王月珍，尹珂，梁健生，陳宇

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4G網(wǎng)絡(luò)的資源瓶頸分析

王月珍，尹珂，梁健生，陳宇

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東廣州 510630）

分析了LTE網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)能力，包括小區(qū)吞吐量，PDCCH、PHICH和PUCCH信道容量，接入容量，尋呼容量等，并基于技術(shù)能力分析了各種典型業(yè)務(wù)的PRB、PDCCH CCE、PUCCH、PRACH、尋呼、RRC連接等網(wǎng)絡(luò)資源的消耗和占用情況，最后推導(dǎo)了限制LTE網(wǎng)絡(luò)提供更多用戶服務(wù)的瓶頸資源，提出了建設(shè)和運(yùn)營優(yōu)化時(shí)重點(diǎn)考察的瓶頸指標(biāo)建議。

LTE；技術(shù)能力；典型流量模型；資源消耗；資源瓶頸

1 引言

經(jīng)過近幾年的建設(shè)部署，三大運(yùn)營商的4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不斷延伸和完善，開通4G服務(wù)的用戶也呈現(xiàn)出規(guī)模化增長(zhǎng)趨勢(shì)。進(jìn)入4G時(shí)代，哪些因素會(huì)成為限制網(wǎng)絡(luò)為更多用戶提供服務(wù)的能力瓶頸？由于4G網(wǎng)絡(luò)采用的是LTE空口技術(shù)，與2G、3G技術(shù)存在質(zhì)的不同，以往重點(diǎn)關(guān)注的Wash碼資源、時(shí)隙占用率、ROT抬升等瓶頸因素將不再適用于4G網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營商在建設(shè)和運(yùn)營過程中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注哪些瓶頸因素和指標(biāo)？本文將圍繞這些問題進(jìn)行相關(guān)的分析。

2 4G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)能力

網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)能力是分析資源瓶頸的前提，分析給出LTE系統(tǒng)的小區(qū)吞吐量，PDCCH、PHICH和PUCCH信道容量，接入容量，尋呼容量等能力數(shù)據(jù)。所有的分析基于20 MHz帶寬，采用2×2 MIMO系統(tǒng)進(jìn)行。

（1）小區(qū)吞吐量

根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織提供的4G系統(tǒng)頻譜效率指標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（對(duì)1 800 MHz頻段、2.1 GHz頻段分別進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)帶寬為20 MHz）的測(cè)試數(shù)據(jù)，市區(qū)環(huán)境下LTE小區(qū)的平均吞吐量為：下行33.8 Mbit/s，上行14.7 Mbit/s。

（2）PDCCH和PHICH信道容量

PDCCH的主要作用是承載用戶調(diào)度信息和尋呼指示，PHICH的作用是針對(duì)用戶的PUSCH數(shù)據(jù)傳送反饋ACK/NACK信息。PDCCH、PHICH的用戶支持能力與參數(shù)、的配置相關(guān)，在=3、2×2 MIMO的典型配置下，為不同值時(shí)的PDCCH和PHICH用戶支持能力見表1。

表1 PDCCH和PHICH用戶支持能力

（注：每個(gè)用戶的調(diào)度可以占用1、2、4、8個(gè)CCE（control channel element），當(dāng)環(huán)境越差、速率越低時(shí)，占用的CCE數(shù)越多，通常情況下平均每個(gè)用戶占用3個(gè)CCE。）

由表1可知，將配置為1.0是較優(yōu)的選擇，此時(shí)PDCCH支持的調(diào)度用戶數(shù)為28個(gè)用戶/ms，PHICH支持的用戶數(shù)為104個(gè)用戶/ms。且除了=1/6的情況外，PDCCH均會(huì)先于PHICH成為瓶頸?？紤]到現(xiàn)網(wǎng)中不會(huì)把配置為1/6，后續(xù)的資源消耗和瓶頸分析將不再把PHICH能力作為考察對(duì)象。

（3）PUCCH信道容量

PUCCH用于傳輸上行控制信息，包括上行資源請(qǐng)求、周期性的CQI/PMI和RI、ACK/NACK，占用整個(gè)帶寬邊緣的RB（上邊帶和下邊帶RB成對(duì)占用）進(jìn)行傳送，占用多少個(gè)RB需要通過參數(shù)配置或者網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)配置。PUCCH分成1/1a/1b和2/2a/2b兩種傳輸模式，由于處于激活態(tài)的用戶CQI和ACK/NACK消息通常在PUSCH上傳遞，PUCCH的容量能力主要表現(xiàn)為可以支持的調(diào)度請(qǐng)求（SR）用戶數(shù)。在1/1a/1b配置下，PUCCH通過循環(huán)移位長(zhǎng)度為12的Zadoof-Chu（ZC）序列和3種正交擴(kuò)頻碼進(jìn)行用戶消息復(fù)用，若以2為循環(huán)移位間隔，1個(gè)RB（resource block，資源塊）可以支持3×12/2=18個(gè)用戶，最小配置下（即=2時(shí)）可以支持18×2=36個(gè)用戶/ms，在信道條件好的情況下，可以采用比2小的循環(huán)移位間隔，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)上行支持的調(diào)度用戶數(shù)會(huì)更大一些。

