基于試驗設計（DOE）方法的無線網絡參數設置

彭江龍

（中國移動通信集團山東有限公司青島分公司, 青島 266071）

1 試驗設計

試驗設計(Design Of Experiment, DOE)是以概率論與數理統計為理論基礎、合理安排試驗的一種方法論,它研究如何制定試驗方案，以提高試驗效率，縮小隨機誤差的影響，它可以高效而經濟地獲取數據信息、科學地分析處理、得出正確的結論。試驗設計的基本思想，是減少偶然性因素的影響，使試驗數據有一個合適的數學模型，以便使用方差分析的方法對數據進行分析。試驗設計在質量控制的整個過程中扮演了非常重要的角色，它是提高產品質量，改善工藝流程的重要保證。試驗設計已廣泛運用于從航天業到一般生產制造業的產品質量改善、工藝流程優化，甚至已運用到醫學界。試驗設計通過改變一個過程的輸入因素，觀察其相應的輸出響應的變化，確定哪些自變量(X)對因變量(Y)的影響最大，量化自變量(X)對因變量(Y)的影響，從而最終達到優化過程的目的。任何問題都可以看作一個過程，因此試驗設計的方法在過程優化中有廣泛的應用,無線網絡優化也不例外。

正交表是進行部分實施法最方便的一種工具，按正交表安排并進行分析的試驗稱為正交試驗。如圖1所示，對于3因子2水平的試驗通常需要8次試驗才能夠獲得所有數據的試驗結果，而采用正交試驗法，通過4次試驗(綠色點代表)就可以分析驗證各種因素的影響，效率提高一倍。

圖1 3因子2水平的全因子試驗通和正交試驗比較

2 動態功率控制原理

無線蜂窩網絡中，一個連接中基站BTS和手機MS的輸出功率能夠被動態按需控制,分別被稱為下行和上行動態功率控制。以下行功率控制方案為例，它是BTS根據一個期望的信號強度值和信號質量由BSC來控制其輸出功率。BTS功率控制的主要原因是：如果不管MS是否接近基站，所有BTS總是以最大輸出功率發射信號，那么網絡將會出現較大的干擾電平，當網絡所有的基站都采用動態功率控制調節基站的輸出功率時，整個網絡總的輸出功率將會減少。這意味著下行鏈路信道同頻和鄰頻干擾將會降低。功率控制運算的效果會從下行信號C/I大幅度提升方面表現出來，C/I值的提高也使BTS的實際覆蓋區域增大。這些連接不會受輸出功率變化所影響，但它們的干擾電平會減小，質量反而會有所提升。同時，動態功率控制也為我們提供了降低基站能耗的有利條件。同樣道理，手機在保持鏈路通話質量的前提下盡可能地控制MS的發射功率,從而達到降低全網上行干擾的目的，從整體上會提高上行信號的質量，改善用戶感受和網絡性能，良好的功率控制對網絡的質量至關重要。

以下行功率控制為例，動態功率控制在TCH和SDCCH上進行。功率控制的周期最小單位是一個SACCH周期（480ms），基站能夠在每個時隙上改變其輸出功率。輸出功率的改變每步2dB。最大的變化范圍為30dB。

路徑損耗（L）在這里被定義為BTS的發射功率(BTSTXPWR)與移動臺接收信號強度之間的差值。在一定的時間間隙內路徑損耗被直接進行平均計算。

功率控制值的計算分成兩步進行，第一步計算出一個不受限制的功率控制值。然后在功率控制值被最后（由BSC）送往BTS之前對這個功率控制值進行加限制。限制包括每步的限制和BTS功率控制范圍的限制。不加限制的功率控制值pu由下列公式表示：

pu = (1－α)BTSTXPWR＋α(SSDESDL＋L)－β(Q_AVE_dB－QDESDL_dB)

BSC根據計算所得與BTS實際的輸出功率比較，進行約束。

主要控制參數如下：

SSDESDL：定義期望的手機接收基站信號強度的目標值。在沒有質量補償的情況中，SSDESDL是在調節區域外的信號強度期望值。這個參數在每個小區中都要設置。

QDESDL：定義由MS中接收機測量到的期望質量電平值。它在RxQual單元中被測量，在應用于運算前被轉化為dB單位。這個參數每個小區都要設置。

LCOMPDL：這個參數決定將要補償的路徑損耗是多少。

QCOMPDL：這個參數決定將要補償的質量因數。

BSPWRMIN：在非BCCH載波的BTS最小允許的功率電平。這個參數是實際輸出功率的約束條件。

相似的原理，手機上行功率控制的功率輸出指令由以下幾個參數決定：

dpu=LCOMPUL/100×(SSCOMP-SSDES)-QCOMPUL/100×4/10×(Q_AVE-QDESUL)

由上面的功率控制算法可以看到功率控制受多種因素影響，由多個參數共同控制，同時參數的取值范圍又十分寬，比較復雜，良好的功率控制不但有助于降低干擾，提升網絡質量和覆蓋，同時還可以降低基站能耗。由于青島有各種復雜的無線環境，包括密集城區、山區和沿海覆蓋，不同區域需要采用不同的參數組合，采用常規方法調整耗時耗力，本文分別用兩個實例說明，采用試驗設計（DOE）指導動態功率控制參數調整的方式，如何找到提升網絡質量和節省基站能耗的功率控制最優參數組合。

3 優化上行功率控制降低掉話

在青島GSM網絡系統優化過程中，通過數據驗證上行干擾水平對掉話有顯著影響，除了外部干擾以外，系統的自身干擾也是導致掉話的重要原因，因此我們在密集城區進行了上行動態功率控制參數設置的研究。

