基于5G NSA 上行智選聯(lián)合優(yōu)化感知速率方法研究

［劉琳 文錦朝］

1 引言

3G 與4G 是個(gè)人移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，日常的手機(jī)互聯(lián)網(wǎng)場景主要是接收移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，使用的是移動(dòng)通信網(wǎng)的下行能力，因此下行速度是評(píng)估網(wǎng)絡(luò)重要性能指標(biāo)，但隨著5G 與萬物互聯(lián)的發(fā)展，以AR/VR、4K/8K 高清視頻直播、短視頻等為代表的業(yè)務(wù)對(duì)上行速率的需求越來越強(qiáng)烈，因此，5G 上行速率變得尤為重要。

然而，受限于5G 頻段傳播能力和終端發(fā)射功率，時(shí)隙配比、天線數(shù)量等方面的差異，5G 信號(hào)在居民區(qū)、密集樓層等深度覆蓋區(qū)域衰減較大，5G 網(wǎng)絡(luò)用戶在中遠(yuǎn)點(diǎn)上網(wǎng)體驗(yàn)明顯不佳[1]。另一面，TCP/IP 的傳輸機(jī)制決定了下行在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要保證一定的上行帶寬用于反饋ACK 信號(hào)，上行受限將導(dǎo)致下行性能受到抑制，難以發(fā)揮5G 下行大帶寬的優(yōu)勢(shì)。

在NSA 階段，下載速率是5G 網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于4G 網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)勢(shì)，也是最為突出的用戶感知。在5G 網(wǎng)絡(luò)速率感知優(yōu)化工作中，除了應(yīng)注重充分發(fā)揮5G 網(wǎng)絡(luò)本身高階MIMO、高階調(diào)制等特性之外，還應(yīng)基于初期5G 網(wǎng)絡(luò)主要以點(diǎn)覆蓋、小連片覆蓋為主的特點(diǎn)，對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)邊緣、以及4G 側(cè)NSA 小區(qū)切換對(duì)速率感知的影響予以充分的重視[2]。

針對(duì)當(dāng)前5G 網(wǎng)絡(luò)站間距相對(duì)較大、小區(qū)邊緣5G 上行受限較為普遍的問題，NSA 組網(wǎng)的上行智選解決方案能較好的解決這一突出的短板。開啟上行智選功能，在中遠(yuǎn)點(diǎn)的5G 與4G 網(wǎng)絡(luò)之間智能選擇上行速率更優(yōu)的載波，可較好的改善中遠(yuǎn)點(diǎn)體驗(yàn)速率，大大提升用戶上網(wǎng)體驗(yàn)。

2 場景定義

根據(jù)專家判斷法，4G 與5G 結(jié)合的場景主要有三種：“4G 優(yōu)&5G 優(yōu)、4G 劣&5G 優(yōu)、5G 劣”，主要結(jié)合4G質(zhì)量、負(fù)荷和5G 干擾進(jìn)行分析劃分。那么何為“優(yōu)”，何為“劣”呢？對(duì)感知而言，4G 與5G 的質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為CQI（channel quality indication，信道質(zhì)量指示），本文依據(jù)CQI 的來定義網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

2.1 CQI 定義與MCS 的定義

CQI 用來指示信道質(zhì)量，基站根據(jù)CQI 信息決定對(duì)應(yīng)的調(diào)度算法和下行數(shù)據(jù)塊大小，CQI 取值為1～15，3GPP 36.213 對(duì)其所對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式以及碼率進(jìn)行了規(guī)定，CQI值越大，采用的調(diào)制編碼方式越高，效率越高，支持的傳輸塊越大，所提供的吞吐量越高[3]。

速率的配置通過MCS（Modulation and Coding Scheme，調(diào)制與編碼策略）索引值實(shí)現(xiàn)。MCS 將所關(guān)注的影響通訊速率的因素作為表的列，將MCS 索引作為行，形成一張速率表。所以，每一個(gè)MCS 索引其實(shí)對(duì)應(yīng)了一組參數(shù)下的物理傳輸速率[4]。

