LTE高负荷小区拥塞评估及容量提升策略研究

0 引言

随着中国联通互联网化转型的逐步深入，B2I2C用户贡献了巨大流量和经营利润增长，但同时也给网络带来了巨大的压力。当前全网前20%的站点贡献了70%的流量，造成过热站点流量集中，热点区域站点容量受限的问题，而其中80%的站点为宏站，这些站点均为室分微站无法进入或不适宜进入的区域，导致用户感知下降、投诉增加。

为提升LTE高流量热点场景下的用户感知，通过分析用户感知和相关指标，我们提出了高负荷小区拥塞系数评估方法。该方法可发现高价值区域，能精准聚焦投资，使效益最大化。同时，该方法可基于评估结果，在有限站址资源以及频谱资源中挖掘容量潜力，从提升频谱资源、频谱效率以及同频复用小区数三个维度着手，通过应用扩频、4T4R、六扇区等手段，研究探索精准容量解决方案。结合中国联通现网扩容4T6S成功案例，我们总结出各类典型场景的容量提升方案，从而促进网络扩容工作的高效开展。

1 研究背景

1.1 网络容量提升着力点

LTE网络容量主要受频谱资源、网络结构、小区负荷、信道开销、MIMO（多输入多输出）技术和业务类型等因素影响。随着LTE网络部署的深入和完善，网络结构已经成型，在现网站点资源紧张的情况下，如何挖掘现网潜能显得尤为重要。对于单个站点而言，频谱资源、频谱效率以及同频复用的小区数量决定了站点容量的高度，这也是容量提升的关键着力点。

（1）频谱资源

LTE系统定义了包括 1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz六种不同的系统带宽，如下表所示，系统带宽配置将直接影响到RB配置数量，亦即直接影响到系统吞吐量和用户数据速率。系统带宽决定了网络的容量，中国联通LTE频谱资源稀缺，需在频率重耕1.8G的基础上高效使用1.8G和2.1G频段20MHz资源进行弥补，通过扩频提升用户感知。

表1 LTE频谱带宽

（2）频谱效率

多输入多输出（Multiple Input and Multiple Output，MIMO）技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍地提高系统信道容量，是LTE最核心的技术。4×4 MIMO能够更充分地利用空间维度，大幅度地提升频谱效率和功率效率。随着高性能终端的不断推出，LTE频谱资源效率可以采用更高的MIMO（4×4）技术以及更高阶的256QAM调制方式，从而提升网络容量。

与目前使用的64QAM调制相比，在相同编码效率条件下，256QAM的频谱效率理论上可直接提升33.3%。但是，256QAM对基站发射机参数以及终端能力都提出了较高的要求。

（3）多小区

小区分裂具有成本低、实施便捷等优点，通过小区分裂技术，增加小区数目从而增加网络空口容量，这在扩容中得到越来越多的应用。室分小区分裂相对简单，通过楼层或区域的划分增加信源进行覆盖提升容量；而对于宏站的小区分裂，一般是将原先的每个小区分为两个进行覆盖，即六扇区的小区分裂。由于扇区分裂会带来干扰，所以六扇区改造需要更换窄波瓣天线，同时也要对应更高的天线增益，因此六扇区在提升容量的同时能够改善基站的覆盖。宏站的六扇区分裂不需要新增站址，也不需要新增频谱，站点改造周期短，场景适应性强，是容量提升的理想手段。

图1 多扇区示意图

1.2 精准容量提升方案

结合之前的容量提升理论分析可知，当前宏站容量提升主要手段有扩容频谱资源、增加小区数以及提升频谱资源效率三个方面。在待扩容的小区中，各小区业务拥塞时长和规模存在不同。因此，对于扩容小区我们进一步分为“高中低”三个优先级，并对容量提升方案进一步细分。

（1）低拥塞场景—扩频

对频谱资源进行扩容是网络拥塞之后的首选方案。一般情况下，低拥塞场景已经达到扩容门限，但是整体负荷不算高，前期也没有过扩容计划。对于低拥塞场景，考虑软扩1.8G，硬扩2.1G。容量在理论上可提升150%。

