林小蘭

【摘要】 隨著中國(guó)移動(dòng)LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及用戶數(shù)的迅速增長(zhǎng)，LTE網(wǎng)絡(luò)逐步從一個(gè)輕載網(wǎng)過渡到局部的重載網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)資源效率指標(biāo)的優(yōu)化進(jìn)行深入探討，應(yīng)對(duì)負(fù)荷日益增長(zhǎng)的LTE網(wǎng)絡(luò)。文章通過對(duì)大量用戶集中的高負(fù)載LTE網(wǎng)絡(luò)的資源效率指標(biāo)進(jìn)行分析，提出了優(yōu)化措施，保障高負(fù)載LTE網(wǎng)絡(luò)下的用戶感知。

【關(guān)鍵詞】 LTE網(wǎng)絡(luò) 資源效率 高負(fù)載 指標(biāo)

一、引言

中國(guó)移動(dòng)在短短一年多的時(shí)間內(nèi)就建成了世界上最大規(guī)模的4G網(wǎng)絡(luò)，到14年底TD-LTE基站總數(shù)預(yù)計(jì)將達(dá)到70萬個(gè)，全面覆蓋國(guó)內(nèi)所有城市；已經(jīng)入網(wǎng)的TD-LTE終端款型超過了600款。中國(guó)移動(dòng)自身僅在14年10月單月即新增TD-LTE用戶1350萬戶，將總數(shù)提升至5445萬戶，隨著后續(xù)4G加速發(fā)展，未來用戶規(guī)模增長(zhǎng)將會(huì)越來越快。隨著中國(guó)移動(dòng)LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及用戶數(shù)的迅速增長(zhǎng)，LTE網(wǎng)絡(luò)逐步從一個(gè)輕載網(wǎng)過渡到局部的重載網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)資源效率指標(biāo)的優(yōu)化進(jìn)行深入探討，應(yīng)對(duì)負(fù)荷日益增長(zhǎng)的LTE網(wǎng)絡(luò)。

二、LTE網(wǎng)絡(luò)資源效率指標(biāo)

影響LTE網(wǎng)絡(luò)資源效率性能的指標(biāo)主要有流量、速率及利用率這3大類指標(biāo)，決定這3類指標(biāo)性能的因素主要有系統(tǒng)接入的用戶數(shù)、用戶使用的業(yè)務(wù)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源容量。這3個(gè)因素中，用戶使用的業(yè)務(wù)由用戶主觀決定，無法在網(wǎng)絡(luò)側(cè)做調(diào)整；而系統(tǒng)接入的用戶數(shù)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源容量，可以通過參數(shù)設(shè)置及硬件資源調(diào)整，實(shí)現(xiàn)LTE網(wǎng)絡(luò)資源效率最大化。在LTE網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)接入的用戶數(shù)主要由最大激活用戶數(shù)決定用戶數(shù)的接入上限；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源容量涉及到無線利用率、上下行PRB平均利用率、eNodeB尋呼擁塞率、上下行每PRB平均吞吐量及上下行用戶平均速率等指標(biāo)。

三、LTE網(wǎng)絡(luò)資源效率指標(biāo)優(yōu)化思路

在LTE網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)接入的用戶數(shù)主要由最大激活用戶數(shù)決定用戶數(shù)的接入上限，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的整體評(píng)估設(shè)置合適的數(shù)值。

3.1單小區(qū)用戶容量的定義

單小區(qū)用戶容量：也就是每個(gè)小區(qū)可以同時(shí)接入的最大用戶數(shù)目，這是衡量一個(gè)小區(qū)容量的主要指標(biāo)。合理的設(shè)置小區(qū)用戶的容量，可以減少由于容量限制問題引起的擁塞。

