TD-LTE网络容量评估及优化方法的研究

2016-08-24李勇

广东通信技术 2016年7期

［李勇］

［李勇］

随着移动互联网业务及4G用户的快速增长，TD-LTE网络容量问题对用户感知度的影响越来越大，如何进一步提升系统容量，对TD-LTE网络后续发展至关重要。文章从影响TD-LTE系统容量的多种因素入手，着重分析网络容量评估标准和扩容标准，最后根据目前网络现状，总结了常用的容量优化方法，用于指导TD-LTE网络规划和优化工作。

TD-LTE 容量评估用户感知扩容优化

李勇

工程师，PMP，硕士，2009年毕业于中山大学信息科学与技术学院。目前任职于中国移动通信集团广东有限公司广州分公司，主要从事无线通信工程规划、设计及咨询等工作，主要研究方向为无线通信新技术。

1　概述

2013年底工信部向三大运营商正式颁发TD-LTE牌照，标志着中国正式进入4G时代。经过两年多TD-LTE网络建设，中国移动目前已建成全球规模最大的4G网络。截至今年2月份，中国移动TD-LTE基站110万个，覆盖人口超过12亿，4G用户数已超过3.4亿，预计2016年中国移动4G用户超过5亿户。

随着4G用户的急剧增加，数据业务逐步由原有的2/3G网络向4G网络迁移，以及移动互联网业务的加速发展，TD-LTE网络容量问题逐渐凸显。同等20M带宽下，相比于上下行采用不同频带的LTE-FDD系统，采用TDD双工模式的TD-LTE系统，更容易出现容量瓶颈。因此各运营商应尽早研究热点区域TD-LTE网络容量评估及扩容优化方法。本文通过从TD-LTE系统容量影响因素入手，结合目前常用的容量评估方法，重点分析两种不同的扩容标准，最后根据网络现状，总结出常用优化扩容方法，指导TD-LTE网络规划、优化工作。

2　TD-LTE系统容量影响因素

影响TD-LTE系统容量的因素多种多样，包括基站功率、系统带宽、调度算法、资源分配方式、循环前缀（CP）长度、子载波间隔、上下行时隙及特殊子帧配置、上下行链路开销、MIMO、干扰消除等。本文主要针对基站功率、系统带宽、CP长度、上下行时隙及特殊子帧配置、调度算法等因素对TD-LTE系统容量的影响进行分析。

2.1基站功率

基站的覆盖半径，在不考虑阻挡和干扰的情况下，主要取决于基站的发射功率。TD-LTE基站发射功率越高，基站服务范围也就越大，能有效覆盖的用户数就越多，系统容量也就越大。但是，由于TD-LTE系统工作在较高的频段，系统穿透损耗和路径损耗都非常大，所以比较难实现大范围覆盖。在实际组网中，需要考虑小区间干扰影响，因此发射功率不能随意设置。

在密集城区和一般城区，由于建筑物较为密集，无线电传播环境也较为复杂，提升基站发射功率对TD-LTE系统容量的改善效果不大，还有可能造成重叠覆盖，影响整个系统吞吐量。在郊区、农村覆盖场景下，建筑物较为单一，无线电传播环境较好，提升基站发射功率可在一定程度上提升系统覆盖和吞吐量，提升系统容量。

2.2 系统带宽

TD-LTE系统峰值速率、用户吞吐量和接入用户量与系统带宽成正比关系。TD-LTE采用时分双工（TDD）方式，上下行工作在相同的频段，用时间来分割接收和发送信道，通过保护带宽来消除时域的“展宽”和“震荡”现象。保护带宽越大，分配到系统带宽之外的能量越小，但频谱资源的损失也越大。LTE协议支持1.4M、3M、5M、10M、15M、20M等六种灵活的信道带宽配置，不同系统带宽下，TD-LTE传输带宽和保护带宽的关系如表1。

表1　TD-LTE传输带宽和保护带宽的关系

2.3 循环前缀（CP）长度

为避免严重的符号间干扰（ISI）和子载波间干扰（ICI），循环前缀CP的长度需远远大于无线信道的最大时延扩展。但是CP过长会带来额外的频谱效率损失。在TD-LTE系统中，正常CP的开销 =（5.21+6×4.67）/500 = 6.67%，扩展CP的开销 =16.67×6/500=20%。CP的长度与基站的覆盖半径相关，一般情况下配置普通CP即可满足要求。郊区、农村等广覆盖场景，可配置扩展CP，增大小区覆盖半径。但CP长度配置越大，系统开销也就越大，反而会降低系统容量。

