LTE多頻多載波復雜組網下的業務均衡優化方法淺析*

田上力，鄭 翰

（中國移動通信集團浙江有限公司溫州分公司，浙江 溫州 325000）

0 引 言

自從2013年中國移動開始建設4G(LTE)網絡以來，隨著業務的迅猛發展，LTE網絡承受的負荷壓力越來越大。為解決LTE網絡的覆蓋和容量壓力，經過多年建設，中國移動逐步形成了多制式多頻段混合組網的復雜網絡結構。然而，這種由FDD900FDD1800F頻段D頻段E頻段A頻段組成的兩種制式、六種頻段、十余種載波的復雜組網架構很容易造成共站或者相鄰站點載波之間的負荷難以均衡，而不均衡狀態極易導致載波過忙或者過閑，從而影響用戶感知和投資收益。因此，有必要對本地LTE多頻段多載波復雜組網模式下的負荷不均衡情況進行分析，并給出相應的解決方案，從而使得載波間的業務負荷盡量趨于平衡。

1 多頻多載波復雜組網下載波間不均衡情況分析

為了較準確地評估多頻段載波之間的業務均衡狀況，采用省內通用的方式對負荷不均衡做出以下定義：

（1）定義共扇區的概念：任意選定一個小區，依據經緯度計算，小區之間的距離在50 m以內、小區之間的天線方向角相差20°以內的相鄰小區，均視為同一個共扇區。

（2）共扇區內至少存在一個高負荷小區，其中高負荷小區是指該小區忙時PRB利用率＞50%。

（3）共扇區內任意一對載波之間的自忙時下行PRB利用率差值＞20%。

按照上述定義，對本地LTE網絡的不均衡狀況進行了統計，發現3月份負荷不均衡情況比較嚴重。3月日均不均衡扇區占比高達24.28%，單日不均衡占比最高達28.63%（如圖1所示），月度不均衡扇區占比嚴重程度在全省排名第二（如圖2所示）。

圖1 負載不均衡扇區比例

對此情況進一步進行分析，發現主要與以下幾個因素有關。

圖2 各地區負荷不均衡扇區比例

1.1 多頻多載波混合組網導致網絡結構特別復雜

中國移動4G網絡包括FDD900（1個載波、帶寬10 MHz×2）、FDD1800（1個載波、帶寬20 MHz×2）、F頻段（2個載波、帶寬30 MHz）、A頻段（1個載波、帶寬15 MHz）、D頻段（3個載波、帶寬60 MHz）、E頻段（3個載波、帶寬50 MHz），共計6個頻段、11個載波。另外，從基站設備形態來看，既有2T2R、8T8R等普通宏站設備，也有64T64R的3DMIMO AAU設備，既有傳統室分設備,也有Lampsite、Pico基站等新型室分設備。此外，還有Book RRU、Easy、Macro等小微站設備。在組網策略上，形成了以FDD900為托底覆蓋層、F頻段為主覆蓋層、FDD1800和D頻段作為主要容量層、F2和A頻段作為補充容量層的基本網絡架構。由于存在FDD和TDD兩種制式，且不同層級網絡的目標定位各不相同，因此，在互操作參數策略上作相應的設定顯得極有必要。比如，一般覆蓋層載波的接入優先級較低，容量層載波的接入優先級較高等。此外，在載波的頻率差異、基站發射機的功率能力差別和各類終端支持頻段帶寬的能力不同等多種因素的共同作用下，必然會帶來不同載波在信號覆蓋能力和業務吸收能力上的較大差異，最終可能出現PRB利用率的顯著差別和負荷分布的嚴重不平衡。比如，FDD900和F頻段在信號覆蓋能力上就存在很大的差別，對此進行了共站對比測試，測試結果如圖3、圖4和圖5所示。

在測試路線與站點之間無障礙物阻擋。在F頻段信號斷連之前（0～1350 m）的路段，濱海新區起步區北_129（F頻段載波）的平均RSRP（接收電平）為-100.48 dBm，濱海新區起步區北NB-IoT_132（FDD900載波）的平均RSRP為-92.44 dBm，比F頻段強8.04 dBm。也就是說在空闊的場景下，FDD900M相對F頻段平均電平高8.04 dB，覆蓋距離增加70.69%。

圖3 F頻段載波拉遠測試結果

圖4 FDD900載波拉遠測試結果

圖5 FDD900載波和F頻段載波拉遠對比測試RSRP打點

1.2 共扇區內載波配置越多，不均衡概率越大

本地網共計11個載波，其中宏站有8個載波。因此，共扇區內最大可能配置的載波數是8個。從圖6可以看出，共扇區內載波數量越多，其扇區內出現不均衡的概率越大。比如，扇區內載波數為2的不均衡概率為11.9%。而載波數超過4的時候，扇區內出現不均衡的概率將激增至42.0%。如果載波數超過7個，則不均衡概率將超過80%。可見，不均衡扇區出現的概率和扇區內載波配置數量幾乎呈線性增長關系。

