葛強(qiáng)

（中國移動通信集團(tuán)湖北有限公司，武漢 430023）

基于LTE信令軟采的高鐵性能監(jiān)控及質(zhì)量評估

葛強(qiáng)

（中國移動通信集團(tuán)湖北有限公司，武漢 430023）

湖北移動針對區(qū)域內(nèi)高鐵的評估優(yōu)化需求日益增長，而傳統(tǒng)測試手段時效長、成本高、用戶覆蓋與質(zhì)量感知難以反饋，創(chuàng)新的利用軟采成本低、海量高鐵用戶信息的特性，成功建立基于用戶移動軌跡行為的“高鐵用戶識別模型”和“用戶位置定位技術(shù)”，全面實(shí)現(xiàn)高鐵網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控與評估，并可深度輸出高鐵覆蓋、切換、干擾等網(wǎng)絡(luò)問題，結(jié)合用戶多信息關(guān)聯(lián)分析法快速定位問題的原因，全面高效助力于高鐵網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

LTE無線網(wǎng)；MR信令軟采；高鐵用戶特性

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，湖北高鐵專網(wǎng)建設(shè)已鋪開，高鐵優(yōu)化需求日益增長，而高鐵用戶真實(shí)的覆蓋感知、無線網(wǎng)絡(luò)性能、高鐵傳統(tǒng)測試手段時效長、發(fā)現(xiàn)問題單一、工作量大、成本高都是高鐵日常優(yōu)化的難題。因此，如何利用軟采海量的高鐵用戶信息，真實(shí)全面地反映高鐵無線網(wǎng)絡(luò)性能，更有效地進(jìn)行高鐵網(wǎng)絡(luò)評估與優(yōu)化。

針對高鐵用戶移動軌跡與移動速度相對恒定等特性建立高鐵用戶識別模型，以及實(shí)現(xiàn)用戶位置的定位，對高鐵網(wǎng)絡(luò)性能評估與優(yōu)化具有實(shí)質(zhì)性應(yīng)用意義。同時，軟采信令采集具有費(fèi)用低、一次投入長期使用的優(yōu)點(diǎn)。

基于用戶高鐵用戶特性與用戶移動軌跡的高鐵用戶識別，主要是通過對高鐵用戶占用專網(wǎng)小區(qū)、用戶移動速度進(jìn)行綜合運(yùn)算，結(jié)合高鐵移動速度相對恒定等特點(diǎn)，對高鐵用戶進(jìn)行識別。在高鐵用戶識別的基礎(chǔ)上，結(jié)合用戶位置定位技術(shù)，將用戶位置與覆蓋等信令在高鐵線路上進(jìn)行錨點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高鐵網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控與評估，助力高鐵網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

1　基于LTE信令軟采的高鐵性能監(jiān)控及質(zhì)量評估技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

1.1基于LTE信令軟采的高鐵評估體系

高鐵用戶具有移動性強(qiáng)、移動軌跡明顯、移動速度相對恒定等特點(diǎn)，在高鐵上運(yùn)行的用戶，具有一定的方向與行駛速度、軌跡，通過研究“基于高鐵用戶移動軌跡與速度的模型”，建立“高鐵用戶識別模型”；將海量用戶信令數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中進(jìn)行匹配，找出符合高鐵移動軌跡模型的高鐵用戶，結(jié)合高鐵用戶位置定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對路面網(wǎng)絡(luò)性能評估與問題分析定位方案，主要包括兩部分：高鐵用戶識別與高鐵用戶位置定位，整體工作流程如圖1所示。

圖1　高鐵評估總體流程

1.2基于LTE信令軟采的ABC切段模型

湖北移動針對高鐵專網(wǎng)覆蓋的線路，研究了專網(wǎng)小區(qū)基于切換考慮設(shè)計是每個LTE小區(qū)帶多個RRU，因此移動速度的計算要關(guān)聯(lián)用戶小區(qū)切換的順序，將切換小區(qū)打上標(biāo)記為A→B→C→D，再記錄小區(qū)順序后，可以采用切段用戶移動速度計算法，當(dāng)用戶切換序列為A→B→C→D，可進(jìn)行速度計算的切段有A-B-C與B-C-D，對這類用戶判斷為存在“ABC切段模型”的用戶。

1.3基于用戶移動速度的計算實(shí)現(xiàn)

