基于校園LTE網絡容量和感知優化的探究

李戰　劉建明

【摘 要】

以XX學院FDD網絡為例，通過對其用戶行為和網絡負荷的分析，提出了針對校園LTE FDD系統容量分析、監控及感知優化的解決建議，為網絡資源容量的擴容提供數據依據，保障校園LTE網絡高質、高效的運行。

【關鍵詞】

LTE 資源容量 空口負荷 感知速率 擴容

1 概述

1.1 背景

校園擁有龐大且特點相對集中的客戶群，是大量話務的源頭之一，校園網市場是移動通信網絡發展的戰略性市場。學生群體追求時尚，品牌歸屬感強，是未來高端客戶的潛在群體。搶占校園網市場，對于正在大力發展4G的運營商來說，具有不可估量的戰略意義。運營商在校園網市場的競爭異常激烈。在中國移動TD-LTE網絡提前領跑的現實情況下，中國電信則需要建設和優化好自己的校園LTE網絡，發揮LTE FDD的性能優勢，以高感知度發揮后發優勢搶占校園市場。要實現以上目標，一張運行穩定、高性能的精品LTE網絡是基礎。

1.2 LTE校園網特點

發展校園網市場，首先要對校園網本身以及校園用戶群的特點有足夠的認識。校園網用戶群的主要特點如下：

◆用戶多，業務量大，高并發；

◆以小數據包、多連接、高時長業務為主，如即時社交軟件（QQ、微信、貼吧等）、在線手游、新聞小說閱讀等；

◆在時間和空間上業務分布非常集中，存在明顯的“潮汐”效應。

以主要承載業務類型為依據可將基站小區分為：小包小區、中包小區、大包小區，本文將以此為切入點，分析和探索校園網絡的優化方案。

2 校園LTE話務模型分析

本章對校園網用戶話務模型進行分析，為后續分析提供相關的數據參考和支撐。

2.1 校園網話務模型

校園網話務模型如圖1所示：

圖1 校園網話務模型

XX學院的LTE網絡模型如表1所示。

2.2 校園網有效傳輸比

有效傳輸比指在線用戶中傳輸數據的比例，反映實際占用業務PRB（Physical Resource Block，物理層數據傳輸的資源分配的頻域最小單位）資源的用戶情況，有效傳輸比越大則用戶業務越多，占用的業務資源越多，大包業務的有效傳輸比高于小包業務。

有效傳輸比=激活用戶數/RRC連接數 （1）

隨著小區承載業務越多，用戶速率降低，激活用戶數增多，但業務間等待時間不變，有效傳輸比提升。

◆“小包小區”的有效傳輸比在容量門限內表現平穩，在容量門限內約為4%；

◆“大包小區”的有效傳輸比隨著用戶數增加而持續提升，在容量門限內約為11%；

◆“中包小區”的有效傳輸比隨著用戶數增加而持續提升，在容量門限內約為7%。

2.3 校園網用戶均峰比

用戶均峰比反映平均RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）用戶數與最大RRC用戶數的比例，隨著用戶數的增長，均峰比提升。用戶均峰比可以近似反映用戶激活比，用戶均峰比越大，則用戶激活比越大。

◆對于“小包小區”，用戶均峰比在用戶數提升后，最終達到約為70%；

◆對于“大包小區”，用戶均峰比在用戶數提升后，最終達到約為80%；

◆對于“中包小區”，用戶均峰比在用戶數提升后，最終達到約為80%。

3 校園LTE網絡容量分析

校園LTE網絡容量分析的目的是評估網絡當前的負荷程度，判斷網絡容量是否存在受限因素，并提供相應的優化及擴容方案。在具體分析層面上，分為空口資源、設備資源、傳輸資源等幾大部分，本章主要分析空口資源。

空口硬資源評估是對空口各種物理資源利用率的評估，包括PRB、PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行鏈路控制信道）、PRACH（Physical Random Access Channel，物理隨機接入信道）、PUCCH（Physical Uplink Control CHannel，物理上行鏈路控制信道）、空口尋呼資源、RRC用戶數License等。

空口用戶感知評估主要分析用戶感知速率，與業務體驗的要求相比較，判斷網絡容量是否滿足業務體驗的要求，以此來評估LTE網絡容量是否受限。空口用戶感知確定的LTE容量是軟容量。