圖6 扇區內不同載波配置出現的不均衡概率

1.3 共扇區內不同載波工參差異越大，出現不均衡的概率越大

在實際的均衡優化過程中發現，部分載波間的負載均衡通過互操作參數和MLB參數均無法達到預期結果，有理由懷疑這些載波之間存在固有的覆蓋差異。針對這些疑難問題扇區，通過小區的天線掛高、方向角、下傾角等工參計算其理論覆蓋范圍，然后依據理論計算的結果選擇存在載波間覆蓋范圍差異較大的扇區，到現場進行覆蓋一致性核查。通過核查實際的天線掛高、下傾角、方位角以及信號阻擋情況，再反過來驗證計算方法的有效性。

基于天線掛高和下傾角計算的覆蓋距離L的計算公式為：

其中L是覆蓋距離，H是天線掛高，φ是天線下傾角。

通過計算發現：在共扇區內最大載波覆蓋距離和最小載波覆蓋距離比在1.5以上的載波間不均衡概率顯著增加；比值在4.5以上時，不均衡概率甚至增加至31.9%，如表1所示。

2 多頻段載波間不均衡解決方案研究

2.1 厘清并制定多頻多載波組網互操作參數基準策略是負載均衡優化的前提

LTE網絡的總體負荷均衡水平首先決定于特定的互操作參數策略，負載均衡優化不能脫離特定的互操作策略而獨立存在。因此有必要厘清本地網絡中各種載波的層級定位，并在此基礎上研究并制定基于不同頻段載波的覆蓋能力和頻譜帶寬資源等因素而形成的互操作參數策略。比如，FDD900M覆蓋能力強，但頻譜帶寬只有10 MHz×2；FDD1800覆蓋能力比FDD900M弱，但可以實現20 MHz×2組網；F頻段和D頻段的覆蓋能力進一步下降，但D頻段擁有更多的頻率資源。因此，必須將多頻網絡的互操作參數策略進行合理設計，否則很可能出現覆蓋層載波過載而容量層載波不能承載較多業務的問題，反之亦然。對此，依據FDD900作為托底覆蓋層，以F1作主覆蓋層、F2AFDD1800D作容量層的目標定位，制定了相應的互操作策略模板。這是后續進行負荷均衡優化的基本前提。

表1 不同覆蓋距離比對應的不均衡概率

（1）宏站間切換基準策略如圖7所示。

（2）重選策略重新梳理如表2所示。

圖7 多頻多載波間切換參數策略

表2 重選優先級和參數門限

2.2 載波間功率拉齊

隨著網絡負荷的增加，RRU功率需要進行均衡分配，確保小區擴容后多層小區覆蓋范圍一致。因此，需要在日常優化過程中進行一定的功率預留，防止功率再分配后原小區覆蓋降低[1]。更進一步，同頻段載波擴容后要進行功率拉齊，也就是在同一頻段內、不同載波之間設置相同的發射功率。中國移動D頻段共60 MHz帶寬內劃分了3個載波，分別是D1D2D3載波。E頻段共50 MHz帶寬，也劃分了3個載波，分別是E1E2E3載波。由于同頻段內不同載波頻率接近，并使用同一臺RRU或者AAU設備工作，因此只要在基站側配置相同的發射功率，那么理論上其覆蓋能力是基本一致的。所以，只要載波間的互操作策略相同，基本上就能夠保持較好的負荷均衡。

通過梳理共完成1 504個扇區、4 281個載波進行功率拉齊操作。功率對齊后，扇區內最忙載波和最閑載波間的PRB利用率改善至20%之內的有787個，占比52.33%，效果較好，如圖8所示。此外，發射功率拉齊也為后續進一步的負荷均衡操作奠定了基礎。

圖8 功率拉齊后復雜均衡改善結果

2.3 通過制定MLB參數組策略進行負荷均衡

LTE系統內移動性負載均衡（Mobility Load Balancing，MLB）是指eNodeB通過切換或重選實現負載在高負載小區向系統內低負載小區的重新分配，以提高資源利用效率，保證業務的QoS水平[2]。通過MLB功能能夠實現在載波之間基于負荷觸發的業務定向轉移，從而讓承載于高負荷小區上的用戶通過空閑態的重選和連接態的切換實施向低負荷小區的定向業務遷移。它是在互操作參數策略之上的一種附加的業務轉移功能，能夠在一定程度上實現互操作難以實現的均衡效果。雖然基于MLB的業務均衡更具有針對性，但也更具有強制性，因此風險更大。

具體來看，負荷均衡功能有空閑態預均衡、基于PRB的負荷均衡和基于用戶數的負荷均衡3種方式[3]。按照本地網實際情況，針對3種觸發方式，經過多次試點，最終確定了較為合理的MLB參數組基線策略，如表3所示。