3.2小區(qū)最大接入用戶數(shù)的容量限制因素

調(diào)整對(duì)UE容量的支持涉及到的主要是上、下行控制信道部分的參數(shù)，即物理信道下行PDCCH相關(guān)，以及上行PUCCH、Prach信道相關(guān)部分的參數(shù)。 PUCCH主要考慮CQI資源、SR資源、PUCCH占用PRB數(shù)等。 UE通過PUCCH信道反饋的信道狀態(tài)信息 CSI （Channel state information）分別有CQI、RI和PMI。這些信息反饋的主要目的，是提供eNB下行信道估計(jì)，以便于更好的調(diào)度資源。決定PUCCH資源需求的因素主要是2方面：CQI資源和SR（scheduling Request）資源。CQI、RI、PMI及SR這4組參數(shù)均會(huì)影響到單小區(qū)可以正常連接的用戶數(shù)目，只要其中任何一個(gè)參數(shù)受限都會(huì)直接影響到最終的用戶數(shù)。Prach主要考慮prach configuration index，以及prach frequency offset等。PDCCH主要考慮symbol的數(shù)量，下行每TTI調(diào)度的用戶數(shù)。

3.3單小區(qū)容量的優(yōu)化思路根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源容量的影響因素，整體優(yōu)化思路如下：？ 檢查最大激活用戶數(shù)以及最大連接用戶數(shù)的參數(shù)是否受限；

？ 檢查上行資源參數(shù)-CQI是否受限；

？ 檢查上行資源參數(shù)-SR是否受限。

上行的調(diào)度資源不足同樣會(huì)引起RRC連接建立失敗，導(dǎo)致RRC連接建立成功率低的問題。

？ 檢查上行資源參數(shù)-Prach是否受限；

？ 檢查其它會(huì)影響到單小區(qū)用戶數(shù)目的因素；

下面來詳細(xì)說一下這些參數(shù)如何影響單小區(qū)接入用戶的數(shù)目。

3.3.1最大連接建立用戶數(shù)以及最大激活用戶數(shù)的限制

Maximum number of RRC connects： 該參數(shù)的范圍從0～600，也就是說每小區(qū)支持的最大連接用戶數(shù)目為600個(gè)。Maximum number of active UEs：該參數(shù)的范圍從0～600，也就是說最大支持的用戶數(shù)為600個(gè)。考慮到用戶的實(shí)際感知，單小區(qū)支持600用戶的容量無實(shí)際意義，所以以200為建議最大支持?jǐn)?shù)量，分析容量計(jì)算和參數(shù)設(shè)置。

3.3.2上行資源參數(shù)優(yōu)化 - CQI

CQI的上報(bào)，分為周期性上報(bào)和非周期性上報(bào)2類，兩種上報(bào)方式都要打開，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)：可以配置用戶在被調(diào)度時(shí)非周期上報(bào)CQI，而周期性上報(bào)可以提供固定周期的，但相對(duì)粗糙一些的信道狀態(tài)。

周期性上報(bào)時(shí)，如果UE正好有UL的數(shù)據(jù)發(fā)送，則CQI會(huì)在PUSCH里傳，否則會(huì)占用PUCCH資源。周期性上報(bào)，對(duì)應(yīng)設(shè)置的參數(shù)為：

cqiPerNp = 20 （ 20ms）

periodicCqiFeedbackType = wideband要打開非周期上報(bào)，需設(shè)置對(duì)應(yīng)的參數(shù)：

CQIAperEnable = true cqiAperMode = FBT2

CQI資源和其支持的用戶數(shù)的算法是：

支持的用戶數(shù)= nCqiRb * UL subframe number * cqiPerNp/10 * CQI per PRB

nCqiRb 指為CQI分配的RB數(shù)。

UL subframe number 目前湛江上下行是1：3，所以每幀有2個(gè)上行子幀。

cqiPerNp 如前文所示，設(shè)置為20ms

CQI per PRB，每個(gè)PRB有6個(gè)CQI資源，注意，打開drx（不連續(xù)接收）后，此資源減半，所以為3。

假設(shè)每個(gè)小區(qū)支持100個(gè)用戶，則建議調(diào)整的CQI相關(guān)參數(shù)為：

nCqiRb =4。

cqiPerNp = 40ms。

CQI per PRB，不變?yōu)?。

按照上面的設(shè)置，代入公式計(jì)算，支持的用戶數(shù)為96。

由于CQI per PRB的值保持不變，因此只要對(duì)nCqiRb或cqiPerNp中任意一個(gè)的值進(jìn)行修改都可以控制接入的用戶數(shù)。比如將cqiPerNp的值從4調(diào)至8，相應(yīng)的，支持的同時(shí)最大接入用戶將會(huì)增加至192個(gè)。

