彌補(bǔ)面積比例由74.33%提升至96.52%。

圖5 調(diào)整前后彌補(bǔ)效果圖

表1 高關(guān)聯(lián)小區(qū)調(diào)整方案

表2 調(diào)整區(qū)域彌補(bǔ)效率

根據(jù)第2部分中關(guān)聯(lián)圖模型的定義，選取與服務(wù)基站中每個(gè)小區(qū)關(guān)聯(lián)性最高的6個(gè)小區(qū)作為待評(píng)估區(qū)域小區(qū)集合。采用覆蓋率（大于-110 dBm測(cè)量報(bào)告比例）作為評(píng)估指標(biāo)。

如表3所示，評(píng)估過程包括三個(gè)階段。退服前評(píng)估范圍為服務(wù)基站小區(qū)與其高關(guān)聯(lián)小區(qū)集合，調(diào)整前評(píng)估范圍為高關(guān)聯(lián)小區(qū)，調(diào)整后評(píng)估范圍為高關(guān)聯(lián)小區(qū)。通過對(duì)比可以看出退服后調(diào)整前覆蓋率由98.15%下降至94.22%，而調(diào)整后覆蓋率恢復(fù)至98.01%。區(qū)域數(shù)據(jù)流量退服后由97.38 GB下降為90.32 GB，而調(diào)整后流量恢復(fù)為96.65 GB。從區(qū)域覆蓋率及流量來看調(diào)整均發(fā)揮明顯作用。

表3 調(diào)整效果對(duì)比

6 結(jié)束語

本文提供了一種LTE SON框架下基站退服后，通過自動(dòng)調(diào)整周邊小區(qū)天線電子傾角實(shí)現(xiàn)覆蓋自愈的方法，創(chuàng)新性地提出了關(guān)鍵采樣點(diǎn)作為待彌補(bǔ)區(qū)域的覆蓋目標(biāo)的方法，同時(shí)提出在盡可能降低網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋度的前提下相鄰小區(qū)傾角的調(diào)整方案。通過對(duì)現(xiàn)網(wǎng)基站的調(diào)整前后數(shù)據(jù)評(píng)估，取得良好的網(wǎng)絡(luò)自愈效果。同時(shí)目前現(xiàn)網(wǎng)基本為多系統(tǒng)共存，只要服務(wù)小區(qū)在基站周期性測(cè)量中開啟對(duì)異系統(tǒng)的測(cè)量報(bào)告，本方法同樣適用于異系統(tǒng)之間的覆蓋彌補(bǔ)。本文為L(zhǎng)TE SON以及5G網(wǎng)絡(luò)自優(yōu)化提供了一種思路及方法。