基于业务感知和区域价值的4G网络容量规划研究

李通,李坤江（中国移动通信集团公司，北京 100032）

基于业务感知和区域价值的4G网络容量规划研究

李通,李坤江
（中国移动通信集团公司，北京 100032）

摘 要本文针对话音与数据业务的对比，分析4G网络仅仅考虑PRB利用率作为网络扩容方案的局限性，继而从真实用户感知入手，制订分类业务小区的感知评估方案，同时考虑4G网络的整体性，提出基于簇的网络容量规划方法满足价值区域容量需求的研究思路。

关键词容量规划；PRB利用率；业务感知；簇

1　概述

1.14G网络数据业务特征分析

4G网络相比传统2G/3G网络，具有“高速率、低时延、容量大、全IP”等优势。随着4G商用的快速发展，4G网络承载将出现数量更多，内容更加丰富的综合型数据业务应用。由于智能手机的快速普及、用户更加习惯使用4G网络提供的高清图片、高清视频等多媒体应用服务，但是，多样化的数据业务对4G网络也提出了更高的体验要求。相比2G/3G话音为主的网络，4G承载更为复杂多样的业务类型，单从PRB利用率的角度考虑扩容方案已经不能满足用户感知要求。

1.24G网络扩容方案影响因素分析

由于4G时代数据业务模型的多样性和差异性，“PRB利用率”这个单一指标，无法全面的表征4G网络负荷水平，不能够客观反映网络的忙闲程度，不能够直接反映网络的拥塞和呼损情况，也不能够真实反映业务感知。除了PRB利用率指标外，控制信道利用率，连接用户数，用户实际感知速率满足度（如网页/视频时延、视频清晰度/流畅度等）都是影响扩容方案的因素。比如，从理论分析，物理层的调度资源TTI、控制信道资源CCE、业务信道资源PRB由于调制方式、在用户数较多时，都可能成为无线资源短板；同时，在不同的业务模型下，物理资源消耗又不相同，以小分组类业务为例，主要消耗上行PRB、CCE、TTI资源，而大分组业务主要消耗下行PRB、TTI资源。

同时，从无线组网角度分析，网络是一个整体性，单个小区还受制于周围的网络结构、干扰、用户及容量影响。所以，容量不仅基于小区的微观考虑，还要兼顾宏观整体网络的范畴分析。

1.3主要问题及目标

通过以上分析，影响4G扩容因素复杂，单一指标很难衡量真实用户感知，只有根据现网业务模型，综合考虑RRC连接数、小区吞吐量以及PRB信道利用率等因素，才能建立起更加科学的基于小区级的扩容标准体系。同时，考虑网络的整体性，基于簇的网络容量规划

方案更能保证用户的感知需求。以4G用户感知为基础，建立基于簇的网络容量规划方案需从以下方面入手：

针对不同业务，好的用户体验评估标准是什么；

根据不同业务的评估标准，如何制定混合业务的小区扩容门限；

如何以簇为单位，进行网络容量规划方案。

2　基于用户感知、以簇为单位的网络容量规划体系研究

2.1用户感知评估标准

据调查，视频和网页浏览两大业务在发达市场占据80%以上的数据流量，而业务的等待时间是人机交互中，用户体验的最关键指标。

图1为影响因素调查统计，其中，视频业务影响用户体验的最关键因素之一是“初始缓冲时间”，即用户点击播放按钮到第一帧画面出现所需的时间； 网页业务影响用户体验的最关键因素是“加载时间”，是指用户输入网址到网页完全显示所需的时间。

图1　影响因素调查统计

视线追踪技术是人因工程学在人机交互、视觉体验研究领域中一项重要应用，其采用瞳孔-角膜反射方法，摄像机的位置固定、屏幕（光源）的位置固定、眼球中心位置不变（见图2所示），普尔钦斑（眼球角膜上的一个亮光点，进入瞳孔的光线在角膜外表面上反射而产生的亮点）的绝对位置不随眼球的转动而变化，但其相对于瞳孔的位置则是在不断变化的，只要实时定位瞳孔和普尔钦斑的位置，计算出角膜反射向量，便能利用眼球成像及几何模型，计算得到用户的视线方向。

图2　实验原理

从用户触发业务一直到业务开始响应，这期间的等待时间成为用户体验的最关键因素。通过大量的实验研究来探明用户耐心等待的时间：让实验者点击视频播放等待观看，从点击播放按钮开始计时，用摄像机记录实验者的眼动状态（眼球转动和瞳孔大小变化），根据视觉行为学和生物心理学原理，分析眼动数据得到实验者能够保持耐心等待业务响应的时间。

根据视觉行为学和生物心理学的原理，建立眼动和人的心理及行为对应模型，根据被测试者眼动轨迹的变化确认人的等待极限。分析结果表明：2 s之内，95%以上的实验者保持良好的注意力，3 s之后注意力开始分散；当等待时间超过5 s，70%的实验者能保持良好的注意力；当等待时间超过9 s，仅剩下20%的实验者能保持良好的注意力。

2.2基于小区级扩容门限研究

2.2.1 视频业务

作为典型的大分组数据业务，以视频为例，视频播放分为3个阶段：初始缓冲阶段、视频播放阶段、结束阶段。如图3所示，对感知影响最大的是初始缓冲阶段的首屏显示时延和视频播放阶段的卡顿频率。

