高铁场景LTE网络负荷评估及容量提升分析

殷海云，谷俊江

（中国联合网络通信有限公司江苏省分公司，江苏 南京 210029）

1 引言

高铁场景下，高速移动、批量瞬时涌入、无线信号多普勒偏移等特性给网络带来了全新挑战，虽然已有针对性的解决方案，但随着LTE用户规模的单极化增长，高铁网络整体负荷的抬升使得网络容量难以满足用户多样化的需求，如何准确评估用户感知与高铁网络容量之间的关系，是当下必须解决的问题。本文重点讨论高铁LTE小区容量提升问题，针对SFN（Single Frequency Network，单频网）拆解和载波扩容两方面应用给出实用标准。

2 LTE网络负荷评估研究

网络接入性能和用户速率是影响LTE网络负荷的主要指标，高铁SFN合并比例高，需进行重点分析。

2.1 SFN

SFN是将多个独立的无线发射单元同时服务于一个用户，以此使单小区覆盖面积倍增，高铁场景由于移动用户速度快，切换要求高，采用SFN的方式可大幅减少小区间切换次数。覆盖范围倍增对网络的影响如表1所示。

采用SFN虽然有效降低了小区间切换次数，但网络容量也因此倍减，区域内同时可容纳的用户数和吞吐率也随之降低，所以当区域内用户规模和业务需求超过网络高负载标准时，需要进行评估拆除。

表1 覆盖范围倍增对网络的影响

2.2 允许同时在线用户数

LTE系统中，终端有两种状态，即连接态和空闲态。每个连接态用户都需要消耗一定的软硬件资源，系统随时监控网络中有缓存需求（即有数据传输要求）的用户，当小区内同时处于连接态的用户数达到一定规模后，将超出小区的处理能力，而当多个物理小区采用SFN合并的方式之后，多个物理小区最大只能共享一个小区的RRC连接用户数，在覆盖范围倍增而容量不变的情况下，网络易出现容量受限的情况。

2.3 用户感知速率评估

用户感知与网络下行速率和响应时延强相关，高铁特性决定大量用户瞬时涌入，尽管LTE空口速率达150 Mbit·s-1，平均到单用户却仍很低。且高铁与大网同频组网，还承担着大网用户的承载，随着4G渗透率不断提升，网络负荷大增，此时列车经过再带来高铁用户，用户感知无法得到保障，需要深入评估LTE用户感知，主要从以下四个维度进行：

◆高铁用户感知受限影响因素；

◆确定高铁用户主流业务感知恶化临界点；

◆LTE单小区RRC接入用户数与资源利用率关系曲线；

◆LTE单小区资源利用率与吞吐量间关系曲线。

（1）高铁用户感知受限影响因素

LTE网管小粒度的统计才能真实反映用户真实受限情况。高铁运行速度快，承载用户多，列车的到来使小区进入业务高峰，需要采取更短周期粒度来分析实际用户的实际受限情况。

图1是1 min级的时隙占比散点图，当占空比在50%左右时，用户速率下降到5 Mbit·s-1，因此设校正因子取值0.5，现网话统数据最低监控粒度为15 min，需要除以校正因子0.5完成高铁扩容无线资源利用率预估。

图1 时隙占比分析

表2 不同业务保证优良体验对应不同速率

图2 高负荷/主流业务分布

3）视频业务边缘速率要求

目前用户使用时长最高的业务类型为视频业务，视频业务的最低速率要求分析如下：

◆用户点播不同清晰度的片源时，需要的网络最低边缘速率也不尽相同，当片源清晰度为480 P～1 080 P时，网络关键指标设置为：缓冲时延2 s～4 s，卡顿次数为0；

◆分析值可以作为参考基准，如表3所示，根据不同OTT的视频业务差异、业务发展变化及网络负荷进行调整。

对照网研院对现网业务边缘速率要求，基于国内主流OTT视频业务特征统计，要求2 s内打开视频页面，缓冲时间不超过8 s时的目标网络下行速率不超10 Mbit·s-1。

（3）单用户速率与PRB资源利用率的关系

不同SFN场景下，PRB利用率与单用户速率趋势比不同，当小区下行PRB利用率不断攀升，用户感知速率逐渐下降，不同场景下下降趋势有所不同：

1）未SFN合并状态：下行PRB利用率为44%和65%时，用户感知速率下降至10 Mbit·s-1和5 Mbit·s-1左右，表明该状态下用户感知速率受限的门限为下行PRB资源利用率达到44%。