1.3.1速度計算方法

用戶移動速度km/h=用戶移動距離/用戶移動時間。

1.3.2移動速度計算公式

設(shè)前后順序經(jīng)過小區(qū)的為：

Zi-1（θi-1，φθi-1）， Zi（θi，φI）， Zi+1（θi+1，φθi+1）其中表示穿過小區(qū)ZI（θi，φI）的瞬時速度， ΔS表示穿過期間的球面距離； Δt為前后兩個切換小區(qū)的相距時間， k（i）表示在Zi期間第一個RRU坐標(biāo)到最后一個RRU的坐標(biāo)的距離參數(shù)， k（l，i）表示從Zi-l最后一個RRU坐標(biāo)切換到Zi的第一個RRU坐標(biāo)的距離參數(shù)，即圖中的切入B小區(qū)區(qū)域距離，而k（i，r）表示從Zi最后一個RRU坐標(biāo)切換到Zi+1的第一個RRU坐標(biāo)的距離參數(shù)，即圖中的切出B小區(qū)區(qū)域距離；R為地球半徑，這里取為6371 km。

1.4基于高鐵停站或故障停車的用戶算法判斷

湖北移動根據(jù)高鐵停站或列車故障導(dǎo)致的停車特性，進(jìn)行了相關(guān)分析，此部分的數(shù)據(jù)不屬于高鐵運(yùn)行中的數(shù)據(jù)，對這部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行了判斷與排除。

情形1：高鐵用戶出站離開列車。當(dāng)用戶到站下車后，占用的大網(wǎng)小區(qū)的比例將會明顯增高，并且每個小區(qū)駐留的時間將會大于高鐵移動中用戶的時間。

情形2：用戶到站或列車故障仍停留在車上的用戶。這類用戶駐留高鐵小區(qū)的時間將會大于高鐵移動中的用戶時間。

相關(guān)算法描述如下。

（1）用戶占用的所有小區(qū)中，當(dāng)有一個小區(qū)駐留的時間超過高鐵正常速度穿過一個小區(qū)所花的時間，則該用戶為非高鐵用戶行為。（假設(shè)高鐵最小速度為150 km/h，專網(wǎng)小區(qū)覆蓋范圍為5 km，則移動中的高鐵用戶穿過一個小區(qū)的時間約為5 km/（150 km/3 600）≈120 s。該場景算法是用戶按每5 min進(jìn)行切段，當(dāng)用戶占用的所有小區(qū)中，對每個小區(qū)的駐留時間進(jìn)行計算，當(dāng)駐留時間大于3 min時，則判斷該用戶此時間段為非運(yùn)行中用戶數(shù)據(jù)。

（2）在選定的時間間隔5 min內(nèi)，若時間間隔內(nèi)經(jīng)過的任何一小區(qū)駐留時間都少于3 min的話，則表示在這段5 min的時間內(nèi)，用戶都在高速運(yùn)行中。反之，若：

時間段內(nèi)存在某一小區(qū)Z0，，計算駐留該小區(qū)時間大于3 min，則判斷此時間段為非運(yùn)行中的用戶數(shù)據(jù)。

（3）當(dāng)用戶到站下車后，遠(yuǎn)離高鐵專網(wǎng)覆蓋區(qū)域占用大網(wǎng)小區(qū)的場景算法是，按30 min粒度統(tǒng)計用戶占用高鐵小區(qū)比例，當(dāng)比例小于70%時（閾值支持可調(diào)），該時段用戶不屬于運(yùn)行中的高鐵用戶。

圖2　切點(diǎn)位置算法示意圖

若此比例小于所取閾值N0=70%（閾值支持可調(diào)），即N ＜ N0。即可判斷為該時段用戶不屬于穩(wěn)行中的高鐵用戶。

1.5基于LTE信令軟采的高鐵用戶識別

判斷高鐵用戶：存在“ABC切段模型”且移動速度大于 （閾值支持可調(diào)），并排除停站或故障停車的用戶數(shù)據(jù)。

設(shè)高鐵小區(qū)集合為 ，至少滿足：

存在小區(qū)Zi0，Zi1，Zi2滿足條件，可判斷此用戶在小區(qū)切換序列（Zi0，Zi1，Zi2）屬高鐵用戶。此外可以循環(huán)逐步判斷，直至某一切換小區(qū)序列不滿足此條件為停止。

最終確定此高鐵用戶小區(qū)切換序列為： Z=（Zi0，Zi1，…Zi2）。

1.6基于切點(diǎn)位置算法的高鐵用戶位置定位技術(shù)

湖北移動首先通過“ABC切段模型”結(jié)合MR定位判斷用戶的切入點(diǎn)的位置，再根據(jù)用戶移動方向、移動角度、移動速度，根據(jù)時間差判斷用戶切入點(diǎn)前后的移動位置。