初始缓冲阶段：总时延主要取决于RTT时延和交互次数，RTT时延主要和网络结构相关，如果服务

器在本地，RTT时延在70 ms左右。交互次数主要和OTT服务器和视频格式相关，一般为8～10次。视频按照良好用户体验的标准，需要3 s内完成业务缓冲，那么空口视频缓冲时间在2 s左右。根据视频格式的不同，视频播放需要8 s左右的初始缓冲，以720 p为例，视频码率为1.5 Mbit/s，因此，初始缓冲阶段需要在2 s时间内完成12 Mbit/s数据量的缓冲。综上，720 p视频缓冲阶段需要6 Mbit/s速率完成视频缓冲。

图3　视频流程

视频播放阶段：空口速率=片源码率×1.2=1.8 Mbit/s。结束阶段3～5 s，不需要消耗网络资源。按照初始缓冲阶段时长占比10%，播放阶段时长占比80%，结束阶段占比10%计算，720 p视频播放所需带宽为2.1 Mbit/s。结合不同清晰度视频的占比及高清视频占比不断提升的趋势，为了保证视频业务3s感知体验，视频综合保障速率在3 Mbit/s以上。

现网测试结论：要保障720 P视频的3 s初始缓冲时延感知，空口速率需要达到5.9 Mbit/s。

2.2.2 网页浏览业务

作为典型的小分组数据业务，Web页面越大带宽对Web页面显示时延的提升越重要，而带宽越低带宽的增加对体验提升越明显。从图4测试分析，可以看出带宽小于2 Mbit/s时，带宽的增加对Web体验提升比较明显，带宽大于2.5 Mbit/s之后影响开始变小，对于小于2 MB且嵌入对象个数小于70的页面来说，当带宽大于3.5 Mbit/s之后，带宽对Web体验的影响基本在100 ms以内。经研究分析，要保障好的感知要求，无线空口速率要求达到2.5 Mbit/s。

图4　网页业务带宽需求测试

测试条件：RTT=67 ms下，上行带宽不受限，下行带宽有100 kbit/s逐步递增至5 000 kbit/s。

2.2.3 VoLTE业务带宽需求分析

由于当前现网VoLTE业务很低，没有现网业务模型，杭州试验网测试表明，单小区可以最大可接入280 个RRC用户，暂取网络能力50%为扩容门限，即140 个RRC用户，待后续基于现网业务模型进一步研究。

2.2.4 现网实际的业务带宽需求分析

取现网平均e-RAB流量小于0.3 MB作为小分组类业务小区，大于1 MB作为大分组类业务小区，从现网分别获取大分组业务和小分组业务集中的样本进行分析。图5为大小分组业务现网统计结果。

图5　大小分组业务现网统计结果

综上，以小分组业务为主的场景，20 MHz载波可以承载约40个有效RRC连接数，PRB利用率40%左右，之后随着RRC用户的增加，PRB利用率并没有明显上升趋势，反映出用户感知受到了压制；以大分组业务为主的场景，从现网数据看并未达到容量上限，网络利用率随有效RRC连接数上升，对应的PRB利用率可以达到60%。

2.3基于簇的网络容量规划方法研究

4G网络流量呈现高度集中的特点，高价值区域，流量集中，明星终端集中，高价值用户集中，因此，资源精准投放，优先保障价值区域的卓越网络体验就显得格外重要，高价值区域“簇”需要提供更好的感知。另外，一个簇内基站的负荷相对均衡，小区间的覆盖和容量具有互补性，这对按簇分场景确立感知标准、确立扩容标准、实施连片扩容提供了条件。图6为按簇划分的基站流量分布。

图6　按簇划分的基站流量分布

2.4按簇进行规划的必要性

由于相邻站点在业务模型上有极强的相似性，单纯对单个小区进行调整，往往不能达到系统整体性能提升的目标。在实际的网络优化工作中，一般需要将覆盖连续、话务、质量相关的若干个基站组成簇，利用簇内基站在覆盖和容量上的互补性，施行簇优化，开通一片，优化一片，有利于保证工程进度和网络质量。

2.5按簇进行规划的整体思路

如图7所示，一般将簇的规模控制在标准蜂窝结构

中几层基站（3层约19个基站）之内，具体到实际的网络需要根据无线传播环境、站点分布、业务需求和前期发现的网络问题等进行基站簇的划分。

图7　簇规划整体思路

News美国Verizon宣布5G网络明年试用2017年商用

9月7日，美国移动运营商Verizon无线公司宣布，将从明年开始试用5G网络，2017年在美国部分城市全面商用。

Verizon介绍说，5G网络下，手机上网速度将比4G快五十倍。通讯延迟将减少到10 ms。另外，5G网络也可以支持更多的上网和通信设备，尤其是支持各种内置上网装置的物联网和智能家居产品。

Verizon表示，该公司目前已经在马萨诸塞州的Waltham，以及加州旧金山的公司实验室中试验5G网络。未来，该公司将会邀请大批移动通信设备制造商，研发相关的5G技术，其中包括阿尔卡特朗讯、三星电子、高通、诺基亚、爱立信、思科等。

（摘自：腾讯科技 作者：晨曦）

3　总结

以用户感知为基础，就是要从用户对数据业务的真实感知出发，通过等待时延与空口之间的速率匹配关系，确立关键的制约因素，从而科学分析出用户数、流量和PRB利用率3者之间的关系，精准指导小区的扩容门限。

而建立基于簇的网络容量规划方案，就是从网络整体性出发，对网络容量的变化进行科学分析预测，从而提升整个网络资源使用效率，预防容量爆发对用户感知影响的风险。

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

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1008-5599（2015）09-0011-05