如前所述，上行功率控制的參數主要包括LCOMPUL、SSDES、QCOMPUL、QDESUL。由于以上各參數在動態功控中相互作用，需要通過反復試驗得到優選的參數組合；常規方法試驗次數多，我們用試驗設計（DOE）的方法來確定，通過最少的試驗次數找到主要的影響因素和最佳的參數組合。

3.1 試驗設計

根據功率控制公式，確定上行功率控制參數4個因子進行2水平的試驗設計，用MINITAB軟件設計試驗,選擇4因子和分辨率IV的試驗。水平設置參考廠商推薦設置和優化經驗設置來確定，將各參數水平選擇如下：SSDES(90 80),LCOMPUL(20,70),QDESUL(30,0),QCOMPUL(60,30)。

對于4個因子、2水平的IV試驗設計，需要運行8次試驗，為全因子試驗次數的一半，用MINITAB軟件對試驗的參數排列進行設計，根據設計好的試驗參數水平進行相應試驗，得到系統掉話率結果輸入到軟件，如圖2所示。

3.2 試驗設計結果分析

用MINITAB軟件分析試驗結果：

通過分析可以看到，DOE對多種可控的因子同時進行評估，檢查每個因子是否是關鍵因素，因子之間的交互作用，以及各因子對結果的影響程度和方向，如圖3所示。通過分析，上行功率控制參數中SSDES的設置對系統掉話有顯著影響，為了降低掉話率，根據各因子的作用關系和影響方向，我們選擇如下的參數設置：

圖2 上行功控參數DOE試驗結果

SSDES=90；LCOMPUL=70；QDESUL=30；QCOMPUL=30

可以看到這組參數沒有出現在試驗中。

圖3 上行功控試驗結果分析

3.3 參數設置效果分析

我們將修改參數前后的掉話率數據進行比較，調整參數后的指標有明顯的改善，月平均掉話率由調整前的1.15%下降到0.78%。

4 優化下行功率控制降低基站能耗

通過對青島沿海和山區基站的MRR測量和話務統計進行分析，發現山區和沿海基站的特點：基站密度小、站距大、覆蓋遠（沿海覆蓋站尤其明顯）、話音質量普遍較好（一般C/I>15），數據業務比例很小，在采取常用功率相關參數調整來降低能耗后，還可以進一步通過下行功率控制來降低基站能耗，同時提升系統性能。

4.1 下行功率控DOE分析

圖4 山區和沿海基站下行功控試驗結果分析

根據MRR的信號強度分布、路徑損耗分布和話音質量分布，我們確定下行功率控制4個參數高低2水平，設定如下：SSDESDL(75 92), QDESDL(30 10),LCOMPDL(70 10), QCOMPDL(50 10)。

和上行功控類似，下行功率控制主要由4個參數控制，同樣選擇4個因子、2水平的IV試驗設計，需要運行8次試驗，用MINITAB軟件對試驗的參數排列進行設計，根據設計好的參數水平進行相應試驗。試驗結果如圖4所示。

4.2 下行功率控制參數設置效果分析

從上面的分析可以看到，SSDESDL對基站功率的影響比較明顯，為主要因素，沿海覆蓋與山區基站的情況基本一致。因此可以說，SSDESDL設置越低，即手機期望接收的電平越低，基站發射功率越小，基站的能耗也越小。通過對基站實際電量的測量，我們發現當SSDESDL設置為92，與75相比，基站平均能耗節約8.5%。參數優化前后不同參數組合基站發射功率分布、功控效果對比如圖5所示。

通過DOE方法我們獲得SSDESDL設置是影響基站能耗的關鍵因素后，需要考慮SSDESDL設置是否會影響業務質量和用戶感受，因為從統計上看，SSDESDL設置偏低時（<-90dB），整體指標變化不大，但雙向弱信號的掉話原因比例有所上升。因此還需要進一步試驗，找到網絡性能和節能的最佳平衡點。總體上，山區和沿海信號質量較好，因此功率控制的質量參數設為固定值20，由此我們設置了表1的4組參數進行試驗。

表1 下行功控參數試驗設置

由于試驗次數較少，可以直接進行對比分析，每組分別對3個山區和沿海BSC進行設置，日平均指標如表2所示。

圖5 下行功控效果對比

表2 試驗統計指標結果

總體來說，山區和沿海場景下行動態功率控制對指標的影響不十分明顯。從表2的統計指標結果分析，第三組指標較好，功率控制深度較大，指標基本保持穩定，網絡質量和覆蓋沒有受到影響，對相應基站進行該組參數設定，通過1個月的觀察，投訴沒有明顯變化。通過抄表分析，采用新參數平均耗電量節約7.5%左右。考慮到DTX、跳頻、BCCH優先占用等特性的使用，通過優化參數設置獲得的基站主設備能耗節省可以超過10%。

5 結束語

在實施DOE方法的過程當中，我們發現DOE方法比較適用于復雜組合參數的調整，同時還需要避免由于業務和用戶行為周期變化對試驗結果的影響。因子水平需要根據實際情況選擇，盡量保證水平差異，應盡量保持外部條件基本穩定的情況下進行試驗，如果有突發情況導致試驗結果偏離，需要剔除并重新進行試驗，保證數據的準確性和一致性。

[1] Radio Network Parameters & Cell Design Data for Ericsson's GSM Systems,R8[Z]. 2002.

[2] GSM Advanced System Technique, Ericsson Radio Systems AB[Z]. 2002.

[3] Keki R, Bhote, Adi K. Bhote. 世界級質量管理工具DOE (第二版)[M]. 北京：中國人民大學出版社, 2004.