（4）接入容量

LTE系統(tǒng)的用戶接入分為競(jìng)爭(zhēng)接入和非競(jìng)爭(zhēng)接入，通常提前預(yù)留一定比例的資源用于非競(jìng)爭(zhēng)接入，比例可以調(diào)整，非競(jìng)爭(zhēng)接入不會(huì)成為限制因素。這里分析的是小區(qū)的競(jìng)爭(zhēng)接入容量，即每秒支持的競(jìng)爭(zhēng)接入次數(shù)，計(jì)算式為：

=(競(jìng)爭(zhēng)前導(dǎo)數(shù)×每秒PRACH數(shù)量)×ln(1-) （1）

其中，為每秒支持的競(jìng)爭(zhēng)接入次數(shù)，為接入成功率，每秒PRACH數(shù)與參數(shù)“PRACH Configuration Index”的設(shè)置相關(guān)?，F(xiàn)網(wǎng)的默認(rèn)配置是每秒PRACH的數(shù)量為100，每個(gè)PRACH最大可復(fù)用52個(gè)前綴（一共64個(gè)前綴，預(yù)留12個(gè)用于非競(jìng)爭(zhēng)接入）。

如果允許3次接入嘗試，要求成功率為99%（即單次接入成功率為78.45%），根據(jù)式（1）可以計(jì)算出在默認(rèn)配置下，單次的同時(shí)接入能力為1 261次/s，支持的接入容量為：（1 261×78.45%）/99% = 999個(gè)接入嘗試用戶/s。

（5）尋呼容量

LTE網(wǎng)絡(luò)的尋呼容量與物理信道能力，尋呼擁塞率，尋呼對(duì)PDCCH、PDSCH信道資源的占用以及設(shè)備處理能力相關(guān)，通過綜合分析（考慮到篇幅問題，這里不再列出具體過程），LTE小區(qū)尋呼能力主要受限于eNode B設(shè)備處理能力，目前商用設(shè)備基站的尋呼能力一般在400～600次尋呼/s。

綜合上述分析，匯總LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能力，見表2。

表2 LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能力

根據(jù)以上分析可以看出，在通常的網(wǎng)絡(luò)配置下，LTE信令層面主要的受限因素是PDCCH資源，相比于接入容量，尋呼容量更容易成為瓶頸。

3 網(wǎng)絡(luò)資源瓶頸分析

為了進(jìn)一步確定哪些資源是LTE網(wǎng)絡(luò)的瓶頸資源，針對(duì)網(wǎng)頁瀏覽、游戲、視頻、即時(shí)通信、郵件等典型業(yè)務(wù)，分析每種業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的消耗情況，推導(dǎo)出影響LTE網(wǎng)絡(luò)容量的關(guān)鍵資源和瓶頸所在。

3.1 典型業(yè)務(wù)模型參數(shù)

依據(jù)業(yè)務(wù)特征的差異性，移動(dòng)業(yè)務(wù)可劃分為9類，具體見表3。

參考商用網(wǎng)絡(luò)的4G業(yè)務(wù)特征，選取以下典型業(yè)務(wù)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源消耗分析，具體見表4。

不同的業(yè)務(wù)行為特征將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源需求的不同，通過計(jì)算各種業(yè)務(wù)對(duì)每種資源的消耗情況，就可以推導(dǎo)出相應(yīng)的資源瓶頸。

表3 移動(dòng)業(yè)務(wù)特征及歸類

表4 典型業(yè)務(wù)模型

（注：由于移動(dòng)用戶的行為特征，每種業(yè)務(wù)被使用的概率（業(yè)務(wù)滲透率）不同，綜合業(yè)務(wù)是按照表4中第二列的業(yè)務(wù)滲透率組合各種業(yè)務(wù)得到的模型數(shù)據(jù)。）

3.2 典型業(yè)務(wù)的資源消耗

根據(jù)表4的業(yè)務(wù)特征數(shù)據(jù)，結(jié)合第2節(jié)LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能力的分析結(jié)果，給出以下設(shè)定條件。