3.1 基于用戶感知的LTE網絡容量分析

用戶感知是衡量網絡性能好壞的重要標準，所有的優化工作都是以用戶感知提升為目標，所以在網絡容量分析時，用戶感知是重要的參考因素。本章以現網實際數據為依據，對用戶感知和網絡容量之間的關系進行分析討論。

（1）“小包小區”的容量分析

“小包小區”的用戶感知速率和平均用戶數關系如圖2所示。

分析“小包小區”的用戶感知速率與平均用戶數的變化關系可知，在小區內的平均用戶數低于102時，用戶感知速率基本保持在2.7Mbps左右，雖然用戶可以從小區獲得的最大速率遠高于此，但感知速率并不會提升。說明在這些“小包小區”中，小包業務需要的感知速率在2.7Mbps左右。

小區內的平均用戶數大于102時，用戶感知速率開始下降，由此導致用戶等待的時間變長，同時用戶從小區可獲得的最大速率也會急劇下降，說明此時用戶體驗已經開始受到影響。

綜上分析，“小包小區”保障用戶感知的用戶數門限為：小區內的平均用戶數≤102。

分析“小包小區”的PRB占用率與平均用戶數的變化關系可知，小包業務小區PRB占用率都比較低，達到平均用戶數門限時，下行PRB占用率約為30%。

分析“小包小區”的流量與平均用戶數的變化關系可知，小包業務小區的流量相對較低，達到平均用戶數門限時，小區的下行流量約為2.5GB，上行流量約為0.22GB。

（2）“大包小區”的容量分析

“大包小區”用戶感知速率和平均用戶數關系如圖3所示。

分析“大包小區”的用戶感知速率與平均用戶數的變化關系可知，大包業務的感知速率是隨用戶數的增長而下降的，說明對于大包業務，負荷低時它可以感知到更高的速率，隨著用戶可獲取的最大速率下降，大包業務感知速率也下降，這與小包小區的特征是不一樣的。

結合平均用戶數與用戶感知速率的關系，考慮大包業務感知速率要求為5Mbps，“大包小區”保障用戶感知的用戶數門限為：小區內的平均用戶數≤53。

分析“大包小區”的PRB占用率與平均用戶數的變化關系可知，大包業務小區PRB占用率都比較高，達到平均用戶數門限時，下行PRB占用率約為60%。

分析“大包小區”的流量與平均用戶數的變化關系可知，大包業務小區的流量相對較高，達到平均用戶數門限時，小區的下行流量約為6.8GB，上行流量約為0.5GB。

（3）“中包小區”的容量分析

“中包小區”用戶感知速率和平均用戶數關系如圖4所示。

分析“中包小區”的用戶感知速率與平均用戶數的關系可知，中包業務的感知速率是隨用戶數的增長而下降的，但它的速率低于大包業務。

對于“中包小區”，考慮業務體驗要求取大包業務和小包業務之間速率約3.8Mbps，“中包小區”保障用戶感知的用戶數門限為：小區內的平均用戶數≤64。

分析“中包小區”的PRB占用率與平均用戶數的關系可知，中包業務小區達到平均用戶數門限時，下行PRB占用率約為45%。

分析“中包小區”的流量與平均用戶數的關系可知，大包業務小區的流量相對較高，達到平均用戶數門限時，小區的下行流量約為3.8GB，上行流量約為0.42GB。

（4）小結

通過對用戶感知和網絡負荷相互關系的分析，可以得出如下結論：為保障用戶感知不受明顯的影響，各業務特性小區需滿足表2的條件（即保障用戶感知的小區擴容標準）：

表2 保障用戶感知的小區擴容標準

小區分類 容量監控指標

（小時級話統指標） 判斷標準

小包小區（平均每E-RAB流量≤300kB） 小區內的平均用戶數 102

PRB占用率/% 30

中包小區（300<平均每E-RAB流量<1000kB） 小區內的平均用戶數 64

PRB占用率/% 45

大包小區（平均每E-RAB流量≥1000kB） 小區內的平均用戶數 53

PRB占用率/% 60

相關指標說明如表3所示（E-RAB（Evolved Radio Access Bearer，演進的無線接入承載）；PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數據匯聚協議））。