2.4上下行时隙及特殊子帧配置

在TD-LTE系统中一个10ms的无线帧分为两个半帧，每个半帧由5个长度1ms的子帧组成。每半帧包括4个普通子帧和1个特殊子帧，普通子帧由2个时隙组成，特殊子帧由下行导频时隙（DwPTS）、保护时隙（GP）和上行导频时隙（UpPTS）等3个时隙组成。GP为特殊时隙内上下行转换点保护间隔， GP的设置影响小区的最大覆盖半径，小区理论最大覆盖半径 = C×GP/2，其中C为光速。GP越大，覆盖距离也越大，从而影响系统覆盖容量。

2.5调度算法

TD-LTE系统经典资源分配技术，主要考虑小区吞吐量和用户之间的公平性这两个因素，分配算法也是这两个因素之间的折中。主要包括轮询（Round Robin，RR）调度、最大载干比（Max C/I）调度和正比公平（Proportional Fair，PF）调度三种调度算法。

轮询调度只考虑用户的公平性，小区内的用户按照某种确定顺序循环占用等时间的无线资源进行通信。轮询调度算法，能保证用户的公平性，实现也较为简单，但是由于没有考虑无线信道的时变特点，会造成较大的资源浪费，不能达到较高的系统容量。

最大载干比算法只考虑吞吐量，完全不考虑用户之间的公平性，该算法的基本思想是在每个调度周期内，对所有用户依据其接收到信号的载干比进行排序，按照载干比从大到小的顺序依次选择用户进行调度。最大载干比算法可以最大限度的提高系统吞吐量，但是信道条件较差的用户长期得不到服务，不能满足不同业务的QoS要求。

正比公平算法通过对吞吐量和用户公平性进行折中而产生，其目的是保证小区吞吐量的同时，兼顾不同用户的公平性。传统正比公平算法用户优先级与用户在t时刻的载干比成正比，与用户在一段时间内的平均数据传输速率成反比，在一个多用户的小区内，按照用户优先级从高到低的顺序依次选择用户进行服务，实现了最大系统吞吐量和保证用户公平性之间的折中。与RR和Max C/I相比，PF算法实现较为复杂。

3　TD-LTE网络容量评估标准

2G网络是“固定管道”容量，主要承载语音业务，也即是“固定管道”承载固定速率业务，系统的单载波容量和单用户占用的“管道资源”基本恒定。2G网络的容量受限，主要体现在通话用户数超过网络管道数，表征为网络利用率高导致用户无法接入、网络拥塞、掉话等网络问题，因此2G网络可以用资源利用率指标作为网络扩容的单一指标，即可较好的满足用户感知。

TD-LTE网络容量相对于传统的2G网络差异较大，TD-LTE网络是“动态管道”。TD-LTE网络主要承载会话类、流媒体类、交互类和背景类等非固定速率的数据业务，不同种类的业务应用于不同的场景，具备不同的QoS性能特征。TD-LTE承载业务的速率基于用户的业务类型和信道条件自适应的选择不同的调制方式、编码方式、数据块的大小和数据速率。用户数多、频谱效率低都会导致用户速率低，降低用户感知。因此单一的资源利用率不再适合作为TD-LTE网络的容量标准。

TD-LTE网络容量评价体系需要综合考虑设备能力和资源消耗情况对网络指标和用户感知的影响。TD-LTE网络容量有很多表征指标，如小区吞吐量、用户吞吐量、激活用户数、非激活用户数、VoLTE容量、最大在线用户数和最大并发用户数等。TD-LTE网络空口质量、不同种类业务占比、用户面、控制面等会影响网络频谱效率、小区吞吐量、用户数、用户速率及用户感知拥塞率等指标。其余指标主要与设备性能相关。

4　TD-LTE网络扩容标准

由于TD-LTE网络通常采用同频组网，属于自干扰的网络，当小区内用户数和业务达到一定规模后，小区吞吐量和无线资源利用率会出现拐点，即网络负荷达到一定程度且未有效分流时网络容量会恶化。因此根据目前TDLTE网络的负荷情况，建议在分析和优化系统容量时，优先选出高价值高负荷的小区进行优化。评估小区的容量应主要从小区业务特征、无线资源利用率、有效RRC连接数等几个方面考虑。

4.1现网载波扩容标准

中国移动通信集团传统扩容标准从边缘用户1M速率出发，按利用率、用户数、流量三个维度判决扩容需求。典型的门限标准设置为小区忙时TD-LTE网络无线资源利用率〉=利用率门限（50%）；小区忙时有效RRC连接平均数〉=用户容量门限（30个）；忙时小区下行流量〉=下行流量门限（5GB）或忙时小区上行流量〉=上行流量门限（1GB），以上三点满足任一点时，即触发TDLTE网络扩容需求。