（2）中度拥塞场景—扩频+多扇区

若经过扩容及负载均衡优化后，1.8G和2.1G双网仍超扩容门限，则认为此处为中度拥塞场景。对于中度拥塞场景建议扩容6扇区，容量可提升80%。而改造成六扇区基站以后，每个扇区典型覆盖约60°范围的区域，因此需要更换为水平波瓣更窄的天线。建议采用水平波瓣角为33度的天线，降低扇区间干扰，提高基站容量。

图2 六扇区示意图

目前使用的劈裂天线应注意劈裂前扇区间方位角的夹角不能小于90度，同时尽量避开高速移动场景（如高铁、高速公路）。交叠区用户比例（劈裂后新增交叠区用户与整个区域所有用户的比例）应≤20度，同时，分裂后应避免小区的重叠覆盖，并通过实际测试和设置合理的切换带来保证业务的连续性和良好的用户感知。

图3 劈裂天线交叠示意图

（3）高拥塞场景—扩频+4T6S

对于流量爆发区域，建议采用双频4T4R+6扇区方案一步到位，这可以使容量在之前的基础上再提升80%。

4T4R相对于传统2T2R技术，可以实现频谱效率翻倍，进而大大提升网络容量和体验，而双频4T4R一体化设备在两个频段上均支持4T4R，相当于四个传统2T2R模块，不仅使得容量和体验翻倍，同时也能简化天面，节省铁塔租金和电费。由于目前4T4R的终端相对较少，所以在高档写字楼、住宅等区域以及高典型场景区域，可考虑双拼4T4R改造。

图4 双频4T6S示意图

2 拥塞系数评估及容量提升方案

筛选小区均已达到扩容门限要求时需进行扩容。如果对大量需扩容小区划分优先级，不仅可以将工作进行细化，而且可以有针对性地提出解决方案，同时也能作为网络投资的参考依据，从而实现网络提升的良性循环发展。针对上述情况，本文提出了高负荷小区拥塞系数评估方法。

2.1 高负荷小区拥塞系数评估方法

拥塞系数评估原理：以扩容标准为判断依据，通过合理评估每天的高业务量时长来区分扩容小区的优先级。

拥塞系数评估算法：分别以条件一和条件二为判断条件，按小时级指标进行评估，满足记为1，不满足记为0，统计N天（N≥1）的数据，将权值相加并进行排序，权值大则优先级高。

评估具体流程如下图所示，扩容优先级评估的原则是：合理评估每天高业务量时长，按小时级指标进行评估并计算拥塞系数，按统计天级权值来进行区分。

图5 评估流程

（1）根据扩容标准筛选高负荷小区

当前中国联通的扩容标准既考虑了网络容量也考虑了用户感知，通过提取每天忙时用户数、单用户速率、64QAM占比、PRB利用率以及流量来评估小区。首先，64QAM占比须大于40%，因为64QAM占比与CQI相关，如果该值过低证明网络

环境较差，需进行网络优化；其次，扩容准则分两个条件评估，条件一由用户数和用户速率组成，条件二由平均用户速率、PRB利用率和流量组成，条件一和二各自内部条件均满足则该条件成立，一周满足条件4次即列为扩容小区。

表2 扩容准则

（2）提取高负荷小区N（N≥1）天的小时级指标

将需扩容小区组成对象组，提取其中N（≥1）天的小时级指标，主要指标有用户数、单用户速率、PRB利用率、流量以及64QAM占比指标等。

（3）将64QAM占比低小区标记为0

剔除64QAM站点小于40%的小区，并将权值记为0。由于扩容标准中已经对天级64QAM指标差的进行了过滤，所以小时级低于40%的小区很少，经统计，值仅为1.6%，存在一定的偶然性和突发性。

（4）根据算法计算拥塞系数

按照评估标准对剩余小区的小时级数据进行二次评估划分，对每个指标分别进行标记。分别按扩容标准中的条件一和条件二计量权值，条件内计算方法与扩容准则计算方法一致，内部条件均满足条件记为1，否则为0，并将条件一和二的最终权值相加得到系数总计数。