平均每E-RAB流量=小區PDCP層所發送的下行數據的總吞吐量/8/1024/E-RAB建立成功總次數 （2）

下行PRB占用率=下行PRB被使用的平均個數/

下行可用的PRB個數 （3）

上行PRB占用率=上行PRB被使用的平均個數/

上行可用的PRB個數 （4）

表3 相關指標說明

指標ID 指標名稱 指標描述

1526727378 L.Traffic.User.Avg 小區內的平均用戶數

1526728261 L.Thrp.bits.DL 小區PDCP層所發送的下行數據的總吞吐量（比特）

1526726740 L.ChMeas.PRB.DL.Used.Avg 下行PRB被使用的平均個數

1526728433 L.ChMeas.PRB.DL.Avail 下行可用的PRB個數

1526726737 L.ChMeas.PRB.UL.Used.Avg 上行PRB被使用的平均個數

1526728434 L.ChMeas.PRB.UL.Avail 上行可用的PRB個數

1526727544 L.E-RAB.SuccEst E-RAB建立成功總次數

3.2 基于空口信道資源負荷的容量分析

空口資源受限會導致網絡性能急劇下降、KPI（Key Performance Indicator，關鍵績效指標法）嚴重惡化，此時無法保證用戶接入的最低要求，用戶感知更是無從談起。鑒于此，對空口信道資源負荷進行關注顯得尤為重要。

（1）RRC連接許可用戶數使用率

“eNodeB（Evolved Node B基站）內的最大用戶數”統計了接入（包括接入成功、接入失敗、切換入成功、切換入失敗但已申請到License）該eNodeB的所有UE申請License的最大值，該指標作為是否需要擴容用戶數License的決策依據。當eNodeB內的最大用戶數超過License數目時，新用戶接入將會失敗，影響用戶體驗。

根據優化實踐經驗，建議“RRC連接許可用戶數使用率”達到70%時，即要密切關注其變化趨勢，并做擴容準備。

RRC連接許可用戶數使用率=eNodeB內的最大用戶數/RRC連接許可用戶License數×100% （5）

RRC連接許可用戶License數取小區配置值。

（2）平均PDCCH信道占用率

PDCCH承載的是DCI（Downlink Control Information，下行鏈路控制信息），包含一個或多個UE（User Equipment，用戶設備）上的資源分配和其他的控制信息。UE需要首先解調PDCCH中的DCI（Downlink Control Information，下行控制信息），然后才能夠在相應的資源位置上解調屬于UE自己的PDSCH（Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道）（包括廣播消息、尋呼、UE的數據等）。因此如果PDCCH占用率受限，將導致用戶接入、業務體驗都會受到影響。

建議“平均PDCCH（Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道）信道占用率”達到70%時，即要密切關注其變化趨勢，并做擴容準備（CCE（Control Channel Element，控制信道因子））。

平均PDCCH信道占用率=（公共信令使用的CCE個數+上行調度使用的CCE個數+下行調度使用的CCE個數）/小區最大CCE個數×100% （6）

（3）平均小區尋呼信道占用率

小區尋呼負荷一旦超過規格，尋呼消息就可能被丟棄，導致尋呼成功率下降，進而影響用戶使用感知。

當“平均小區尋呼信道占用率”達到50%時，即要密切關注其變化趨勢，達到70%可能出現尋呼消息被丟棄的情況，此時需要擴容。

平均小區尋呼信道占用率=小區Uu接口尋呼用戶個數/3600/尋呼容量 （7）

尋呼容量按1200計算。

（4）平均PRACH信道占用率

UE通過上行PRACH來達到與LTE系統之間的上行接入和同步。隨機接入過程分為基于競爭的隨機接入和基于非競爭的隨機接入。如果競爭接入次數超過N次/s（當帶寬為15M/20M時，N取值為100；當帶寬為5M/10M時，N取值為50），UE發起隨機接入遇到沖突的概率增大，接入時延增大。這里N的選擇是產品在Preamble（序文）設計時考慮碰撞概率小于1%等因素確定的。

建議“平均PRACH信道占用率”達到50%時，即要密切關注其變化趨勢，達到70%則需要擴容。

平均PRACH信道占用率=（忙時競爭Preamble接收次數（Group A）+忙時競爭Preamble接收次數（Group B））/3600/N×100% （8）