4.2 基于用户感知的载波扩容标准

基于用户感知的载波扩容标准从业务模型出发，评估现网业务需求，得出合理的扩容门限，主要分三个步骤：

第一步，预测用户感知目标。首先，根据现网中网页浏览、即时通信、社交网络、视频、文件传输、邮件、游戏及其他不同业务类型上下行速率基准和单用户忙时并发业务数，结合不同业务占比得出单用户感知保障速率；然后，根据预测得出，下一阶段用户上行和下行速度基线。根据目前现网数据分析，推荐用户保障速率为DL=5Mbit/s，UL=0.5Mbit/s。

第二步，根据估算出的用户上下行基准速率，预测对应的网络利用率、RRC连接数及忙闲率（K值）。首先根据无线话筒分析，得出现网不同网络的业务模型“网络利用率-用户感知速率”的大数据之间的关联趋势，随着网络PRB利用率上升，用户感知逐渐变差。然后以年为单位，预测网络利用率和RRC连接数。为保障较好的业务体验，小区带宽需求应该保证在业务平均速率需求的2倍左右，最后依据业务需求、资源占用特征，预测出合理的忙闲率系数。用户下行保障速率5Mbit/s时，根据预测对应的网络利用率30%～40%，RRC连接数40～60，“平均利用率”约为“最大利用率”0.5倍，即K=0.5。

第三步，根据空口质量和利用率计算单载波流量承载能力。根据现网统计数据分析，目前移动TD-LTE现网宏小区CQI分布中值为10，小区满载速率22Mbit/s。PRB利用率=35%、CQI =10时，对应单载波流量承载能力约3GB/hour。因此基于3秒网络体验、当前网络业务模型和覆盖情况，得出TD-LTE单小区忙时流量承载能力约3GB。

根据上述分析，建议的载波扩容标准，以下两条满足一条即可扩容。（1）小区自忙时，当载波忙闲率大于门限（60%）且小区吞吐量大于门限（3GB），且RRC平均连接数大于门限（50）时，通过增加载频扩容；（2）小区自忙时，当RRC数大于200时，通过增加载频扩容。

5　TD-LTE网络容量优化方法

5.1 TD-LTE扩容触发场景

TD-LTE网络用户行为会出发不同场景的容量问题，主要包括常规扩容、突发大话务和价值区域流量经营等三种扩容场景，触发基于感知的载波扩容、基于用户数的载波扩容和基于设备负荷的硬件扩容三种扩容方式。

常规扩容场景主要是由于系统用户数增加，用户吞吐量及小区吞吐量增加，网络资源利用率上升，从而导致用户速率下降，引发用户接入受限和体验受限，触发基于用户感知的扩容，主要采用基于用户感知和用户数的载波扩容。

突发大话务场景，一般是由于某区域内用户数突然增加，设备负荷抬升引发资源不足，导致网络接入拥塞，此时基于网络安全考虑，需对网络进行扩容，主要采用基于用户数的载波扩容或基于设备负荷的硬件扩容。

价值区域流量经营是指同一地区，本运营商的用户速率低于其他运营商用户速率，用户感知较差，为提高用户感知和品牌影响力，增强自身竞争力，基于竞争考虑，采用基于用户感知的载波扩容。

5.2 TD-LTE常用优化扩容方法

业务分流和载频扩容作为2/3G网络常规的容量提升方法，在TD-LTE网络仍然适用。同时由于TD-LTE网络自身的技术特性，有更加丰富的容量优化方法，如多网多频段协同优化和分流、网络结构优化、频率使用策略调整、异构网应用和新技术应用等。

载频扩容通过在原小区增加TD-LTE载频的方式提升基站吸收业务的能力，扩容后终端根据场强选择驻留和发起业务的载频。载频扩容极大改善用户体验和基站业务承载能力，此方法也是最为有效、最直接的容量提升方法。

由于采用同频组网，TD-LTE网络对网络结构要求非常高，不合理的过近站、超高站等站点造成重叠覆盖，对网络结构影响较大。通过调整工程参数、系统参数、功率或站点整治等方式优化网络结构，有助于提升网络容量和小区容量。同时，灵活部署一系列功能多样的小微基站来提升频率使用效率，对网络盲点和热点实现高质量的的覆盖，吸收和分流业务，提升整个网络容量。

在TD-LTE网络优化工作中，首先应考虑保护已有投资，尽量在不额外追加投资或大规模替换的情况下提升网络容量，即优先选用结构优化和调整频率的方式提升小区容量。在以上方法效果不明显的情况下，考虑通过载波扩容和异构网、小区分裂等需新增设备和投资的方式提升网络容量。容量优化新技术引入应通过试点的形式论证并陆续推广，使用时重点注意应用场景和新技术的局限性。