ABC切段模型用戶，切入B小區(qū)時，用戶切入點(diǎn)位置判斷在A小區(qū)與B小區(qū)之間，如圖2所示的切入點(diǎn)位置區(qū)域。

通過以上算法定位用戶切入與切出點(diǎn)的大概位置，就是切換前后兩小區(qū)頭尾RRU之間位置，誤差在于兩小區(qū)頭尾RRU之間的距離，大約500 m左右。湖北移動為了提高用戶位置精度，這里引入傳播損耗模型定位算法，根據(jù)傳播模型判斷用戶距離切換前后頭尾RRU的距離，進(jìn)行位置精度修正。

根據(jù)擴(kuò)展的HATA模型，傳播損耗可以表示為一個標(biāo)準(zhǔn)的公式和一個應(yīng)用于其它不同環(huán)境的附加校正公式。擴(kuò)展的HATA模型是針對載波頻率為800 MHz和2 600 MHz的LTE網(wǎng)絡(luò)室外覆蓋所采用的傳播模型，適用于TD-LTE傳播損耗計算。數(shù)學(xué)表達(dá)式為PL（f，h1，h2，d，env）=L+T（G（σ）），其中f表示頻率范圍；h1表示發(fā)射基站天線等效高度；h2表示接收移動臺等效高度；d表示收發(fā)間的距離，單位為km；env表示一般環(huán)境，即市區(qū)、鄉(xiāng)材、市郊；L表示平均傳播損耗；Hm=min（h1，h2）； Hb=min（h1，h2）， Hm取值范圍為1～10 m，Hb取值范圍為30～200 m，路徑損耗變量部分可采用對數(shù)正態(tài)分布求得（默認(rèn)典型值為10 dB）。

其中，擴(kuò)展的HATA（SDR）模型主要針對短距離設(shè)備，如手持移動終端天線一般掛高1.5 m內(nèi)，在視距或者準(zhǔn)視距條件下其對應(yīng)的干擾在100 m之內(nèi)。

對應(yīng)的基站發(fā)射天線高度取值范圍為1.5～30 m通過以上式，代入基站的工作頻率、天線高度、發(fā)射功率、MR數(shù)據(jù)這些數(shù)據(jù)，我們可以得到移動臺發(fā)送MR報告時與基站天線的距離d。根據(jù)得到的A小區(qū)至移動臺距離以及B小區(qū)至移動臺距離，我們可以得到用戶的切入點(diǎn)位置。

1.7基于用戶位置判斷的相關(guān)數(shù)學(xué)公式

湖北移動展開了MR定位研究：根據(jù)MR公式求得切入點(diǎn)與小區(qū)A（xA，yA）的距離為d1，與小區(qū)B（xB，yB）的距離為d2。小區(qū)A與小區(qū)B的距離可以根據(jù)之前的球面距離計算公式算出ΔSAB。

根據(jù)余弦定理可求得切入點(diǎn)位置與小區(qū)A、B之間的夾角：

根據(jù)邊角關(guān)系，易得當(dāng)前切入點(diǎn)的坐標(biāo)位置O（x0，y0）速度：

移動角度：

移動方向判斷：

2　高鐵性能監(jiān)控及質(zhì)量評估關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

首先，首創(chuàng)建立了用戶軌跡的高鐵用戶識別模型，高效獲取高鐵用戶數(shù)據(jù)。湖北移動針對高鐵專網(wǎng)覆蓋的線路，結(jié)合專網(wǎng)小區(qū)切換設(shè)計的特性，同時關(guān)聯(lián)用戶小區(qū)切換順序采用切段用戶移動速度計算法（當(dāng)用戶切換序列為A→B→C→D，可進(jìn)行速度計算的切段有A-B-C與B-C-D，對這類用戶判斷為存在“ABC切段模型”的用戶），首創(chuàng)性建立了高鐵用戶識別模型，根據(jù)模型對軟采用戶數(shù)據(jù)開展自動匹配，可以高效的自動過濾高鐵上的用戶及數(shù)據(jù)，并將此類用戶作為高鐵分析中的用戶級數(shù)據(jù)。

其次，創(chuàng)新地提出基于切段速度變量的高鐵用戶位置定位技術(shù)，提升定位精度。創(chuàng)新性提出通過“ABC切段模型”并結(jié)合MR定位判斷用戶切入點(diǎn)的位置。同時根據(jù)用戶移動方向、角度、速度，根據(jù)時間差判斷用戶切入點(diǎn)前后的移動位置。為了提高用戶位置的定位精度，湖北移動又在定位過程中引入HATA傳播損耗模型定位算法，根據(jù)傳播模型判斷用戶距離切換前后頭尾RRU的距離，進(jìn)行位置精度再提升。