表1 和表2 分別為4G 和5G 的CQI 與MSC 的關(guān)系表。

表1 4GI 信道質(zhì)量指示和調(diào)制與編碼策S 關(guān)系表

表2 5G 信道質(zhì)量指示和調(diào)制與編碼策略關(guān)系表

2.2 三大場景定義

從CQI與MCS關(guān)系表可以看出，當(dāng)CQI＜7的時(shí)候，MCS 開始有一個(gè)突變，4G 下降為QPSK，5G 下降為16QAM，因此可以把CQI 低于7 比例間接作為質(zhì)量好壞的評(píng)估[5]。

回落到4G 還需要考慮4G 側(cè)感知和負(fù)荷對(duì)用戶速率的影響，參考影響上下行感知質(zhì)的指標(biāo)為CQI＜7 比例，PRH滿功率比例和容量相關(guān)的PRB利用率三項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。跟據(jù)現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，當(dāng)CQI＜7 比例大于30%，PHR 滿功率比例大于30%，高負(fù)荷問題小區(qū)門限：PRB 利用率＞80%；以上3 個(gè)條件其中一個(gè)條件成立時(shí)，4G 網(wǎng)絡(luò)下用戶感知明顯下降，如圖1 所示。

圖1 4G 感知速率與相關(guān)指標(biāo)示意圖

由于目前5G 用戶相對(duì)不多，因此負(fù)荷問題暫時(shí)不影響5G 感知質(zhì)量，因此主要考慮5G 干擾與CQI＜7 比例兩個(gè)條件對(duì)5G 感知的影響，根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)后臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和實(shí)測(cè)驗(yàn)證，當(dāng)5G 干擾＞-105 dBm，CQI 低于7 比例大于30%時(shí)，感知速率明顯下降。

根據(jù)測(cè)試驗(yàn)證與現(xiàn)網(wǎng)后臺(tái)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，制定了三大場景的門限標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）4G 劣&5G 優(yōu)：(4G：利用率＞80%或有數(shù)據(jù)傳輸用戶數(shù)＞60 或CQI 低于7 比例＞=30%或PHR 滿功率比例＞30%)且（5G：干擾＜-105 dBm）。

（2）4G 優(yōu)&5G 優(yōu)：(4G：利用率＜80%且有數(shù)據(jù)傳輸用戶數(shù)＜60 且CQI 低于7 比例＜30%且PHR 滿功率比例＜30%)且（5G：干擾＜-105 dBm）。

（3）5G 劣：5G 干擾＞-105 dBm。

3 上行、下行智選原理及參數(shù)介紹

3.1 上行、下行智選原理

上行智選，是指在NSA 組網(wǎng)架構(gòu)下，5G 終端基于上行業(yè)務(wù)體驗(yàn)[12],在4G 與5G 網(wǎng)絡(luò)間智能選擇上行體驗(yàn)較好的一方進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到提升中遠(yuǎn)點(diǎn)的體驗(yàn)速率、改善用戶體驗(yàn)的效果。如圖2 所示，在藍(lán)色區(qū)域，為上行智選區(qū)域，此時(shí)5G 上行功率處于優(yōu)選與受限區(qū)之間，即上行功率無法持久保持高質(zhì)量的無線信道，因此需要通過上行智選功能，根據(jù)無線信道質(zhì)量適當(dāng)對(duì)上行NR 進(jìn)行去激活（即“刪腿”），讓UE 使用4G 上行信道，保證上行信道的質(zhì)量[6]。同理，下行智選也需要根據(jù)下行信道質(zhì)量進(jìn)行“刪腿”。

圖2 上行智選示意圖

3.2 上行智選信令流程

上行智選信令流程主要是無線側(cè)通知UE 變更上行數(shù)據(jù)傳輸路徑，當(dāng)5G 側(cè)上行SINR(Signal to Noise or Interference Ratio，信噪比)質(zhì)量變差時(shí)，gNodeB 發(fā)送SgNB Modification Required 消息給eNodeB，觸發(fā)上行分流模式變更。eNodeB 發(fā)送RRC 重配消息給UE，通知UE 在4G 側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)UE 側(cè)上行SINR 變好時(shí)，gNodeB 同樣發(fā)送SgNB Modification Required 消息給eNodeB，eNodeB 再發(fā)送RRC 重配消息給UE，通知UE上行分流模式按原配置方式進(jìn)行[7]。上行智選信令流程如圖3 所示。

