基于業務感知和區域價值的4G網絡容量規劃研究

李通,李坤江（中國移動通信集團公司，北京 100032）

基于業務感知和區域價值的4G網絡容量規劃研究

李通,李坤江
（中國移動通信集團公司，北京 100032）

摘 要本文針對話音與數據業務的對比，分析4G網絡僅僅考慮PRB利用率作為網絡擴容方案的局限性，繼而從真實用戶感知入手，制訂分類業務小區的感知評估方案，同時考慮4G網絡的整體性，提出基于簇的網絡容量規劃方法滿足價值區域容量需求的研究思路。

關鍵詞容量規劃；PRB利用率；業務感知；簇

1　概述

1.14G網絡數據業務特征分析

4G網絡相比傳統2G/3G網絡，具有“高速率、低時延、容量大、全IP”等優勢。隨著4G商用的快速發展，4G網絡承載將出現數量更多，內容更加豐富的綜合型數據業務應用。由于智能手機的快速普及、用戶更加習慣使用4G網絡提供的高清圖片、高清視頻等多媒體應用服務，但是，多樣化的數據業務對4G網絡也提出了更高的體驗要求。相比2G/3G話音為主的網絡，4G承載更為復雜多樣的業務類型，單從PRB利用率的角度考慮擴容方案已經不能滿足用戶感知要求。

1.24G網絡擴容方案影響因素分析

由于4G時代數據業務模型的多樣性和差異性，“PRB利用率”這個單一指標，無法全面的表征4G網絡負荷水平，不能夠客觀反映網絡的忙閑程度，不能夠直接反映網絡的擁塞和呼損情況，也不能夠真實反映業務感知。除了PRB利用率指標外，控制信道利用率，連接用戶數，用戶實際感知速率滿足度（如網頁/視頻時延、視頻清晰度/流暢度等）都是影響擴容方案的因素。比如，從理論分析，物理層的調度資源TTI、控制信道資源CCE、業務信道資源PRB由于調制方式、在用戶數較多時，都可能成為無線資源短板；同時，在不同的業務模型下，物理資源消耗又不相同，以小分組類業務為例，主要消耗上行PRB、CCE、TTI資源，而大分組業務主要消耗下行PRB、TTI資源。

同時，從無線組網角度分析，網絡是一個整體性，單個小區還受制于周圍的網絡結構、干擾、用戶及容量影響。所以，容量不僅基于小區的微觀考慮，還要兼顧宏觀整體網絡的范疇分析。

1.3主要問題及目標

通過以上分析，影響4G擴容因素復雜，單一指標很難衡量真實用戶感知，只有根據現網業務模型，綜合考慮RRC連接數、小區吞吐量以及PRB信道利用率等因素，才能建立起更加科學的基于小區級的擴容標準體系。同時，考慮網絡的整體性，基于簇的網絡容量規劃

方案更能保證用戶的感知需求。以4G用戶感知為基礎，建立基于簇的網絡容量規劃方案需從以下方面入手：

針對不同業務，好的用戶體驗評估標準是什么；

根據不同業務的評估標準，如何制定混合業務的小區擴容門限；

如何以簇為單位，進行網絡容量規劃方案。

2　基于用戶感知、以簇為單位的網絡容量規劃體系研究

2.1用戶感知評估標準

據調查，視頻和網頁瀏覽兩大業務在發達市場占據80%以上的數據流量，而業務的等待時間是人機交互中，用戶體驗的最關鍵指標。

圖1為影響因素調查統計，其中，視頻業務影響用戶體驗的最關鍵因素之一是“初始緩沖時間”，即用戶點擊播放按鈕到第一幀畫面出現所需的時間； 網頁業務影響用戶體驗的最關鍵因素是“加載時間”，是指用戶輸入網址到網頁完全顯示所需的時間。