?? RRC空閑休眠定時(shí)器設(shè)置為10 s。

?? VoIP語音激活因子為0.5。

?? 每小區(qū)支持的最大RRC連接數(shù)為1 200。

?? 小區(qū)的尋址能力為600次/s。

?? PDCCH CCE 5%的資源開銷（用于尋呼）。

?? LTE網(wǎng)絡(luò)采用三級(jí)尋呼（基站、TA、TA列表），假設(shè)每個(gè)TA列表平均包含5個(gè)TA，每TA平均包含60個(gè)小區(qū)，三級(jí)尋呼成功率分別為80%、85%和90%（總成功率>99%）。

?? LTE系統(tǒng)帶寬20 MHz（業(yè)務(wù)可用RB數(shù)下行100個(gè)/ms，上行96個(gè)/ms）。

計(jì)算各種業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)資源消耗和占用，具體步驟如下。

步驟1 根據(jù)業(yè)務(wù)模型，假設(shè)一個(gè)固定的用戶數(shù)（如100），根據(jù)式（2）~式（9），計(jì)算每一種業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的占用情況，分別計(jì)算出上/下行PRB資源利用率、上/下行體驗(yàn)用戶占用率、PDCCH CCE占用率、PRACH占用率、尋呼負(fù)荷和RRC連接占用率：

上/下行體驗(yàn)用戶占用率=小區(qū)調(diào)度緩存用戶數(shù)/（小區(qū)平均吞吐量/業(yè)務(wù)） （2）

上/下行PRB資源利用率=用戶數(shù)×[每會(huì)話傳輸數(shù)據(jù)量/平均分組長(zhǎng)]×[平均分組長(zhǎng)/每PRB平均傳輸數(shù)據(jù)量]/（PRB總數(shù)） （3）

其中，每PRB平均傳輸數(shù)據(jù)量需要根據(jù)小區(qū)吞吐量和PRB總數(shù)得到，即小區(qū)吞吐量/PRB總數(shù)。

RRC連接利用率=用戶數(shù)×（每次會(huì)話數(shù)傳時(shí)間+RRC空閑定時(shí)器時(shí)長(zhǎng)）×?xí)挻螖?shù)/最大RRC連接數(shù) （4）

PDCCH CCE占用率=用戶數(shù)×（上行傳輸分組數(shù)量+下行傳輸分組數(shù)量）×3/（PDCCH CCE總數(shù)—開銷CCE數(shù)量（5%,用于尋呼）） （5）

PUCCH占用率=用戶數(shù)×上行傳輸數(shù)據(jù)分組數(shù)量/PUCCH信道容量 （6）

PRACH占有率=用戶數(shù)×呼叫次數(shù)/接入容量（7）

尋呼負(fù)荷=用戶數(shù)×被叫次數(shù)/小區(qū)尋呼容量（三級(jí)尋呼下） （8）

小區(qū)尋呼容量（三級(jí)尋呼下）=小區(qū)尋呼能力/3+（1-第一次尋呼成功率）×TA小區(qū)數(shù)+（1-第一次尋呼成功率）×（1-第二次尋呼成功率）×TA小區(qū)數(shù)×TA列表包含的TA數(shù)（9）

步驟2 不斷增加用戶數(shù)直到出現(xiàn)某個(gè)資源指標(biāo)達(dá)到100%，此時(shí)的用戶數(shù)為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)支持該類業(yè)務(wù)的最大用戶數(shù)。

步驟3 根據(jù)步驟2的用戶數(shù)，重復(fù)步驟1，計(jì)算得出上/下行PRB資源利用率、上/下行體驗(yàn)用戶占用率、PDCCH CCE占用率、PRACH占用率、尋呼負(fù)荷和RRC連接占用率，單一業(yè)務(wù)的LTE網(wǎng)絡(luò)資源消耗和綜合業(yè)務(wù)的LTE網(wǎng)絡(luò)資源消耗分別如圖1和圖2所示。

圖1和圖2所示為每種業(yè)務(wù)達(dá)到其最大容量對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的消耗和占用情況，具體的資源占用包括：上/下行PRB資源利用率、上/下行體驗(yàn)用戶占用率、PDCCH CCE占用率、PRACH占用率、尋呼負(fù)荷和RRC連接占用率。

其中，上/下行體驗(yàn)用戶占用率是一個(gè)與目標(biāo)體驗(yàn)速率以及小區(qū)吞吐量相關(guān)的指標(biāo)，在既定體驗(yàn)速率下，上/下行體驗(yàn)用戶占用率本質(zhì)上反映的是小區(qū)的上/下行吞吐量資源的占用。

?? 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，總結(jié)各種業(yè)務(wù)的資源消耗規(guī)律如下。

?? 網(wǎng)頁瀏覽、游戲和社交網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)消耗最多的是PDCCH CCE資源。

