趙春陽，張楹, 何川, 王蔚

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司上海分公司，上海 200060）

隨著移動運營商LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益增大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，用戶投訴多樣化，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析更深入、更貼合用戶實際行為已成為網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、優(yōu)化的工作重點。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及評估、處理方法及思路已無法滿足現(xiàn)實需求， 如何準(zhǔn)確地定位用戶網(wǎng)絡(luò)問題，發(fā)現(xiàn)覆蓋和容量的空洞，科學(xué)指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和建設(shè)，提高優(yōu)化人員的工作效率，成為了近期網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的熱點問題。

當(dāng)前擺在運營商面前的首要問題是快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋缺陷，有效提升網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量。目前網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評估主要手段是通過路測數(shù)據(jù)和后臺KPI統(tǒng)計進(jìn)行衡量的，路測數(shù)據(jù)主要是在道路上進(jìn)行抽樣，并非用戶真實所處的無線環(huán)境，無法真實還原在網(wǎng)用戶覆蓋體驗。而傳統(tǒng)KPI統(tǒng)計，由于缺少無線環(huán)境指標(biāo)，且不能區(qū)分用戶，因此也無法真實體現(xiàn)用戶感知。

所以對用戶終端進(jìn)行定位在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的重要性逐漸體現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化定位需要使用的技術(shù)屬于移動終端定位技術(shù)的一種。移動終端定位技術(shù)可以根據(jù)依靠的網(wǎng)絡(luò)分為3大類：衛(wèi)星定位、WLAN定位、基于移動網(wǎng)絡(luò)的定位等。衛(wèi)星定位適用于室外場景，WLAN 定位適用于室內(nèi)場景。這兩類方法的定位主體為終端自身，對終端實現(xiàn)復(fù)雜度和成本有一定的要求，定位的準(zhǔn)確度和精度較高，應(yīng)用比較成熟，如導(dǎo)航、自動駕駛、美食等生活信息搜索、地圖、打車等?；谝苿泳W(wǎng)絡(luò)的定位方法對于室外和室內(nèi)場景均適用，而且隨著移動網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，此定位方法的適用場景和范圍也越來越豐富。基于移動網(wǎng)絡(luò)的定位方法同樣可以基于終端實現(xiàn)，但是需要對終端進(jìn)行改造。此外，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)通信過程中獲取的終端信息進(jìn)行自行定位，這類方法不需要終端改造，可利用現(xiàn)有資源，更經(jīng)濟(jì)、可行性更高。網(wǎng)絡(luò)管理、評估和優(yōu)化需要使用的就是這類定位技術(shù)。

本文將主要研究基于移動網(wǎng)絡(luò)MRO 數(shù)據(jù)定位算法及其在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的初步應(yīng)用。

1 定位原理

MR測量是TD-LTE系統(tǒng)的一項重要功能。物理層上報的測量結(jié)果可以用于系統(tǒng)中無線資源控制子層完成諸如小區(qū)選擇/重選及切換等事件的觸發(fā)，也可以用于系統(tǒng)操作維護(hù)，觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)具有測量所規(guī)定測量報告數(shù)據(jù)的能力。測量方式采用周期測量時，可在測量任務(wù)定制時對上報周期進(jìn)行配置。對一個測量，報告觸發(fā)方式可以是事件觸發(fā)或周期性觸發(fā)。如果是周期性觸發(fā)，需要配置上報周期；如果是事件觸發(fā)，則利用網(wǎng)絡(luò)已開啟的事件測量，不需另外開啟測量。

目前主要運營商已經(jīng)開啟周期性測量功能，并由網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）對測量報告（MR）進(jìn)行定期收集。周期性測量數(shù)據(jù)存放在MRO（代表測量報告樣本數(shù)據(jù)文件）文件中，MRO數(shù)據(jù)量大，信息齊全，是網(wǎng)絡(luò)評估和優(yōu)化的首選數(shù)據(jù)。目前MRO數(shù)據(jù)中可以用于定位的信息有：時間提前量TA數(shù)據(jù)和eNode B天線到達(dá)角AOA數(shù)據(jù)。