圖1　影響因素調查統計

視線追蹤技術是人因工程學在人機交互、視覺體驗研究領域中一項重要應用，其采用瞳孔-角膜反射方法，攝像機的位置固定、屏幕（光源）的位置固定、眼球中心位置不變（見圖2所示），普爾欽斑（眼球角膜上的一個亮光點，進入瞳孔的光線在角膜外表面上反射而產生的亮點）的絕對位置不隨眼球的轉動而變化，但其相對于瞳孔的位置則是在不斷變化的，只要實時定位瞳孔和普爾欽斑的位置，計算出角膜反射向量，便能利用眼球成像及幾何模型，計算得到用戶的視線方向。

圖2　實驗原理

從用戶觸發業務一直到業務開始響應，這期間的等待時間成為用戶體驗的最關鍵因素。通過大量的實驗研究來探明用戶耐心等待的時間：讓實驗者點擊視頻播放等待觀看，從點擊播放按鈕開始計時，用攝像機記錄實驗者的眼動狀態（眼球轉動和瞳孔大小變化），根據視覺行為學和生物心理學原理，分析眼動數據得到實驗者能夠保持耐心等待業務響應的時間。

根據視覺行為學和生物心理學的原理，建立眼動和人的心理及行為對應模型，根據被測試者眼動軌跡的變化確認人的等待極限。分析結果表明：2 s之內，95%以上的實驗者保持良好的注意力，3 s之后注意力開始分散；當等待時間超過5 s，70%的實驗者能保持良好的注意力；當等待時間超過9 s，僅剩下20%的實驗者能保持良好的注意力。

2.2基于小區級擴容門限研究

2.2.1 視頻業務

作為典型的大分組數據業務，以視頻為例，視頻播放分為3個階段：初始緩沖階段、視頻播放階段、結束階段。如圖3所示，對感知影響最大的是初始緩沖階段的首屏顯示時延和視頻播放階段的卡頓頻率。

初始緩沖階段：總時延主要取決于RTT時延和交互次數，RTT時延主要和網絡結構相關，如果服務

器在本地，RTT時延在70 ms左右。交互次數主要和OTT服務器和視頻格式相關，一般為8～10次。視頻按照良好用戶體驗的標準，需要3 s內完成業務緩沖，那么空口視頻緩沖時間在2 s左右。根據視頻格式的不同，視頻播放需要8 s左右的初始緩沖，以720 p為例，視頻碼率為1.5 Mbit/s，因此，初始緩沖階段需要在2 s時間內完成12 Mbit/s數據量的緩沖。綜上，720 p視頻緩沖階段需要6 Mbit/s速率完成視頻緩沖。

圖3　視頻流程

視頻播放階段：空口速率=片源碼率×1.2=1.8 Mbit/s。結束階段3～5 s，不需要消耗網絡資源。按照初始緩沖階段時長占比10%，播放階段時長占比80%，結束階段占比10%計算，720 p視頻播放所需帶寬為2.1 Mbit/s。結合不同清晰度視頻的占比及高清視頻占比不斷提升的趨勢，為了保證視頻業務3s感知體驗，視頻綜合保障速率在3 Mbit/s以上。

現網測試結論：要保障720 P視頻的3 s初始緩沖時延感知，空口速率需要達到5.9 Mbit/s。

2.2.2 網頁瀏覽業務

作為典型的小分組數據業務，Web頁面越大帶寬對Web頁面顯示時延的提升越重要，而帶寬越低帶寬的增加對體驗提升越明顯。從圖4測試分析，可以看出帶寬小于2 Mbit/s時，帶寬的增加對Web體驗提升比較明顯，帶寬大于2.5 Mbit/s之后影響開始變小，對于小于2 MB且嵌入對象個數小于70的頁面來說，當帶寬大于3.5 Mbit/s之后，帶寬對Web體驗的影響基本在100 ms以內。經研究分析，要保障好的感知要求，無線空口速率要求達到2.5 Mbit/s。

圖4　網頁業務帶寬需求測試

測試條件：RTT=67 ms下，上行帶寬不受限，下行帶寬有100 kbit/s逐步遞增至5 000 kbit/s。

2.2.3 VoLTE業務帶寬需求分析

由于當前現網VoLTE業務很低，沒有現網業務模型，杭州試驗網測試表明，單小區可以最大可接入280 個RRC用戶，暫取網絡能力50%為擴容門限，即140 個RRC用戶，待后續基于現網業務模型進一步研究。