3.3.3上行資源參數(shù)優(yōu)化 - SR

SR （Scheduling Request）對(duì)上行資源的要求是：

每個(gè)SR 周期支持的active用戶數(shù) = ROUNDUP （No. of UL frame per 10ms * cellSrPeriod （ms） /10， 0） * n1PucchAn

No. of UL frame per 10ms 按照現(xiàn)在上下行1：3的配置，還是2

CellSrPeriod 指小區(qū)SR的周期，默認(rèn)是20ms。

n1PucchAn 指ACK/NACK offset，其取值可以是10或者36的倍數(shù)。

假設(shè)每個(gè)小區(qū)支持100個(gè)用戶，則建議的SR相關(guān)參數(shù)為：

cellSrPeriod =20ms。

n1PucchAn = 36

按照上面的設(shè)置，代入公式計(jì)算，支持的用戶數(shù)為144。同樣，如果，你將以上任意一個(gè)參數(shù)增大或縮小，其同時(shí)接入的最大用戶數(shù)就會(huì)相應(yīng)的變化。比如，你將cellSrPeriod的值從20ms修改到5ms，那么支持的用戶數(shù)就變成36。值得注意的是，本組參數(shù)與CQI的那組參數(shù)是共同影響接入用戶數(shù)的，且是通過“木桶效應(yīng)”來影響的，也就是誰的值算出來后接入的用戶數(shù)少，就以哪個(gè)為準(zhǔn)。

3.3.4上行資源參數(shù)優(yōu)化 - Prach

首先要計(jì)算出PUCCH size需要的PRB數(shù)目。

根據(jù)上述的SR和CQI資源參數(shù)設(shè)置，需要計(jì)算出總計(jì)需要的PUCCH資源

MaxPucchResourceSize = nCqiRb + roundup{[（（rounddown（（（maxNrSymPdcch * 12 - 4） * dlChBw - roundup （phichRes* （dlChBw / 8）） * 12 - 16） / 36）） + n1PucchAn - pucchNAnCs* 3 / deltaPucchShift ） * deltaPucchShift] / （3*12）} + roundup（pucchNAnCs / 8）

代入計(jì)算后，PUCCH所需的PRB數(shù)為12。

Prach固定占用了6個(gè)RB，72個(gè)子載波，1.08 Mhz。

Prach的位置由 Prach configuration index 、Prach Frequency offset兩個(gè)RRC層的參數(shù)確定。（圖1）

20M帶寬，100個(gè)PRB，按照上面的PUCCH資源需求，需12個(gè)PRB，分別位于20M的兩端各6個(gè)PRB。建議設(shè)置適當(dāng)?shù)腜rach frequency offset，使得Prach的6個(gè)PRB在頻域上緊貼著PUCCH。

PrachFreqOff的設(shè)置原則：

roundup（MaxPucchResourceSize/2） if it is located at the lower edge

ulChBw-6-roundup（MaxPucchResourceSize/2 if it is located at the upper edge of the PUSCH area

即，按照12個(gè)PUCCH的PRB計(jì)算，offset為6，或者88。

根據(jù)規(guī)劃要求，現(xiàn)網(wǎng)的無線規(guī)劃里：宏站采用format 0，室分采用format 4

即宏站的prach位于上行子幀，室分的prach位于特殊子幀的UpPTS。

此外，prach的資源相關(guān)還有一個(gè)參數(shù) raNondedPreamb，它定義了ra preamble的數(shù)量。LTE的接入分為競(jìng)爭(zhēng)性接入和非競(jìng)爭(zhēng)性接入，后者主要用于切換等場(chǎng)合。