（1）TA 數(shù)據(jù)：TA 是由eNode B測量并下發(fā)給終端，用于調(diào)整終端在主小區(qū)PUCCH/PUSCH/SRS上行發(fā)送時間的值。目前eNode B的計算方法為：在隨機(jī)接入過程中，測量接收到的導(dǎo)頻信號來確定TA，取值范圍為（0， 1， 2，…， 282)×16 Ts；隨后，eNode B測量對應(yīng)終端的上行傳輸信號來確定TA調(diào)整值，調(diào)整值的范圍為（0， 1， 2，…， 63)×16 Ts。最新的 TA 值為上次記錄的TA值和本次調(diào)整值之和。MRO數(shù)據(jù)中TA的上報值與實際距離的換算關(guān)系如下：

UE與服務(wù)基站的距離=1/2×TA×16 Ts×c

其中Ts=1/(15 000×2 048) s，即一個TA相當(dāng)于78.125 m的距離。因此采用TA值計算距離的算法精度為78 m。如果需要提高精度，需要配合其它數(shù)據(jù)一起使用，或者是修改規(guī)范，提高eNode B上報TA值的精度。

（2）AoA數(shù)據(jù)：AoA為用戶相對正北方向逆時針方向的估計角度。AoA的取值范圍是0°～360°，精度為5°。MRO中的AoA值的誤差主要有以下幾方面：

邊緣效應(yīng)：均勻線陣（ULA）天線自身擁有賦形不均勻性和柵瓣現(xiàn)象（或者大副瓣等），這些現(xiàn)象在扇區(qū)邊緣區(qū)域比較明顯，稱為邊緣效應(yīng)。邊緣效應(yīng)可能使得處于扇區(qū)邊緣區(qū)域的用戶的AoA估計不準(zhǔn)確，甚至估計到相反的一個方向。

天線數(shù)目少，分辨精度低：中國移動目前使用的天線多為八通道雙極化智能天線，能夠分辨的來波方向精度只有15°左右。因此天然地?zé)o法對用戶進(jìn)行精確定位。未來5G推行大規(guī)模陣列MIMO以后，AoA的精度將會大幅度提升。

多徑產(chǎn)生的誤差：在多徑反射的場景下，MRO中估計的AoA值只能是多徑中的最強(qiáng)徑。

在TD-LTE系統(tǒng)中，由于使用了智能天線，因而有用戶的到達(dá)角（AoA）的測量上報，使得TA+AoA這種方式的定位成為可能。

由于以上MRO測量數(shù)據(jù)本身的給用戶定位造成的誤差，所以本算法受限于MR數(shù)據(jù)定位本身的精度誤差，在此基礎(chǔ)上提供一種基于MRO數(shù)據(jù)的終端用戶采樣點定位算法。

2 算法設(shè)計

針對一線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工程師來說， MR數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析報告里面，已經(jīng)有了TA+AoA的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以用來幫助判斷小區(qū)級別的覆蓋情況， 但是這種數(shù)據(jù)的分析太過于寬泛，很難直觀的分析用戶所在的具體位置，缺少了用戶采樣點在地理位置上的分布，因為MR測量報告的周期在測量報告收集時間內(nèi)是固定的， 所以測量報告的上報數(shù)量與業(yè)務(wù)的密度高度關(guān)聯(lián)，可以近似的認(rèn)為測量報告上報密集點區(qū)域是高業(yè)務(wù)密度區(qū)域的分布，同時如果對上報電平較低的采樣點進(jìn)行專題的地圖顯示，則可以輔助網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員定位到弱覆蓋的具體區(qū)域。

所以根據(jù)MR數(shù)據(jù)生成測量報告采樣點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，成為算法研究的關(guān)鍵內(nèi)容。

2.1 經(jīng)緯度計算

因為基站的經(jīng)緯度作為運營商是已知信息，因此可以根據(jù)該經(jīng)緯的數(shù)據(jù)進(jìn)行移動用戶的定位拓展應(yīng)用。由于用戶采樣點距離基站的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地球周長，這是可考慮基站覆蓋平面為水平面，而非球體。以下以用戶位置在相對基站在第一象限的采樣點為例，對用戶采樣點相對基站的經(jīng)度差和緯度差進(jìn)行運算。

為TA相對地球赤道周長距離微乎其微，可考慮TA×sin (AoA)、TA×cos (AoA)為圓弧形，用它們分別除以地球所在緯度周長、地球赤道周長，然后換算成角度便可獲取用戶采樣點相對于基站的經(jīng)度差和緯度差。