2）经SFN合并后：当下行PRB利用率为47%和73%时，用户感知速率下降至10 Mbit·s-1和5 Mbit·s-1左右。表明该状态下用户感知速率受限的门限为下行PRB资源利用率达到47%。

3）跨站SFN时，当下行PRB利用率为40%和60%时，用户感知速率下降至10 Mbit·s-1和5 Mbit·s-1左右。表明该状态下用户感知速率受限的门限为下行PRB资源利用率达到40%。

总结：上述分析可以看出，满足高铁用户的视频体验10 Mbit·s-1的情况下，PRB利用率绝不能超过45%。

（4）比用户感知速率与用户数关联分析

1）用户数＞40时，开始发生流量抑制，单用户速率为15 Mbit·s-1左右；

2）用户数＞60时，流量抑制扩大，单用户速率为10 Mbit·s-1左右；

3）用户数＞100时，流量抑制明显，单用户速率为8 Mbit·s-1左右；

表3 RTT=70 ms时不用业务体验下边缘速率要求

4）用户数＞200时，流量抑制呈指数增长，单用户速率为5 Mbit·s-1以下。

高铁小区流量抑制比如图3所示。

3 LTE容量提升方案

LTE网络负荷评估体系主要是从2个维度（小区接入能力和用户速率）和3个指标（PRB资源利用率、小区平均用户数、下行单用户速率）对网络负荷进行容量评估，具体方法如下：

统计：监控单地市高铁小区PRB资源利用率、小区平均用户数、下行单用户速率，统计粒度1 min，统计周期4小时。

计算：计算单地市高铁小区PRB资源利用率、小区平均用户数、下行单用户速率，各项指标都是统计周期内取最大值。

评估：将小区各项指标统计值与预设门限值比较，对比结果进行分类汇总。根据上面分析得知，建议采用本站合并SFN模式，下行平均PRB资源利用率门限为45%，下行单用户速率为10 Mbit·s-1，小区平均用户数为150。

3.1 不同SFN合并模式拆分对比

将沪宁线6RRU和4RRU合并（背靠背SFN）拆分至单RRU带两副背对背天线，发现4RRU拆分为本站合并后各项指标均较其他两种拆分方式优势明显。

（1）4RRU小区拆分后，在用户数不变情况下，单用户速率提升了23.98%，PRB利用率下降了53.23%，CQI下降趋势较大，为9.23%。

（2）4RRU小区拆分后，在用户数不变情况下，单用户速率提升了28.65%，PRB利用率下降了61.50%，CQI下降了0.33%。

结论：上面分析可以得出，跨站SFN拆分后增益最高，可以达到20%以上。

3.2 SFN拆分单用户速率增益

当前江苏高铁中沪宁城际的资源负荷最高，单用户感知速率最差，选取沪宁城际进行SFN合并拆分增益分析，表4为沪宁城际合并情况。

图3 高铁小区流量抑制比

表4 沪宁城际江苏段各地市合并情况

由表4可以得到，沪宁城际合并小区比例为77.68%，其中本站背靠背SFN合并方式比例为40.63%，跨站SFN合并比例为37.05%，将跨站SFN合并小区拆除为本站背靠背SFN合并模式，共需增加95个本站背靠背SFN合并模式小区，按照增幅23%进行计算，下行单用户速率提升0.5 Mbit·s-1，最大可容纳用户数增加38 000个。速率提升幅度较小，想达到感知标准（10 Mbit·s-1），仍需采取载波扩容模式。

3.3 载波聚合扩容增益（CA）

联通高铁载波聚合推荐1.8G带内和1.8G+2.1G带间两种方案，当前2个方案情况优劣势对比如表5所示。

表5 L2100和L1800优劣势对比

7月26日，为保障铁总测试，徐州对北段进行带内1.8G扩容，开通载波聚合，实际提升效果如下：路测下载速率由30 Mbit·s-1提升至43 Mbit·s-1，提升幅度为43%，LTE数据流量（一天）由635 Gbit·s-1上升至777 Gbit·s-1，话务量提升22.4%。

4 结束语

本文围绕高铁场景下SFN不同类型合并模式展开分析，从站点接入能力及用户感知速率两个维度来评估高铁LTE网络的负荷，结合现网数据统计分析，从用户感知角度出发，确定各评估指标项的预设门限。通过分析SFN拆分影响，确定高铁网络负荷高的情况下如何合理进行拆分，合理利用SFN可以提升用户感知速率，根据实际情况进行拆分，避免“一刀切”带来的用户感知下降及小区指标恶化。由于各地区本地网高铁用户分布、业务模型及无线环境都存在区别，各指标预设门限可以根据实际情况进行灵活调整。