图6 拥塞系数计算

（5）统计计算小区系数并排序

以小区为单位，对上述权值各时间段进行累加，按数值大小依次排序。按照数值大小统计，数值越大则小区优先级越高，可得出持续高业务小区，建议以此作为参考依据，合理安排扩容工作，并可以以此划分“高中低”优先级等级。

2.2 典型场景宏站容量提升方案

结合方案研究及典型场景的划分，对各场景的容量提升方案进一步总结。

（1）对于室分场景，容量提升主要通过小区分裂来实现，其实现方式相对简单。对于机场、火车站、重保场景等高价值区域可通过改造lampsite进行升级。

（2）对于宏站的容量提升，载波扩容仍是首选，适用于几乎所有场景的宏站扩容。

（3）多扇区能有效提升容量，但同时会带来干扰、切换等问题，建议在只有宏站覆盖的高拥塞场景下小规模使用。

（4）4T4R能提升容量和用户感知，目前4R终端在1.4%左右，建议在高价值及高端人群场所使用。

表3 典型场景方案

3 基于4T6S提升的应用案例

结合高负荷小区拥塞系数评估法可以对拥塞等级进行细分，同时可结合市场信息对方案进一步调整，达到效益最大化的目的。因此，在结合拥塞等级评估高拥塞高价值区域后，我们对高优先级区域及时进行网络扩容响应，快速提升用户感知。林枫苑基站作为高拥塞区域，我们对该站点进行了江苏联通首个4T6S试点，取得了很好的效果。

3.1 案例背景

林枫苑基站位于密集住宅区，如下图所示。由于网络容量拥塞，机房3个扇区前期均已扩容为L1800（20M）+L2100（20M）双载波，业务忙时单载波业务量在17GB以上，双载波下行PRB利用率在95%以上，小区负荷高，当用户速率低于3Mbps时，用户体验差。经过评估拥塞系数，该小区属于典型的业务爆发高拥塞区域，因此选取该站作为4T6S试点。

图7 案例位置

3.2 方案实施

由于现行天面资源紧张，需更换4T4R设备以及8端口的劈裂天线，同时要规划好劈裂天线的中心交叠区，不应设置在用户密集区。改造前塔顶抱杆占用空间3副天线位置和6台RRU空间位置，改造后不增加天面资源；同时改造前后塔身承受3副天线、6台RRU重量，基本一致。

图8 改造前后对比

3.3 效果分析

对比开通前后的数据，在用户数基本维持不变的情况下，忙时流量4T6S站点较替换前增加43%，忙时PRB利用率较替换前降低23%，忙时下行单用户速率比替换前增加71.7%，极大地提升了用户感知。

（1）4T6S方案对网络质量有一定的提升，通过下图CQI指标前后对比可以看出（竖线为改造时间节点），改造后平均CQI得到提升，CQI≤6占比改善3.1%。

图9 CQI对比

（2）下图为改造前后流量和感知速率分析。可以看出，改造前站点容量在90G左右受到抑制，改造后压抑得到释放；同时，在改造后流量90G的压抑点，感知速率得到明显提升，忙时提升约2倍。

图10 压抑点得到提升

（3）统计整体指标可以看出，在忙时平均用户维持在885基本不变的情况下，忙时PRB利用率从93.96%下降到70.9%，下降23个百分点，见图11：

图11 忙时PRB利用率和用户数指标

忙时下行单用户速率从2.45Mbps提升到4.2Mbps，提升71.7%；忙时空口流量从271.01GB提升到了388.42GB，容量提升43%，见图12：

图12 忙时单用户速率及流量指标

4 结束语

本文通过对热点区域的网络进行分析研究，提出了高负荷小区优先级拥塞系数评估法，通过合理评估每天高业务量时长来区分扩容小区优先级，能合理安排工作并发现高价值区域，可作为投资评估的参考依据。同时，从频谱资源、频谱效率、小区数量三个方面着手，重点介绍了宏站容量提升的解决方案，结合拥塞评估方法进行了高拥塞4T6S的容量提升方案案例分析，验证容量提升方案的效果，提出了一整套容量评估提升方案，具有一定的推广意义。