圖3 上行智選信令流程圖

3.3 上行、下行智選相關(guān)參數(shù)

上行、下行智選均有功能開關(guān)與相關(guān)組合參數(shù)，在不同場景下使用不同的參數(shù)組合，對(duì)網(wǎng)絡(luò)感知影響差異較大。

上行智選功能相關(guān)參數(shù)如表3 所示。

表3 上行智選功能參數(shù)

下行智選功能相關(guān)參數(shù)如表4 所示。

表4 下行智選功能參數(shù)

當(dāng)NR DL SINR 低于endcDlNrLowQualThresh 門限時(shí)，去激活NR 腿回MCG；當(dāng)NR DL SINR 高于endcDlNrLowQualThresh+endcDlNrQualHyst，則重新激活NR 腿，下行用戶面切換回SCG(NR)，如圖4 所示。

圖4 下行智選門限示意圖

4 三大場景門限研究

針對(duì)上述三大場景的定義，分別對(duì)三大場景進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。主要通過道路測(cè)試進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過測(cè)試信令進(jìn)行分析，綜合確定上行NR 去激活SINR 門限。本次測(cè)試場景選取某個(gè)地市4G 與5G 組網(wǎng)的NSA 區(qū)域，共有5G 站點(diǎn)103 個(gè)，4G 站點(diǎn)134 個(gè)，涉及5G 小區(qū)309 個(gè)，4G 小區(qū)402 個(gè)，使用4G 與5G 終端同時(shí)進(jìn)行道路測(cè)試記錄，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4.1 SINR 與速率關(guān)系

通信業(yè)中最經(jīng)典的一個(gè)公式為香農(nóng)公式：C=B*log2(1+S/N)，其中C 為最大信息傳輸速率，B 為信道帶寬,S/N 為信噪比，反映的是信道容量與帶寬，信噪比的關(guān)系，理論上，當(dāng)信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信道的傳輸速率就越高[8]。

而在4G 和5G 帶寬固定的情況下，速率的提升取決于信噪比，而信噪比實(shí)際上取決于4G 與5G 基站的信號(hào)發(fā)射功率。在下行方向，隨著帶寬的增大，基站小區(qū)的功率也會(huì)增大，也就是說，在下行方向上，小區(qū)中心用戶和邊緣用戶均可以使用100 MHz 的帶寬。但在上行方向，因?yàn)榻K端上行功率不會(huì)隨著系統(tǒng)帶寬的增加而增加，上行是功率受限系統(tǒng)，而不是帶寬受限系統(tǒng)[9]。所以，大帶寬不能解決上行邊緣用戶速率低的問題，邊緣用戶還是只能使用2 MHz 的帶寬。示意圖如圖5 和表5 所示。

圖5 小區(qū)用戶不同位置占用帶寬示意圖

表5 中心與邊緣用戶占用帶寬情況

由于5G 網(wǎng)絡(luò)是上行受限系統(tǒng)，在4G 與5G 共覆蓋區(qū)域，當(dāng)用戶位于5G 基站邊緣時(shí)，相對(duì)于4G 基站來說，用戶正處于4G 中點(diǎn)位置。所以，在5G 覆蓋邊緣位置，當(dāng)5G 用戶上行僅使用2M 帶寬時(shí)，此時(shí)4G 用戶上行使用20 M 帶寬。因此，在邊緣區(qū)域，在SINR 同等情況下，5G用戶上行感知速率理論上比4G 用戶上行感知速率差[11]。示意圖如圖6 所示。

圖6 4G 與5G 用戶中遠(yuǎn)點(diǎn)劃分示意圖

4.2 4G 劣&5G 優(yōu)場景

通過道路測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在測(cè)試區(qū)域內(nèi)，測(cè)試期間，5G 干擾值小于-105 dBm 小區(qū)共有256 個(gè)。根據(jù)場景分類門限，劃分出4G 劣&5G 優(yōu)場景小區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在該場景下，分別統(tǒng)計(jì)UE 駐留在4G 與5G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)的上行速率情況。