2.4 通過工參調整改善負荷均衡

本次天饋調整選取了28個嚴重不均衡且理論計算覆蓋范圍差異大的扇區進行現場勘察，其中確認是方向角、傾角以及掛高等工參引起的覆蓋差異占53.57%，如圖9所示。

圖9 不均衡扇區數量

針對這28個不均衡扇區給出優化方案，其中通過天饋調整15個，需天面整改3個，剩余10個由于美化罩無法調整或現場查勘工參無異常等問題，后期還需結合功率配置、鄰區設置以及MLB參數等作進一步分析。在實施完成15個天饋調整方案后，14個不均衡問題有所改善，12個不均衡問題已解決，問題解決率為80%，效果較明顯，如表4所示。

表3 MLB基線參數設置

表4 天饋調整后負載均衡改善效果

續表4

以下是一個天饋調整后負荷均衡達到預期的案例。9月29日查勘發現浦西樟榕路機房F天線在第一平臺，FDD1800在第二平臺。其中F是美化集束天線，方位角、傾角無法調整，F和FDD1800之間的方位角差異20°，傾角差異10°，天線掛高和傾角差異導致F和FDD1800長期不均衡。現將FDD1800小區方位角調整至50°，機械傾角從15°調整至8°，觀察9月29日至10月2日的性能數據發現其載波間的負荷已趨于均衡。本案例天饋調整記錄如表5所示，基站天饋現場情況如圖10所示。

圖10 浦西樟榕路機房基站天饋調整案例

天饋調整后，兩個載波間的負載均衡情況得到了顯著改善，天饋調整前后忙時PRB利用率變化情況如表6所示。

2.5 開發負載均衡自動優化平臺

總結、歸納日常不均衡問題處理知識和經驗，模擬專家決策過程，針對全網不均衡問題扇區，輸出優化措施，并直接生成優化工單，極大地減少了人力開支。

表6 浦西樟榕路機房基站天饋工參調整前后PRB利用率對比/（%）

按“前端+后臺+數據層”的架構（如圖11所示）搭建負載均衡優化平臺，前端提供前端交互和結果呈現輸出功能，可完成白名單、參數配置以及輸出工單（如圖12所示）；后臺服務器實現數據提取、優化方案生成和工單輸出；數據層按需從OMC網管數據庫和資管數據庫中爬取參數優化所需原始數據，如基站業務數據、基站配置數據、基站經緯度、天線參數。

圖11 負載均衡優化平臺架構

平臺算法流程如下：

（1）輪詢計算輸出全網共覆蓋扇區組；

（2）根據省公司規則自動識別不均衡問題扇區組；

（3）雙向鄰區關系核查以及增補工單生成；

（4）同頻段內小區功率核查以及拉平工單生成；

（5）MLB（負載均衡）參數集核查以及優化工單生成；

（6）互操作參數集核查以及優化工單生成；

（7）點對點切換鄰區參數（CIO）精細優化；

（8）按規范格式輸出優化工單。

在第（5）、（6）、（7）步驟計算MLB參數和互操作參數（A2、A4、A5、CIO等）時，采用PID控制算法中的比例控制算法，即：

其中，M為算法輸出的調整步長（dB），e為對象小區當前PRB利用率與目標PRB利用率的差值，K為比例系數（基于日常優化經驗整定）。比例控制算法可以大大提升目標小區PRB利用率的收斂速度，減少迭代優化次數，從“小步快跑”轉變為“大小步并跑”。

3 負荷均衡優化效果

本次優化厘清并實施了多頻段載波之間互操作參數策略，完成了同頻段內載波之間的發射功率拉齊，開啟了負荷不均衡載波之間的MLB均衡模式，開展了基站天饋結構優化，并通過開發負載均衡自動優化平臺實現了負載均衡的自動化操作。到2019年11月份，本地網的不均衡情況大為改善：11月日均不均衡扇區個數減少至2300個，不均衡扇區占比降至17.56%（如圖13所示）。從月度平均來看，11月較3月的不均衡情況改善了27.68%（如圖14所示）。

圖12 自動優化前端示意

圖13 本地網全年日粒度不均衡指標變化

圖14 月度不均衡扇區占比變化

4 結 語

針對本地LTE網絡載波間較嚴重的不均衡情況，從多頻段多載波混合組網導致的復雜網絡結構、共扇區內載波配置和不均衡概率的關聯性、扇區內載波間工參差異和不均衡概率的關聯性3個主要因素進行分析，確定了針對性的優化方向。第一，通過厘清網絡不同分層的目標定位重新制定了載波間的互操作參數策略；第二，通過載波間功率拉齊，開啟基于MLB參數組的負載均衡算法進行定向均衡；第三，對于特別難以均衡的扇區，通過計算其覆蓋范圍的差異性并實施天饋調整等方法；第四，開發負載均衡自動化工具，極大提升了不均衡優化工作效率，使得全網的不均衡扇區占比從24.28%降低至17.56%，不僅改善了用戶感知，也提升了投資效益。