N=100，帶寬為15M/20M；或N=50，帶寬為5M/10M。

（5）平均PUCCH信道占用率

PUCCH資源指空口可分配的SRI（Scheduling Request Indication，調度請求指示）和CQI（Channel Quality Information，信道質量信息）資源的調度用戶數及其使用的資源數，以及動態ACK資源數。PUCCH容量受限，首先將導致準入控制和切換失敗，小區調度用戶數受限，同時影響小區和用戶吞吐率以及用戶上行調度時延。

小區RRC連接用戶中只有維持上行同步的用戶是需要使用PUCCH資源的，以此類用戶數和PUCCH資源支持的最大用戶數的比例來作為評估PUCCH資源利用情況的依據。

建議“平均小區尋呼信道占用率”達到70%時即要密切關注其變化趨勢，并做擴容準備。

PUCCH資源利用率=小區內上行平均同步用戶數/PUCCH用戶容量×100% （9）

PUCCH用戶容量按1200計算。

（6）小結

LTE空口信道容量受限后，會產生相應的業務和信令擁塞，PRB信道資源主要是感知受限，已包含在基于用戶感知的容量監控中，本章主要監控的是與控制面相關的信道資源。通過以上分析得知，空口信道資源負荷需要監控的指標及擴容標準如表4所示：

表4 空口信道資源負荷監控指標及擴容標準

容量監控指標 判斷標準

RRC連接許可用戶數使用率 >70%

平均PDCCH信道占用率 >70%（5分鐘話統推薦，

小時統計推薦50%）

平均小區尋呼信道占用率 >70%（5分鐘話統推薦，

小時統計推薦50%）

平均PRACH信道占用率 >70%（5分鐘話統推薦，

小時統計推薦50%）

平均PUCCH信道占用率 >70%（5分鐘話統推薦，

小時統計推薦50%）

4 XX學院網絡容量評估

上文探討了用戶感知與網絡負荷之間的關系，提出了保障用戶感知的網絡容量監控與擴容標準，本章以XX學院為例，對其現網負荷進行評估分析，并提出優化解決方案。

4.1 當前容量評估

從“感知受限”和“空口資源受限”兩個方面對XX學院的負荷進行評估。

（1）感知受限

統計一周小區級話統指標（7×24小時），根據各小區所屬的不同業務特征類型（如小、中、大包小區，根據小區每E-RAB流量確定），使用對應的評估門限標準進行判斷：

小包小區用戶數門限≥103且上行或下行PRB占用率>30%；

中包小區用戶數門限≥64且上行或下行PRB利用率>45%；

中包小區用戶數門限≥53且上行或下行PRB利用率>60%。

一周內任一時段（小時）各小區符合上述任一條件的記業務受限一次，并進行累加。

（2）空口資源受限

統計一周小區級空口負荷指標（7×24小時），使用對應的門限標準進行判斷（1小時話統）：

RRC連接許可用戶數使用率>70%；平均PDCCH信道占用率>50%；平均小區尋呼信道占用率>50%；平均PRACH信道占用率>50%；平均PUCCH信道占用率>50%。

一周內任一時段（小時）各小區符合上述任一條件的記相應指標受限一次，并進行累加；任一時段以上任一指標受限，則表明小區空口資源受限。

（3）評估結果

根據以上原則評估分析可知，當前有8個小區存在感知和空口資源都受限的問題，需要盡快實施擴容。

表5中8個小區一周內業務受限3次，空口資源受限10次以上，需要考慮實施擴容。

4.2 2016年容量預測

2016年容量預測：預計該校園用戶將增加一倍，每個用戶的流量增加1.5倍，在用戶使用時長及連接次數不變的情況下，根據第2章話務模型對資源的影響分析，小區容量受限情況為：47個小區將容量受限，共需要增加127個15MHz的小區，有些小區需要配置多個頻點。

5 結束語

隨著校園LTE用戶的飛速增長，網絡負荷突增、用戶感知逐漸下降，LTE FDD網絡原有的高速度、高感知優勢已大打折扣，校園LTE網絡的容量、感知優化已經迫在眉睫。但由于缺乏統一、準確的負荷評估標準，校園LTE網絡擴容、優化工作無法有效落地執行。本文以XX學院為例，提出了校園LTE網絡的容量分析、監控、感知優化解決方案，為校園LTE網絡容量和感知優化指明了方向，具有一定的參考意義。

參考文獻：

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