根據(jù)香農(nóng)公式，在SINR 固定情況下，分別以2 M、20 M、100 M 帶寬估算出SINR 與下行速率關(guān)系的理論值。如表6 所示。

表6 相同SINR 下不同帶寬下行速率情況

根據(jù)表6 可以得出，在5G 上行邊緣區(qū)域，當(dāng)SINR等于0 的時(shí)候，此時(shí)，5G 用戶上行占用帶寬為2 M，而4G 用戶占用帶寬仍然為20 M，在下行速率下降嚴(yán)重情況下，其上行速率下降將更加嚴(yán)重，對(duì)用戶感知影響更大。

通過統(tǒng)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)的上行速率與SINR 關(guān)系，上行速率與SINR 成正比，符合上表理論計(jì)算。當(dāng)SINR＜-0.5 dB時(shí)，5G 上行速率開始小于4G 的上行速率，此時(shí)，可以認(rèn)為5G 上行已受限，4G 上行好于5G 上行，建議優(yōu)先占用4G。由于考慮到4G 小區(qū)的負(fù)荷問題，且參數(shù)目前只支持0,3,6 數(shù)值，因此，建議上行NR 去激活SINR 門限設(shè)置為0，可讓UE 盡早刪腿，上行使用4G 開展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。統(tǒng)計(jì)示意圖如圖7 所示。

圖7 4G 劣&5G 優(yōu)場景信噪比與上行速率關(guān)系

4.3 4G 優(yōu)&5G 優(yōu)場景

通過道路測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在測(cè)試區(qū)域內(nèi)，測(cè)試期間，5G 干擾值小于-105 dBm 小區(qū)共有256 個(gè)。根據(jù)場景分類門限，劃分出4G 優(yōu)&5G 優(yōu)場景小區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在該場景下，分別統(tǒng)計(jì)UE 駐留在4G 與5G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)的上行速率情況。

根據(jù)香農(nóng)公式，在SINR 固定情況下，分別以2 M、20 M、100 M 帶寬估算出SINR 與下行速率關(guān)系的理論值。如表7 所示。

表7 相同SINR 下不同帶寬下行速率情況

根據(jù)表7 可以得出，在5G 上行邊緣區(qū)域，當(dāng)SINR等于3 的時(shí)候，此時(shí)，5G 用戶上行占用帶寬為2 M，而4G 用戶占用帶寬仍然為20 M，在下行速率下降嚴(yán)重情況下，其上行速率下降將更加嚴(yán)重，對(duì)用戶感知影響更大。

通過統(tǒng)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)的上行速率與SINR 關(guān)系，上行速率與SINR 成正比，符合上表理論計(jì)算。當(dāng)SINR＜2.5 時(shí)，5G 上行信道出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，上行速率惡化較明顯，而4G SINR 依然維持較好的值，上行速率保持穩(wěn)定。同時(shí)，5G 上行誤塊率已達(dá)到2%以上，5G 上行速率低于4G 上行速率，感知低于4G。此時(shí)，建議優(yōu)先占用4G。因此，建議上行NR 去激活SINR 門限設(shè)置為3，上行使用4G 開展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。統(tǒng)計(jì)示意圖如圖8 所示。

圖8 4G 優(yōu)&5G 優(yōu)場景信噪比與上行速率關(guān)系

4.4 5G 劣場景

通過道路測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在測(cè)試區(qū)域內(nèi)，測(cè)試期間，5G 干擾值大于-105 dBm 小區(qū)共有53 個(gè)，根據(jù)場景分類門限，劃分出5G 劣場景小區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在該場景下，統(tǒng)計(jì)UE 駐留在5G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)的上行速率情況。

根據(jù)香農(nóng)公式，在SINR 固定情況下，分別以2 M、20 M、100 M 帶寬估算出SINR 與下行速率關(guān)系的理論值。如表8 所示。

表8 相同SINR 下不同帶寬下行速率情況

根據(jù)表8 可以得出，在5G 上行邊緣區(qū)域，當(dāng)SINR等于6 的時(shí)候，此時(shí)，5G 用戶上行占用帶寬為2 M，而4G 用戶占用帶寬仍然為20 M，在下行速率下降嚴(yán)重情況下，其上行速率下降將更加嚴(yán)重，對(duì)用戶感知影響更大。

