基于试验设计（DOE）方法的无线网络参数设置

彭江龙

（中国移动通信集团山东有限公司青岛分公司, 青岛 266071）

1 试验设计

试验设计(Design Of Experiment, DOE)是以概率论与数理统计为理论基础、合理安排试验的一种方法论,它研究如何制定试验方案，以提高试验效率，缩小随机误差的影响，它可以高效而经济地获取数据信息、科学地分析处理、得出正确的结论。试验设计的基本思想，是减少偶然性因素的影响，使试验数据有一个合适的数学模型，以便使用方差分析的方法对数据进行分析。试验设计在质量控制的整个过程中扮演了非常重要的角色，它是提高产品质量，改善工艺流程的重要保证。试验设计已广泛运用于从航天业到一般生产制造业的产品质量改善、工艺流程优化，甚至已运用到医学界。试验设计通过改变一个过程的输入因素，观察其相应的输出响应的变化，确定哪些自变量(X)对因变量(Y)的影响最大，量化自变量(X)对因变量(Y)的影响，从而最终达到优化过程的目的。任何问题都可以看作一个过程，因此试验设计的方法在过程优化中有广泛的应用,无线网络优化也不例外。

正交表是进行部分实施法最方便的一种工具，按正交表安排并进行分析的试验称为正交试验。如图1所示，对于3因子2水平的试验通常需要8次试验才能够获得所有数据的试验结果，而采用正交试验法，通过4次试验(绿色点代表)就可以分析验证各种因素的影响，效率提高一倍。

图1 3因子2水平的全因子试验通和正交试验比较

2 动态功率控制原理

无线蜂窝网络中，一个连接中基站BTS和手机MS的输出功率能够被动态按需控制,分别被称为下行和上行动态功率控制。以下行功率控制方案为例，它是BTS根据一个期望的信号强度值和信号质量由BSC来控制其输出功率。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总是以最大输出功率发射信号，那么网络将会出现较大的干扰电平，当网络所有的基站都采用动态功率控制调节基站的输出功率时，整个网络总的输出功率将会减少。这意味着下行链路信道同频和邻频干扰将会降低。功率控制运算的效果会从下行信号C/I大幅度提升方面表现出来，C/I值的提高也使BTS的实际覆盖区域增大。这些连接不会受输出功率变化所影响，但它们的干扰电平会减小，质量反而会有所提升。同时，动态功率控制也为我们提供了降低基站能耗的有利条件。同样道理，手机在保持链路通话质量的前提下尽可能地控制MS的发射功率,从而达到降低全网上行干扰的目的，从整体上会提高上行信号的质量，改善用户感受和网络性能，良好的功率控制对网络的质量至关重要。

以下行功率控制为例，动态功率控制在TCH和SDCCH上进行。功率控制的周期最小单位是一个SACCH周期（480ms），基站能够在每个时隙上改变其输出功率。输出功率的改变每步2dB。最大的变化范围为30dB。

路径损耗（L）在这里被定义为BTS的发射功率(BTSTXPWR)与移动台接收信号强度之间的差值。在一定的时间间隙内路径损耗被直接进行平均计算。

功率控制值的计算分成两步进行，第一步计算出一个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之前对这个功率控制值进行加限制。限制包括每步的限制和BTS功率控制范围的限制。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根据计算所得与BTS实际的输出功率比较，进行约束。

主要控制参数如下：

SSDESDL：定义期望的手机接收基站信号强度的目标值。在没有质量补偿的情况中，SSDESDL是在调节区域外的信号强度期望值。这个参数在每个小区中都要设置。

QDESDL：定义由MS中接收机测量到的期望质量电平值。它在RxQual单元中被测量，在应用于运算前被转化为dB单位。这个参数每个小区都要设置。

LCOMPDL：这个参数决定将要补偿的路径损耗是多少。

QCOMPDL：这个参数决定将要补偿的质量因数。

BSPWRMIN：在非BCCH载波的BTS最小允许的功率电平。这个参数是实际输出功率的约束条件。

相似的原理，手机上行功率控制的功率输出指令由以下几个参数决定：

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种因素影响，由多个参数共同控制，同时参数的取值范围又十分宽，比较复杂，良好的功率控制不但有助于降低干扰，提升网络质量和覆盖，同时还可以降低基站能耗。由于青岛有各种复杂的无线环境，包括密集城区、山区和沿海覆盖，不同区域需要采用不同的参数组合，采用常规方法调整耗时耗力，本文分别用两个实例说明，采用试验设计（DOE）指导动态功率控制参数调整的方式，如何找到提升网络质量和节省基站能耗的功率控制最优参数组合。

3 优化上行功率控制降低掉话

在青岛GSM网络系统优化过程中，通过数据验证上行干扰水平对掉话有显著影响，除了外部干扰以外，系统的自身干扰也是导致掉话的重要原因，因此我们在密集城区进行了上行动态功率控制参数设置的研究。