圖1 用戶定位經(jīng)緯度計算原理

通過圖1可知：

經(jīng)度差= [TA×sin (AoA)]/基站所在位置地球緯度周長/360°。

緯度差= [TA×cos (AoA)]/地球赤道周長/360°。注：這里考慮赤道周長＝子午線周長。

另外通過詳細(xì)嚴(yán)謹(jǐn)推算，其它3個象限經(jīng)度差、緯度差也等于上述公式。

2.2 基站所在位置緯度計算

眾所周知，地球赤道周長約為40 076 km，子午線和赤道周長相差無幾，約等于40 009 km，本次計算時統(tǒng)一使用地球赤道周長作為標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)R=地球半徑，圖2可展示如何計算基站所在位置的地球緯度周長。

考慮地球表面為規(guī)則的球形，根據(jù)以上圖例和幾何數(shù)學(xué)公式，可知基站所在緯度地球周長/[2×R×cos (基站緯度)]=赤道周長/(2×R) =π。即基站所在緯度地球周長=赤道周長×cos (基站緯度)。

圖2 基站所在位置地球緯度周長的計算（地球縱切面）

考慮地球表面為規(guī)則的球形，根據(jù)以上圖例和幾何數(shù)學(xué)公式，可知：

基站所在緯度地球周長/[2×R×cos (基站緯度)］ =赤道周長/(2×R) =π

即基站所在緯度地球周長=赤道周長×cos (基站緯度)

2.3 算法展示

根據(jù)某運營商數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)無線操作維護(hù)中心（OMC-R）測量報告技術(shù)要求，TA和AoA在測量范圍和精度如表1和表2所示。

表1 TA上報數(shù)據(jù)與測量區(qū)間的分布

表2 AoA上報數(shù)據(jù)與測量區(qū)間的分布

采樣點上報角度為AoA1，而實際上AoA1并非實際上用戶所在位置相對基站所成角度，而是除以2要再減去采樣點所占用小區(qū)天線方位角，即：AoA=(AoA1/2)-天線方向角+360°。在此基礎(chǔ)上，MRO原始樣本中TA和AoA對應(yīng)的參數(shù)是一個范圍區(qū)間，不是一個固定的數(shù)值，這里可以取區(qū)間的中間值，計算基站經(jīng)緯度如下：

用戶采樣點經(jīng)度=基站經(jīng)度+ [TA中值×sin(AoA)]/(基站所在位置地球緯度周長/360°) (1)

用戶采樣點緯度=基站緯度+ [TA中值×cos (AoA)]/(地球赤道周長/360°) (2)

對某個小區(qū)的MRO采樣點按照以上公式進(jìn)行計算，映射到mapinfo圖層上，如圖3所示。

圖3 某小區(qū)的MRO中值算法采樣點分布

通過在地圖上打點，可以發(fā)現(xiàn)，該算法可以根據(jù)MR采樣點的數(shù)據(jù)信息自動生成采樣點的經(jīng)緯度信息，實現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)的模擬定位；同時我們發(fā)現(xiàn)采用中值方法后由于TA、AoA數(shù)據(jù)的不連續(xù)分布，所以存在著多個采樣集中在一個點上無法區(qū)分的問題，最終導(dǎo)致無法通過地圖分布分析，確認(rèn)業(yè)務(wù)量的空間分布情況，所以有必要對該算法進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

2.4 算法探討

由于多個采樣點在某一個經(jīng)緯度上重疊數(shù)較多，在做業(yè)務(wù)量地理位置分析上，很難區(qū)分采樣點的業(yè)務(wù)密度分布情況分析，所以在不改變MR定位算法精度的前提下，可以考慮對采樣點在測量報告技術(shù)要求的范圍內(nèi)對測量報告中的角度、距離在邊界內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)化，利用RAND函數(shù)對采樣點在角度、距離邊界內(nèi)分別進(jìn)行隨機(jī)化，得到以下優(yōu)化后的計算公式：

用戶采樣點經(jīng)度=基站經(jīng)度+[(TA+TA間隔×隨機(jī)函數(shù))×sin(AoA+AoA間隔×隨機(jī)函數(shù))]/(基站所在位置地球緯度周長/360°) (3)

用戶采樣點緯度=基站緯度+[(TA+TA間隔×隨機(jī)函數(shù))×cos(AoA+AoA間隔×隨機(jī)函數(shù))]/(地球赤道周長/360°) (4)

通過圖3與圖4的對比發(fā)現(xiàn)，引入隨機(jī)函數(shù)后，采樣點分布在技術(shù)要求的范圍區(qū)域內(nèi)，采樣點重疊的概率得到了有效的降低，可以實現(xiàn)在地理位置上的分布分析，可以用來做業(yè)務(wù)量密度的進(jìn)一步分析。