通過統(tǒng)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)的上行速率與SINR 關(guān)系，上行速率與SINR 成正比，符合上述理論計(jì)算。當(dāng)NR 存在強(qiáng)干擾，UE 駐留在NR 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在SINR＜5.7 的時(shí)候，NR 上行信道出現(xiàn)不穩(wěn)定，且上行誤塊率已達(dá)到5%以上，上行速率波動(dòng)陡降，嚴(yán)重影響用戶的感知。因此上行NR 去激活SINR 門限建議設(shè)置為6，可讓UE 盡早刪腿，上行使用4G 開展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。統(tǒng)計(jì)示意圖如圖9 所示。

圖9 5G 劣場景信噪比與上行速率關(guān)系

4.5 三大場景推薦參數(shù)配置建議

根據(jù)以上對(duì)三大場景的道路測(cè)試驗(yàn)證，得到了不同場景的最優(yōu)參數(shù)，三大場景推薦參數(shù)配置門限如表9 所示。

表9 不同位置用戶占用帶寬情況

5 應(yīng)用效果

根據(jù)三大場景推薦的參數(shù)配置門限，挑選某區(qū)域100個(gè)5G 小區(qū)進(jìn)行試點(diǎn)驗(yàn)證，按照差異化場景區(qū)分，其中“4G劣&5G 優(yōu)”場景小區(qū)共28 個(gè)；“4G 優(yōu)&5G 優(yōu)” 場景小區(qū)共31 個(gè)；“5G 劣” 場景小區(qū)共41 個(gè)。

通過開啟上行智選功能與組合開通下行智選功能進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，相關(guān)參數(shù)調(diào)整后，在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，整體5G 下行用戶平均速率提升37.46%，SN 異常釋放率下降21.41%，上行MAC 誤塊率降低40.35%，邊緣用戶減少，流量略有下降。測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖10 所示。

圖10 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

6 結(jié)束語

5G 信號(hào)在深度覆蓋區(qū)域衰減較大，5G 網(wǎng)絡(luò)用戶在中遠(yuǎn)點(diǎn)上網(wǎng)體驗(yàn)明顯不佳，主要受限于5G 頻段傳播能力和終端發(fā)射功率，時(shí)隙配比、天線數(shù)量等方面的差異，如何在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成熟之前更好的解決覆蓋不足的短板尤為重要。本文通過探討“4G 優(yōu)&5G 優(yōu)、4G 劣&5G 優(yōu)、5G 劣”三大場景，研究上行智選的NR去激活SINR參數(shù)配置門限，結(jié)合下行智選功能的開啟，能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及用戶上網(wǎng)感知。因此，針對(duì)NSA 網(wǎng)絡(luò)，建議根據(jù)三大場景設(shè)置上、下行智選參數(shù)，改善用戶體驗(yàn)。

建網(wǎng)初期，受限于技術(shù)水平和資金成本，大多數(shù)運(yùn)營商鋪設(shè)5G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)采用的方式普遍是NSA 制式[10]。隨著5G 技術(shù)發(fā)展與成熟，SA 組網(wǎng)將是未來趨勢(shì)，而上行問題仍然是制約5G 用戶感知的難點(diǎn)。通過本文對(duì)NSA 網(wǎng)絡(luò)感知速率研究，在SA 組網(wǎng)情況下，可以根據(jù)不同場景，通過不同頻段的穿透能力[11]，設(shè)置對(duì)應(yīng)的參數(shù)，解決上行覆蓋問題，從而達(dá)到改善用戶感知的目的。

在未來的5G 網(wǎng)絡(luò)中，無論是在建設(shè)還是在應(yīng)用中，更加注重的都是用戶的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用體驗(yàn)。在以用戶體驗(yàn)為核心時(shí)，我們不能僅僅將5G 建設(shè)為一張更高速的通信連接網(wǎng)，還要建設(shè)為一張價(jià)值創(chuàng)造網(wǎng)，以行業(yè)需求和公眾需求為本，迭代發(fā)展5G 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。