第三，基于定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)高鐵性能監(jiān)控與聯(lián)合分析，GIS渲染一目了然。根據(jù)“高鐵用戶識別模型”與“高鐵用戶位置定位技術(shù)”輸出的數(shù)據(jù)，湖北移動開發(fā)形成在GIS地圖上實(shí)現(xiàn)高鐵覆蓋與質(zhì)量等錨點(diǎn)渲染，直觀發(fā)現(xiàn)高鐵網(wǎng)絡(luò)問題，并可以深入鉆取用戶異常信令數(shù)據(jù)，快速定位相關(guān)問題的原因。

第四，首創(chuàng)多維質(zhì)量分析法，多指標(biāo)提升其中平均下載速率提升5.1 Mbit/s。湖北移動通過高鐵多維質(zhì)量分析法，共定位32項問題，包括參數(shù)配置問題、工程問題、深度覆蓋問題、站點(diǎn)故障等，已實(shí)施優(yōu)化比例為21%，已優(yōu)化問題解決率100%，其它如工程問題、隧道深度覆蓋等已定位未能短期解決的占比為79%。LTE覆蓋率（RSRP＞-110&SINR＞-3）由93.1%提升到95.9%，平均SINR由12.8提升到14.1，應(yīng)用層平均下載速率（含掉線）由12.7 Mbit/s提升到17.8 Mbit/s，效果非常明顯。

最后，創(chuàng)新利用軟采開展提速增效降成本，效率提升10倍成本下降6倍。與人工測試相比，軟采分析工作效率提升非常明顯。LTE軟采的分析費(fèi)用較為低廉，建設(shè)分析平臺后可長期使用，擴(kuò)展性能強(qiáng)。初期建設(shè)可以采用輪巡的模式對湖北全省高鐵線路開展全天候7×24 h分析，與傳統(tǒng)人工測試相比，可減少大量的高鐵測試費(fèi)用，成本下降接近6倍。同時LTE軟采的分析系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計易于擴(kuò)充，在保護(hù)已有投資情況的基礎(chǔ)上，通過升級擴(kuò)充，可以輕易擴(kuò)大采集站點(diǎn)的規(guī)模與范圍。

3　結(jié)束語

湖北移動目前已完成信令軟采平臺的建立，實(shí)現(xiàn)高鐵小時/日粒度的監(jiān)測分析工作，GIS上直觀呈現(xiàn)，以及高鐵質(zhì)量的準(zhǔn)實(shí)時把控。截止目前通過高鐵專項的開展，共定位232項問題，包括參數(shù)配置問題、工程問題、深度覆蓋問題、站點(diǎn)故障等，已實(shí)施優(yōu)化比例為81%，已優(yōu)化問題解決率96%， 高鐵LTE覆蓋率（RSRP＞-110&SINR＞-3）由93.1%提升到95.9%，平均SINR由12.8提升到14.1，應(yīng)用層平均下載速率（含掉線）由12.7Mbit/s提升到17.8Mbit/s，效果明顯。與人工測試相比，工作效率提升近10倍，按全省全年每月2次的高鐵測試分析工作量計算，基于軟采高鐵模擬測試分析預(yù)計可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為每年節(jié)省104萬元，如果傳統(tǒng)測試手段想要達(dá)到海量和全天候客觀真實(shí)反映網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，高鐵模擬測試產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益將會更高。

在下一步工作中，湖北移動將利用該項成果，繼續(xù)在省內(nèi)開展基于軟采的高鐵模擬測試與分析優(yōu)化，拓展高鐵應(yīng)用分析與創(chuàng)新。重點(diǎn)對湖北境內(nèi)的各條高鐵線路開展全面的高鐵網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保障，充分發(fā)揮軟采大數(shù)據(jù)的各項特性及優(yōu)勢，不斷提升客戶感知，為打造精品高鐵網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)質(zhì)量繼續(xù)奮斗。

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Performance monitoring and quality evaluation of high speed railway based on LTE signaling

GE Qiang
（China Mobile Group Hubei Co.， Ltd.， Wuhan 430023， China）

With the high demand of high-speed railway network evaluation， the traditional methods means long time，high cost， and diffi cult to feedback. Hubei Mobile uses the characteristics of low cost and magnanimous user information of LTE signaling， successfully build up the high speed rail user identifi cation model and user locating technology. Performance monitoring and network evaluation of high speed railway network by LTE signaling is now capable， which also can show network problems directly， deeply help us in high-speed railway network optimization.

LTE wireless network； MR signaling collection； high speed railway user characteristics

TN929.5

A

1008-5599（2016）10-0013-05

2016-09-08

* 中國移動集團(tuán)級一類科技創(chuàng)新成果，原成果名稱為《基于LTE信令軟采的高鐵性能監(jiān)控及質(zhì)量評估》。