圖4 某小區(qū)優(yōu)化算法后的MRO采樣點隨機(jī)化分布

圖5 某小區(qū)MRO定位隨機(jī)化采樣點分布與掃頻數(shù)據(jù)對比圖

2.5 算法小結(jié)

該算法的核心價值就是根據(jù)小區(qū)經(jīng)緯度及MR數(shù)據(jù)的相關(guān)信息實現(xiàn)了MR采樣點的經(jīng)緯度的自動生成，該算法可以模擬生成用戶的定位信息，定位數(shù)據(jù)的進(jìn)一步應(yīng)用可以幫助網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的定位分析，把網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的精度從小區(qū)級別提升到地理位置的細(xì)化級別要求。

由于TA、AoA是區(qū)間值，不是一個具體的固定值，該算法定位的精度受限于TA、AoA數(shù)據(jù)的精度，同時算法中采用中值的函數(shù)和隨機(jī)的函數(shù)不存在那個算法優(yōu)越的問題，只是在做不同應(yīng)用時可以采用不同的函數(shù)用來幫助我們更好的匹配分析的目標(biāo)。

3 算法初步應(yīng)用

下面運用MRO定位技術(shù)對典型問題某小區(qū)的用戶區(qū)域進(jìn)行定位分析，如表3所示。

表3 小區(qū)基礎(chǔ)工參信息

通過提取小區(qū)的MRO及掃頻相關(guān)數(shù)據(jù)，得到如圖5所示分析數(shù)據(jù)。

MRO數(shù)據(jù)和小區(qū)掃頻維數(shù)據(jù)顯示主要覆蓋800 m范圍內(nèi)，主要方向為30°/100°/200°方向，二者在分析小區(qū)覆蓋的方向和范圍上基本一致。

從圖6可以看出，在小區(qū)主方向MRO采樣點分布較少，而在基站東北、正東、西南方向有較多分布?，F(xiàn)場查勘小區(qū)主打方向為空地，并無建筑阻擋。從用戶集中的角度分析，該小區(qū)的MRO采樣點分布主要是在用戶集中區(qū)域，靠近主打方向340°最近的東北用戶集中區(qū)域MRO采樣點分布最多。由此說明MRO采樣點的定位技術(shù)較為準(zhǔn)確， MRO采樣點基本分布在用戶集中區(qū)域，主打為空地屬于用戶稀少區(qū)域，采樣點相對較少。

圖6 小區(qū)MRO定位采樣點分布與無線環(huán)境的匹配度對比

由此判斷小區(qū)主打方向為非用戶集中區(qū)，本小區(qū)不僅僅信號穿過空曠區(qū)域造成遠(yuǎn)點路面的重疊覆蓋問題，而且由于近點20°方向的用戶集中分布區(qū)域由本小區(qū)的旁瓣信號覆蓋，同時造成了近點用戶集中區(qū)域的弱覆蓋問題。

4 結(jié)論

結(jié)合以上具體的案例分析可以發(fā)現(xiàn)，該算法實現(xiàn)了MRO采樣點的經(jīng)緯度生成，可以用來模擬用戶的定位信息。定位算法可以采用中值函數(shù)算法和隨機(jī)函數(shù)算法，可以供技術(shù)人員根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)去自行選擇。

同時MRO定位功能的作用不止于此，采樣點隨機(jī)化后可以反映區(qū)域用戶的多少，可以協(xié)助網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員根據(jù)不同區(qū)域分場景實施不同的優(yōu)化策略。該算法的核心價值就是根據(jù)小區(qū)經(jīng)緯度及MR數(shù)據(jù)的相關(guān)信息實現(xiàn)MR采樣點的經(jīng)緯度的自動生成。

目前MRO采樣點的定位技術(shù)也有一定的局限性，比如對處于天線背向覆蓋的用戶不能準(zhǔn)確判斷位置，還有區(qū)域分析時需要采用大量的MRO樣本，處理的時間較長。但是相信隨著大規(guī)模陣列智能天線以后在LTE網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用，MRO定位方法會更加準(zhǔn)確。另外隨著服務(wù)器處理計算能力的提高，對MRO數(shù)據(jù)進(jìn)行大量分析處理也不是太大的難題，相信MRO采樣點的定位技術(shù)在以后的LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中會得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。