基于用戶感知的3D MIMO擴容門限研究*

何振華

（中國移動通信集團湖南有限公司郴州分公司，湖南 郴州 423000）

0 引 言

Massive MIMO是5G的關鍵技術[1]，通過增加小區天線數形成類似雷達的天線陣，利用用戶信道間的空分特性提高系統總容量。3D MIMO（Three Dimension Multiple Input Multiple Output）是Pre5G技術，是Massive MIMO的初期形式，可以部署在LTE系統，天線規格支持128天線。根據實際使用效果，3D MIMO天線具有15 dB的波束賦形增益，能提升2～3倍頻譜效率，且可以降低小區干擾。

一方面，隨著用戶流量消費習慣養成，網絡流量需求增加，熱點小區吞吐量逐步提升；另一方面，用戶數據業務體驗要求越來越高。在同質化競爭中，要求運營商不斷改善用戶上下行業務體驗。在3D MIMO這種高價值場景，精準化貼近用戶感知的網絡擴容評估是當前亟待解決的問題。

1 擴容策略

LTE網絡擴容有基于用戶感知、網絡安全、行業內競爭和運營商效益的策略。擴容評估的參數涉及硬件性能、網絡擁塞、網絡流量、用戶激活數、用戶連接數以及傳輸能力等。目前，中國移動采用綜合資源利用率、吞吐量、RRC連接用戶數、業務類型等參數進行高負荷小區擴容決策。根據小區業務類型或E-RAB（E-UTRAN Radio Access Bearer）流量，將小區劃分為大包、中包和小包3類，而不同的小區分別選擇不同的擴容門限。實踐發現，起決定性作用的參數是PDSCH或PUSCH的資源利用率。資源利用率反映統計周期內PRB利用率的平均數，掩蓋了短時期業務資源不足導致的體驗差[2]。

文獻[3]提出根據單用戶保障速率計算小區容量需求的模型，因為用戶的業務類型、無線環境、用戶激活率不可知，導致該類策略出現“精確的錯誤”，引入誤差造成容量冗余較大。文獻[4]提出基于用戶體驗的網絡擴容策略，僅僅根據單用戶下載速率為基礎進行用戶體驗評估。用戶對網絡質差的厭惡感來自卡頓、掉線等現象，該策略無法模擬用戶真實的業務感知，導致主觀體驗與客觀評估標準之間不一致。

3D MIMO主要應用在流量熱點區域，如今尚未形成統一的擴容標準。3D MIMO的擴容策略如果過于寬松，將導致容量浪費；過于嚴格，則導致大量流量與收入的損失。本文根據實際無線環境和業務類型，探索用戶感知模型，并提出了一組3D MIMO擴容門限標準。

2 感知評價

隨著用戶數、資源負荷的增加，系統內干擾增加，繼而引發用戶接入時延變長、感知惡化（如圖1所示）。現階段3D MIMO主要應用在高流量價值的口碑區域，流量壓抑嚴重將影響品牌區域的用戶口碑。

圖1 用戶感知曲線

無線類業務豐富，不同類型業務對網絡性能要求不同。現階段3D MIMO主要承載數據業務，語音業務通過語數分層策略遷移到其他制式或頻段網絡。本文將移動數據業務劃分為即時通信類業務、瀏覽類業務和視頻類業務3個大類[5]。即時通信類業務以小包業務為主，主要包括微信、支付APP等業務，業務特性為單用戶流量需求小、突發性高、速率要求低、信令開銷大；瀏覽類業務以中包業務為主，包括網頁瀏覽、應用下載等業務，業務特性為單用戶流量需求較大、速率要求較高、信令開銷適中；視頻類業務以大包為主，包括各類APP視頻、網頁視頻、FTP下載等業務，業務特性為單用戶流量大、速率要求高、信令開銷適中。3類業務的感知評價和感知基線不同，其中用戶感知低于感知基線則認為網絡性能不能滿足用戶需求。

影響即時通信類業務感知主要是時延，本文通過時延評估該類業務感知，并設定時延2 s為感知基線。影響瀏覽類業務感知的主要是上傳下載速率和時延，本文通過上傳下載速率及時延評估該類業務感知，下行速率600 kb/s，上行速率300 kb/s，時延7 s為感知基線。用戶在觀看視頻或游戲時，如果出現卡頓、播放不流暢等現象，會使用戶在視頻體驗服務上感覺較差。本文選取了4個維度對視頻業務感知進行評估，并建立了決策樹評價模型，其評價函數為：

其中，W1=0.2，W2=0.2，W3=0.1；VQuality指視頻源質量得分（實驗中選用1 080 P視頻），VStallingFrequency指卡頓頻次得分，VLoading指初始緩沖時延得分，VStallingRecovery指卡頓恢復時長得分。

