基于流量不限量套餐开通后的小区扩容算法分析

李洲, 黄圣红

(1 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080; 2 中国移动通信集团海南有限公司，海口 570125）

1 背景

中国移动致力于打牢网络能力基础，截至2017年6月，中国移动建成4G基站165万个，4G用户总数达到5.94亿，4G网络渗透率达到69%。与此同时，随着互联网应用的蓬勃发展，以及网络基础架构的不断升级，移动用户手机无线上网流量同比增长了107.5%，而通过移动端无线上网的收入在通信服务总收入中的占比超过了50%，无线流量继续发挥最大增收来源的作用。

为响应国家“提速降费”的号召，同时也为进一步满足用户对移动设备上网不断增长的需求，中国移动自2017年上半年开始，逐步推出了包含“任我用”等品牌在内的不限量套餐。由于各省基础网络建设进度的差异，以及客户群体的区别，各省公司在不限量套餐的具体资费标准和推广进度上，均结合本省特色有所调整。尽管如此，在不限量套餐推出后的短短时间内，各省4G网络均遭遇了不同程度的无线基站和传输链路告警。随着无线流量的激增，为避免后续网络压力进一步扩大，必须提前做好扩容工作，明确扩容目标和扩容规模。

2 算法及策略分析

按照基于用户感知的扩容策略，可根据业务模型差异，将全网小区分为大中小分组3类小区，针对每一类小区制定各自的扩容标准。小区扩容核定逻辑为“有效RRC用户数达到门限”，且“上行利用率或下行利用率达到门限”，且“上行流量或下行流量达到门限”（此扩容标准不适用于高铁扩容方案）。考虑到未来业务仍然主要集中在下行信道上，且按照扩容核定逻辑，仅需要上下行之一满足要求即可。因此在后续进行门限判决时仅考虑下行信道相关的各项门限值以简化算法。

2.1 利用率的预测

如果严格按照扩容标准，必须同时达到3类门限才能开展扩容。然而对于4G网络的PRB利用率而言，其指标变化与用户的行为模式和业务类型都有关系（因为会影响到调度算法对资源块的分配方式），并不与用户多少、吞吐量大小等因素形成强映射关系，因此无法通过精准预测上下行利用率的变化来决定扩容目标。但结合利用率变化趋势来看，目前忙时利用率较高的小区在未来会更快达到门限值。因此在进行利用率门限设定时，可采用现网小区下行自忙时利用率超过35%（该数值的取定有两方面的考虑，一是未来以视频业务为主的大分组小区将成为主要小区类型，二是按照下行利用率翻一番进行推算）作为未来优先触及门限值的标准。

2.2 流量的预测

对于小区自忙时流量而言，需要有两方面的考虑。一是继续沿用当前套餐的用户，其流量的自然增长率α；二是升级为不限量套餐的用户，其流量的爆发式增长率β，而这就必然涉及到用户升级不限量套餐的转化率γ。对于α的预测，可通过对不同场景下的小区下行自忙时流量，按照不同月份取样并进行曲线拟合。对于β的预测，可根据不同套餐类型，在不触发限速即流量封顶的情况下，测算不同场景下的平均增长倍率，公式为：

β=套餐流量上限/某场景下平均单用户下行DOU （1）

其中，某场景下平均单用户下行DOU可按下式进行求取：

某场景下平均单用户下行DOU=某场景下小区日均下行总流量/小区数/平均单小区用户数×30 （2）

而对于转化率γ而言，其体现为二维数组，即纵向与场景类型相关，横向与流量区间相关。小区下行自忙时流量区域设定为：1级，[0，300 MB)；2级，[300，600 MB)；3 级，[600，1 500 MB)；4 级，[1500，3 000 MB)；5级，[3 000，+∞)。因此γ即为一个[场景数量，5]的二维数组。该二维数组可通过参考已开通不限量套餐省份的经验数据进行类比求取。

在得到α、β、γ3个参数后，即可对未来小区下行自忙时流量进行预测，计算公式为：

未来小区下行自忙时流量=现网小区下行自忙时流量×γ×β+现网小区下行自忙时流量×（1-γ）×α （3）

即对每一个小区，首先判定其所属场景类型，之后判定其流量区间，再据此选取对应的α、β、γ数值，最后进行加权计算即可。

2.3 有效RRC连接数的预测

在一定程度上，可将有效RRC连接数视为4G用户并发数，即实际产生4G数据交换的实时连接数。4G单载波的承载能力是有限的，一般情况下，4G单载波（20 MHz）的承载能力为20 Mbit/s。因此随着单小区内4G用户并发数的增加，必然会影响到4G用户的感知。前文所述对利用率的预测、以及对流量的预测主要为明确需要扩容的小区目标，而对于有效RRC连接数的预测则主要为明确需扩容的载波数量。

假定单小区4G用户并发数增长率与4G用户增长率保持一致，同时考虑20%的容错补偿，则：

未来单小区自忙时有效RRC连接数=现网单小区自忙时有效RRC连接数×4G用户增长率×1.2 （4）

为满足用户感知，需要根据各类业务类型占比及该业务的最低保障需求速率加权求取单用户综合保障速率，进而求得单小区的综合保障速率。在此基础上，即可测算出单小区在保证用户感知前提下需要扩容的载波数，为：