2.2.4 現網實際的業務帶寬需求分析

取現網平均e-RAB流量小于0.3 MB作為小分組類業務小區，大于1 MB作為大分組類業務小區，從現網分別獲取大分組業務和小分組業務集中的樣本進行分析。圖5為大小分組業務現網統計結果。

圖5　大小分組業務現網統計結果

綜上，以小分組業務為主的場景，20 MHz載波可以承載約40個有效RRC連接數，PRB利用率40%左右，之后隨著RRC用戶的增加，PRB利用率并沒有明顯上升趨勢，反映出用戶感知受到了壓制；以大分組業務為主的場景，從現網數據看并未達到容量上限，網絡利用率隨有效RRC連接數上升，對應的PRB利用率可以達到60%。

2.3基于簇的網絡容量規劃方法研究

4G網絡流量呈現高度集中的特點，高價值區域，流量集中，明星終端集中，高價值用戶集中，因此，資源精準投放，優先保障價值區域的卓越網絡體驗就顯得格外重要，高價值區域“簇”需要提供更好的感知。另外，一個簇內基站的負荷相對均衡，小區間的覆蓋和容量具有互補性，這對按簇分場景確立感知標準、確立擴容標準、實施連片擴容提供了條件。圖6為按簇劃分的基站流量分布。

圖6　按簇劃分的基站流量分布

2.4按簇進行規劃的必要性

由于相鄰站點在業務模型上有極強的相似性，單純對單個小區進行調整，往往不能達到系統整體性能提升的目標。在實際的網絡優化工作中，一般需要將覆蓋連續、話務、質量相關的若干個基站組成簇，利用簇內基站在覆蓋和容量上的互補性，施行簇優化，開通一片，優化一片，有利于保證工程進度和網絡質量。

2.5按簇進行規劃的整體思路

如圖7所示，一般將簇的規模控制在標準蜂窩結構

中幾層基站（3層約19個基站）之內，具體到實際的網絡需要根據無線傳播環境、站點分布、業務需求和前期發現的網絡問題等進行基站簇的劃分。

圖7　簇規劃整體思路

News美國Verizon宣布5G網絡明年試用2017年商用

9月7日，美國移動運營商Verizon無線公司宣布，將從明年開始試用5G網絡，2017年在美國部分城市全面商用。

Verizon介紹說，5G網絡下，手機上網速度將比4G快五十倍。通訊延遲將減少到10 ms。另外，5G網絡也可以支持更多的上網和通信設備，尤其是支持各種內置上網裝置的物聯網和智能家居產品。

Verizon表示，該公司目前已經在馬薩諸塞州的Waltham，以及加州舊金山的公司實驗室中試驗5G網絡。未來，該公司將會邀請大批移動通信設備制造商，研發相關的5G技術，其中包括阿爾卡特朗訊、三星電子、高通、諾基亞、愛立信、思科等。

（摘自：騰訊科技 作者：晨曦）

3　總結

以用戶感知為基礎，就是要從用戶對數據業務的真實感知出發，通過等待時延與空口之間的速率匹配關系，確立關鍵的制約因素，從而科學分析出用戶數、流量和PRB利用率3者之間的關系，精準指導小區的擴容門限。

而建立基于簇的網絡容量規劃方案，就是從網絡整體性出發，對網絡容量的變化進行科學分析預測，從而提升整個網絡資源使用效率，預防容量爆發對用戶感知影響的風險。

Research on 4G network capacity planning based on service perception and value region

LI Tong, LI Kun-jiang
(China Mobile Group Co., Ltd., Beijing 100032, China)

AbstractIn this paper, the contrast of voice and data services, the 4G network is considered as the limitation of network expansion scheme, and then the perception evaluation scheme of classifi ed business district is formulated by using real user perception, and the 4G network is considered as a whole, and the capacity planning method based on cluster is put forward.

Keywordscapacity planning； PRB utilization ratio； service perception； cluster

收稿日期：2015-08-25

中圖分類號TN929.5

文獻標識碼A

文章編號1008-5599（2015）09-0011-05