在視頻業務感知評估中，將感知劃分多個等級，根據感知等級進行評分，對應關系如表1所示，VMOS得分3為感知基線。

表1 視頻類業務感知評分

3 業務模型

實驗分別對視頻業務和混合業務進行測試，視頻用戶場景測試小區在全視頻業務下感知受限時小區容量，多業務混合場景測試小區在多業務按比例分布時感知受限時的小區容量。

現實無線網絡中，每個小區下接入的業務形式多種多樣，但各類業務分布呈現一定比例，不同類型場景用戶偏好存在較少差異（如高校場景，即時通信時長占比較居民場景高1%～2%）。根據某地市現網業務統計占比（如表2所示），混合業務中主要以瀏覽類、即時通信類和視頻類業務為主。參考現網業務時長占比和前文業務類型劃分，本次實驗設計3類4項業務：視頻類業務占比10%（其中視頻占比5%，FTP下載占比5%），瀏覽業務占比60%，即時通信業務占比30%。

表2 某地市不同類型業務占比

4 實驗設計

本次實驗3D MIMO站點為2.6 GHz頻段，帶寬20 MHz，上下行配比為3:1，特殊時隙DwPTS:GP:UpPTS配比為10:2:2。CFI采用動態分配，終端放置在加擾小區內發起上行業務，上行采用真實終端進行加擾，下行采用鄰小區OCNG（OFDM Channel Noise Generator）方式加擾10%。考慮到現網小區覆蓋場景包括近端區域、中心區域和邊緣區域，測試終端模擬按照無線環境好點（SINR＞20 dB且RSRP＞-90 dBm）、中點（0 dB＜=SINR＜=20 dB且-100 dBm＜=RSRP＜=-90 dBm）、差點（SINR＜0 dB且RSRP＜-100 dBm）進行3:4:3的模型配比，測試終端分布現場及測試現場如圖2所示。

圖2 測試終端分布及測試現場

即時通信業務利用Ping包方式代替，設置文字、圖片和語音Ping包大小分別為70 Byte、7 950 Byte和65 kB，包發送頻次比例分別為68%、20%、12%。視頻測試采用Video Test軟件進行計分，瀏覽和FTP下載業務感知測試工具為Smart Test，測試操作界面如圖3所示。測試過程中通過NetNumen監控小區級指標數據。

圖3 測試終端操作界面

5 實驗結果

在視頻業務場景測試時，當用戶按照實驗設計分布總數達到26個（好點8個、中點10個、差點8個），小區用戶再增加將達到視頻感知的基線（如圖4所示），容量達到門限值。分析PRB指標發現，PDSCH資源最先受限。當加載用戶數達到26個時，PDSCH資源利用率達80%以上，小區下行空分比例隨用戶數增長而上升。受限于PDSCH資源利用率和下行空分比例，在用戶數達到26個之后，用戶繼續增長時小區PDCP層吞吐量整體滯漲。

圖4 視頻類業務加載終端數及VMOS變化

在混合業務場景測試時，當加載總用戶數為120時FTP用戶最先感知受限，當加載總用戶數為160時視頻用戶感知明顯受限（如圖5所示），當加載總用戶數200時瀏覽業務感知受限。

圖5 混合業務加載終端總數及VMOS變化

根據測試結果認為，混合業務用戶按照測試模型分布，當好點、中點、差點用戶總數到160時，小區容量基本飽和，此時下行小區容量飽和達到70 Mb/s，上行容量達到8 Mb/s，如圖6所示。

PDSCH資源利用率高于PUSCH和PUCCH資源利用率且先受限，加載用戶數160時，PDSCH資源利用率達95%以上（如圖7所示）。小區下行空分比例主要與用戶空間隔離度和信道相關性有關，其隨用戶數增長而上升，實驗中最高達到65%。

圖6 混合業務加載終端總數及上下行容量變化

圖7 混合業務加載終端總數及資源利用率變化

6 擴容門限

此次3D MIMO實驗隨著加載用戶數的增加，業務感知受限。同時，考慮3D MIMO小區無線資源利用率出現突增或飽和，則判斷為擴容門限，輸出相應的用戶數、吞吐量和資源利用率門限。從視頻用戶數看，受益于空分功能，3D MIMO站點支持用戶數是8T8R宏站的2～3倍。3D MIMO單小區視頻業務擴容門限為激活用戶數26個，3D MIMO單小區混合業務擴容門限為160個激活用戶。3D MIMO小區吞吐量擴容門限為下行忙時吞吐量70 Mb/s，上行忙時吞吐量8 Mb/s。相同資源利用率，空分多流是提升容量的關鍵，空分后支持用戶數相比宏站更多。實驗中3D MIMO小區上行PUSCH RPB平均利用率超過60%，下行PDSCH資源平均利用率超過80%需考慮擴容。現網中如果連片同頻組網，干擾受限場景，資源平均利用率的擴容門限應該設置更低。

7 結 語

本文從業務類型、無線環境等多個角度模擬用戶行為，探討了基于感知擴容的原則和方法。后期將進一步探討上行及下行加擾對誤碼率、用戶感知和容量的影響。實驗用3D MIMO為TDD 20M頻段64通道，后期將繼續驗證其他制式的3D MIMO擴容門限。