?? 視頻流、文件傳送業(yè)務(wù)消耗最多的是下行PRB資源和小區(qū)下行吞吐量資源。

?? 郵件業(yè)務(wù)消耗最多的是小區(qū)上行吞吐量資源。

?? VoIP業(yè)務(wù)消耗最多的是PDCCH CCE資源。

?? 即時(shí)消息（IM）類業(yè)務(wù)消耗最多的是尋呼資源。

?? 綜合業(yè)務(wù)情況下，消耗最多的是小區(qū)下行吞吐量資源和下行PRB資源。

3.3 資源瓶頸分析

基于第3.2節(jié)的資源消耗分析，步驟2計(jì)算出的用戶數(shù)為某個(gè)資源達(dá)到100%時(shí)的用戶數(shù)，即消耗最多的資源占用達(dá)到100%時(shí)的綜合業(yè)務(wù)和各種單一業(yè)務(wù)的容量能力（用戶數(shù)/h），結(jié)果如圖3所示。

對(duì)于單業(yè)務(wù)而言，視頻流和游戲類業(yè)務(wù)的容量最小，而根據(jù)第3.2節(jié)的資源消耗分析，這兩類業(yè)務(wù)消耗最多的資源是PDCCH CCE資源、下行PRB資源和小區(qū)下行吞吐量資源。在最終網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注在綜合業(yè)務(wù)情況下，網(wǎng)絡(luò)的用戶支持能力和資源消耗情況。在表4所示的綜合業(yè)務(wù)模型下，小區(qū)下行吞吐量和下行PRB資源受限決定了最終的用戶容量。

在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營優(yōu)化時(shí)，通常會(huì)把網(wǎng)絡(luò)資源分為用戶面和信令面分別進(jìn)行考察，根據(jù)圖1~圖3，不難得出以下兩條結(jié)論。

?? 對(duì)于用戶面而言，下行PRB利用率和下行體驗(yàn)用戶占用率是關(guān)鍵的瓶頸，應(yīng)作為重點(diǎn)考察指標(biāo)。

?? 對(duì)于信令面而言，PDCCH CCE資源是占用最多的資源，應(yīng)把PDCCH CCE占有率作為信令面的重點(diǎn)考察指標(biāo)。

4 結(jié)束語

本文基于LTE網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)能力，選取典型的業(yè)務(wù)模型，進(jìn)行了不同業(yè)務(wù)對(duì)各種LTE網(wǎng)絡(luò)資源的消耗和占用分析。通過分析得出，下行PRB資源、PDCCH CCE資源是LTE網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵資源，限制LTE網(wǎng)絡(luò)提供更多用戶服務(wù)的能力瓶頸在于下行PRB利用率、業(yè)務(wù)的目標(biāo)體驗(yàn)速率和小區(qū)下行吞吐量。在進(jìn)行LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)營優(yōu)化中，重點(diǎn)關(guān)注相應(yīng)的能力瓶頸指標(biāo)，并采取針對(duì)性的擴(kuò)容和優(yōu)化手段，可實(shí)現(xiàn)資源的有效投放，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力。

[1] 3GPP. Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); physical channels and modulation: TS36.211[S]. 2013.

[2] 3GPP. Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); physical layer procedures: TS36.213[S]. 2014.

[3] 3GPP. Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); measurements: TS36.314[S]. 2011.

[4] 3GPP. Feasibility study for evolved universal terrestrial radio access (UTRA) and universal terrestrial radio access network (UTRAN): TR25.912[S]. 2011.

Analysis of resource bottleneck in 4G network

WANG Yuezhen, YIN Ke, LIANG Jiansheng, CHEN Yu

Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China

The technical capability of LTE network was analyzed, which included cell throughput, channel capacity of PDCCH , PHICH and PUCCH, random access capacity, paging capacity and so on. Then, based on the technical ability, the consumption and occupancy of network resources such as PRB, PDCCH CCE, PUCCH, PRACH, paging, RRC connection were analyzed. Finally, the bottleneck resources which restrict the LTE network to provide more customer service were deduced, and the bottleneck index proposal which focuses on the construction and operation optimization was put forward.

LTE, technical capability, classic traffic model, resource consumption, resource bottleneck

TN929.53

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017131

2017?03?08；

2017?05?08

王月珍（1974?），女，中國電信股份有限公司廣州研究院高級(jí)工程師，主要從事移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和項(xiàng)目管理工作。

尹珂（1969?），男，中國電信股份有限公司廣州研究院高級(jí)工程師、移動(dòng)通信研究部技術(shù)總監(jiān)，主要從事廣東移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)高級(jí)技術(shù)支持、移動(dòng)通信技術(shù)研究等工作。

梁健生（1976?），男，中國電信股份有限公司廣州研究院工程師，主要從事LTE、NB-IoT、4G+等移動(dòng)通信新技術(shù)研究與試驗(yàn)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方面的研究工作。

陳宇（1988?），男，中國電信股份有限公司廣州研究院工程師，主要從事移動(dòng)通信相關(guān)工作。