競(jìng)爭(zhēng)性接入的preamble + 非競(jìng)爭(zhēng)性接入的preamble = 64 個(gè)。

如果設(shè)置raNondedPreamb = 64，則全部ra資源用于競(jìng)爭(zhēng)性接入。CMCC集團(tuán)測(cè)試的不少場(chǎng)景，要求切換是基于競(jìng)爭(zhēng)性的，可以這么設(shè)置。 默認(rèn)的設(shè)置為40，即預(yù)留24個(gè)ra資源給非競(jìng)爭(zhēng)性接入（如切換等）使用，由于ra資源在無線連接完成后會(huì)釋放掉，所以40個(gè)已經(jīng)足以滿足接入使用，建議依照原始設(shè)置。除此外，網(wǎng)內(nèi)干擾等因素也會(huì)引起用戶接入失敗等情況的出現(xiàn)，從事實(shí)上影響到單個(gè)小區(qū)的用戶數(shù)目，特別是邊緣覆蓋的用戶。鑒于TDLTE大都屬于同頻組網(wǎng)模式，對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)干擾的控制顯得尤為重要。除了上述參數(shù)外，還有一些因素也會(huì)影響到單小區(qū)連接用戶數(shù)目，比如：帶寬。LTE可以靈活支持1.4、3、5、10、15、20M的6種帶寬。當(dāng)然，目前各大運(yùn)營(yíng)商部署的都是20M帶寬的網(wǎng)絡(luò)，這一因素可以忽略不計(jì)。

四、LTE網(wǎng)絡(luò)資源效率指標(biāo)優(yōu)化案例

4.1 調(diào)度類SR受限導(dǎo)致用戶接入困難

上行的調(diào)度資源不足同樣會(huì)引起RRC連接建立失敗，導(dǎo)致RRC連接建立成功率低的問題。提取了湛江移動(dòng)公司綜合樓-NLW 5月12日的KPI指標(biāo)發(fā)現(xiàn)RRC連接建立成功率出現(xiàn)連續(xù)多時(shí)段指標(biāo)較差，最差時(shí)不足20%。同時(shí)RRC連接建立成功率較差時(shí)段RRC最大連接用戶數(shù)36個(gè)。（圖2）

檢查最大接入用戶的參數(shù)以及CQI類參數(shù)都沒有什么限制，最終發(fā)現(xiàn)調(diào)度類參數(shù)SR受限。已知公式：每個(gè)SR 周期支持的active用戶數(shù) = ROUNDUP （No. of UL frame per 10ms * cellSrPeriod （ms） /10， 0） * n1PucchAn。

結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)設(shè)置：cellSrPeriod =5ms，n1PucchAn = 36。則現(xiàn)網(wǎng)設(shè)置的最大連接用戶數(shù)為36個(gè)。

將cellSrPeriod的值從5ms改為20ms后，計(jì)算下來的理論支持用戶數(shù)就變?yōu)?44個(gè)。因此超過36個(gè)用戶數(shù)的時(shí)段也不會(huì)再出現(xiàn)擁塞了，指標(biāo)恢復(fù)正常。

修改該參數(shù)后，重新統(tǒng)計(jì)該指標(biāo)如圖3。

五、總結(jié)

本文研究LTE網(wǎng)絡(luò)資源效率指標(biāo)的優(yōu)化，在LTE網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)接入的用戶數(shù)主要由最大激活用戶數(shù)決定用戶數(shù)的接入上限，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的整體評(píng)估設(shè)置合適的數(shù)值，找出影響網(wǎng)絡(luò)資源效率的關(guān)鍵因素，從而提高網(wǎng)絡(luò)資源利用效率。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]中國(guó)移動(dòng)廣東公司. 關(guān)于啟動(dòng)全省4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化專項(xiàng)工作的通知

[2]朱雪田，等. TD-LTE無線性能分析與優(yōu)化.電子工業(yè)出版社.2014.05

[3]王映民，等. TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì).人民郵電出版社.2010.06

[4]沈嘉，等. 3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì). 人民郵電出版社.2008.11