未来单小区扩容载波数=ROUNDUP{Σ(业务类型占比×该业务的最低保障需求速率)×未来单小区自忙时有效RRC连接数/20-1} （5）

其中，20即为单载波承载能力20 Mbit/s。另外，前文中所述单小区均为单载波小区，即所有数据的统计维度均以载波为单位进行计算。

至此，对于扩容核定逻辑的3类门限均按照小区级进行了预测，不仅明确了需要扩容的小区目标，同时给出了各扩容小区需要扩容的载波规模，这样亦避免了后期扩容工作的重复性规划和施工。

图1 流量分别按照从高到低和从低到高排序

3 应用示例

结合上述算法，应用到实际工程中，以某省移动现网数据为依据，进行小区级扩容规划，预测截止到2018年底需进行扩容的规模，则除了利用率之外，分别从流量增长和用户感知两个维度进行预测。

3.1 流量增长预测

首先，以采集到的10月某一天的自忙时数据为基础进行分析，得到该省在全省范围内共有38种场景类型。按照小区自忙时流量从高往低排序前15位如图1左所示，从低往高排序如图1右所示。其中自忙时流量最高的场景包括道路、村庄、高校、居民区、党政机关等，流量最高的前15位占据了总流量的93.7%，其中室外场景为61.4%；自忙时流量最低的场景包括景点、工业园区、广场公园、医院等，流量最低的前15位仅仅占据了总流量的1.7%。

其次，挑选3个时间节点，即2016年12月、2017年4月和2017年10月进行全省当月总流量的统计，得到其变化趋势图如图2所示。

将全省小区按照38种场景进行分类后，其变化趋势大致与图2类似，进而对各场景进行曲线拟合（主要为多项式拟合和对数拟合），得到不同场景下的小区下行自忙时流量增长趋势公式，从而可得到截止到2018年底各场景下小区下行自忙时流量的自然增长率α，如表1所示。

图2 全省月流量变化趋势图

其次，考虑不限量套餐用户的流量增长，取前述省内不限量套餐为例，限速前流量上限为40 GB。从用户角度出发，对于已开通不限量套餐的用户，其行为模式大概率倾向于在不触发限速的前提下，尽量多的使用套餐内流量。取极端情况下，用户用尽套餐内流量而不触发限速，即刚好用完40 GB（假设该套餐可持续到2018年底），则对于转化不限量套餐的用户而言，不同场景下其流量增长率β，如表1所示。

最后，需要对用户的套餐转化率进行预测。参考已开通不限量套餐省份的实际运行数据，对不同业务流量区间划分进行预测，得到不同场景、不同流量区间下截止到2018年底的不限量套餐转化率γ，如表2所示。

表1 不同场景下的自然增长率α和不限量套餐流量增长率β

表2 不同场景、不同流量区间下的不限量套餐转化率

则按照式3进行计算，可得到全省小区2018年底自忙时流量到达预测值。考虑不限量套餐开通以后用户的业务向视频、高清语音等大分组业务类型转变，因此按照大分组小区的扩容标准进行筛选。同时考虑下行PRB利用率的增长，得到截止到2018年底全省需要扩容的小区清单列表。

3.2 用户感知预测

根据式5，首先需要求得单用户综合保障速率。假定当前业务类型占比、最低保障速率等如表3所示。

根据市场调查法、趋势外推法等预测方法对今后的预测进行评估，得出2018年12月的单用户综合保障速率如表4所示。

表3 当前各业务类型最低保障速率及占比

表4 预测2018年底单用户综合速率

针对式4，取4G用户增长率=2018年底 4G用户预计到达数/2017年10月4G用户实际到达数。将上述各参数代入式5，同时参考前述中对流量值的预测，则可同时得到需扩容的小区清单列表，及各小区需要扩容的载波数。

3.3 综合维度考虑

在进行扩容预测时，无论是PRB利用率还是流量，亦或是有效RRC连接数，任何一个变量的急速增长都将为网络带来巨大的影响和压力。因此，为提前做好规划准备，需要将前述两种情况取并集，即同步考虑下行利用率和流量增长引起的扩容规模，以及保证用户感知前提下引起的扩容规模，从而得到截止到2018年底全省范围内的总体扩容规模。

4 结论

随着4G用户对流量需求的迅速上升，尽管运营商已经推出了多样化的套餐服务，包括流量累计、共享，视频流量包等，但不限量套餐的推出仍然备受期待。然而，结合国外运营商历史轨迹来看，不限量套餐在推出后的极短时间内，就多次出现了网络拥塞或是局部瘫痪的情况。AT&T在开通不限量套餐一年后开始频繁遭遇断网，尽管之后一再对网络进行扩容，但仍未能缓解数据激增带来的网络压力，用户体验显著下滑，而这甚至促使AT&T一度取消不限量数据套餐。对于有着将近6亿4G用户的中国移动来说，这无疑是个巨大的难题和挑战。本文中所介绍的从PRB利用率、小区下行自忙时流量、用户感知等3个维度进行预测计算、综合判决的方法，从一定程度上能够比较精准地确定扩容小区目标和扩容规模，帮助运营商提前做好传输带宽和无线载波的扩容储备，以应对不限量套餐开通后随之而来的网络压力。