如前所述，上行功率控制的参数主要包括LCOMPUL、SSDES、QCOMPUL、QDESUL。由于以上各参数在动态功控中相互作用，需要通过反复试验得到优选的参数组合；常规方法试验次数多，我们用试验设计（DOE）的方法来确定，通过最少的试验次数找到主要的影响因素和最佳的参数组合。

3.1 试验设计

根据功率控制公式，确定上行功率控制参数4个因子进行2水平的试验设计，用MINITAB软件设计试验,选择4因子和分辨率IV的试验。水平设置参考厂商推荐设置和优化经验设置来确定，将各参数水平选择如下：SSDES(90 80),LCOMPUL(20,70),QDESUL(30,0),QCOMPUL(60,30)。

对于4个因子、2水平的IV试验设计，需要运行8次试验，为全因子试验次数的一半，用MINITAB软件对试验的参数排列进行设计，根据设计好的试验参数水平进行相应试验，得到系统掉话率结果输入到软件，如图2所示。

3.2 试验设计结果分析

用MINITAB软件分析试验结果：

通过分析可以看到，DOE对多种可控的因子同时进行评估，检查每个因子是否是关键因素，因子之间的交互作用，以及各因子对结果的影响程度和方向，如图3所示。通过分析，上行功率控制参数中SSDES的设置对系统掉话有显著影响，为了降低掉话率，根据各因子的作用关系和影响方向，我们选择如下的参数设置：

图2 上行功控参数DOE试验结果

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

可以看到这组参数没有出现在试验中。

图3 上行功控试验结果分析

3.3 参数设置效果分析

我们将修改参数前后的掉话率数据进行比较，调整参数后的指标有明显的改善，月平均掉话率由调整前的1.15%下降到0.78%。

4 优化下行功率控制降低基站能耗

通过对青岛沿海和山区基站的MRR测量和话务统计进行分析，发现山区和沿海基站的特点：基站密度小、站距大、覆盖远（沿海覆盖站尤其明显）、话音质量普遍较好（一般C/I>15），数据业务比例很小，在采取常用功率相关参数调整来降低能耗后，还可以进一步通过下行功率控制来降低基站能耗，同时提升系统性能。

4.1 下行功率控DOE分析

图4 山区和沿海基站下行功控试验结果分析

根据MRR的信号强度分布、路径损耗分布和话音质量分布，我们确定下行功率控制4个参数高低2水平，设定如下：SSDESDL(75 92), QDESDL(30 10),LCOMPDL(70 10), QCOMPDL(50 10)。

和上行功控类似，下行功率控制主要由4个参数控制，同样选择4个因子、2水平的IV试验设计，需要运行8次试验，用MINITAB软件对试验的参数排列进行设计，根据设计好的参数水平进行相应试验。试验结果如图4所示。

4.2 下行功率控制参数设置效果分析

从上面的分析可以看到，SSDESDL对基站功率的影响比较明显，为主要因素，沿海覆盖与山区基站的情况基本一致。因此可以说，SSDESDL设置越低，即手机期望接收的电平越低，基站发射功率越小，基站的能耗也越小。通过对基站实际电量的测量，我们发现当SSDESDL设置为92，与75相比，基站平均能耗节约8.5%。参数优化前后不同参数组合基站发射功率分布、功控效果对比如图5所示。

通过DOE方法我们获得SSDESDL设置是影响基站能耗的关键因素后，需要考虑SSDESDL设置是否会影响业务质量和用户感受，因为从统计上看，SSDESDL设置偏低时（<-90dB），整体指标变化不大，但双向弱信号的掉话原因比例有所上升。因此还需要进一步试验，找到网络性能和节能的最佳平衡点。总体上，山区和沿海信号质量较好，因此功率控制的质量参数设为固定值20，由此我们设置了表1的4组参数进行试验。

表1 下行功控参数试验设置

由于试验次数较少，可以直接进行对比分析，每组分别对3个山区和沿海BSC进行设置，日平均指标如表2所示。

图5 下行功控效果对比

表2 试验统计指标结果

总体来说，山区和沿海场景下行动态功率控制对指标的影响不十分明显。从表2的统计指标结果分析，第三组指标较好，功率控制深度较大，指标基本保持稳定，网络质量和覆盖没有受到影响，对相应基站进行该组参数设定，通过1个月的观察，投诉没有明显变化。通过抄表分析，采用新参数平均耗电量节约7.5%左右。考虑到DTX、跳频、BCCH优先占用等特性的使用，通过优化参数设置获得的基站主设备能耗节省可以超过10%。

5 结束语

在实施DOE方法的过程当中，我们发现DOE方法比较适用于复杂组合参数的调整，同时还需要避免由于业务和用户行为周期变化对试验结果的影响。因子水平需要根据实际情况选择，尽量保证水平差异，应尽量保持外部条件基本稳定的情况下进行试验，如果有突发情况导致试验结果偏离，需要剔除并重新进行试验，保证数据的准确性和一致性。

[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. 世界级质量管理工具DOE (第二版)[M]. 北京：中国人民大学出版社, 2004.