LTE多频多载波复杂组网下的业务均衡优化方法浅析*

田上力，郑 翰

（中国移动通信集团浙江有限公司温州分公司，浙江 温州 325000）

0 引 言

自从2013年中国移动开始建设4G(LTE)网络以来，随着业务的迅猛发展，LTE网络承受的负荷压力越来越大。为解决LTE网络的覆盖和容量压力，经过多年建设，中国移动逐步形成了多制式多频段混合组网的复杂网络结构。然而，这种由FDD900FDD1800F频段D频段E频段A频段组成的两种制式、六种频段、十余种载波的复杂组网架构很容易造成共站或者相邻站点载波之间的负荷难以均衡，而不均衡状态极易导致载波过忙或者过闲，从而影响用户感知和投资收益。因此，有必要对本地LTE多频段多载波复杂组网模式下的负荷不均衡情况进行分析，并给出相应的解决方案，从而使得载波间的业务负荷尽量趋于平衡。

1 多频多载波复杂组网下载波间不均衡情况分析

为了较准确地评估多频段载波之间的业务均衡状况，采用省内通用的方式对负荷不均衡做出以下定义：

（1）定义共扇区的概念：任意选定一个小区，依据经纬度计算，小区之间的距离在50 m以内、小区之间的天线方向角相差20°以内的相邻小区，均视为同一个共扇区。

（2）共扇区内至少存在一个高负荷小区，其中高负荷小区是指该小区忙时PRB利用率＞50%。

（3）共扇区内任意一对载波之间的自忙时下行PRB利用率差值＞20%。

按照上述定义，对本地LTE网络的不均衡状况进行了统计，发现3月份负荷不均衡情况比较严重。3月日均不均衡扇区占比高达24.28%，单日不均衡占比最高达28.63%（如图1所示），月度不均衡扇区占比严重程度在全省排名第二（如图2所示）。

图1 负载不均衡扇区比例

对此情况进一步进行分析，发现主要与以下几个因素有关。

图2 各地区负荷不均衡扇区比例

1.1 多频多载波混合组网导致网络结构特别复杂

中国移动4G网络包括FDD900（1个载波、带宽10 MHz×2）、FDD1800（1个载波、带宽20 MHz×2）、F频段（2个载波、带宽30 MHz）、A频段（1个载波、带宽15 MHz）、D频段（3个载波、带宽60 MHz）、E频段（3个载波、带宽50 MHz），共计6个频段、11个载波。另外，从基站设备形态来看，既有2T2R、8T8R等普通宏站设备，也有64T64R的3DMIMO AAU设备，既有传统室分设备,也有Lampsite、Pico基站等新型室分设备。此外，还有Book RRU、Easy、Macro等小微站设备。在组网策略上，形成了以FDD900为托底覆盖层、F频段为主覆盖层、FDD1800和D频段作为主要容量层、F2和A频段作为补充容量层的基本网络架构。由于存在FDD和TDD两种制式，且不同层级网络的目标定位各不相同，因此，在互操作参数策略上作相应的设定显得极有必要。比如，一般覆盖层载波的接入优先级较低，容量层载波的接入优先级较高等。此外，在载波的频率差异、基站发射机的功率能力差别和各类终端支持频段带宽的能力不同等多种因素的共同作用下，必然会带来不同载波在信号覆盖能力和业务吸收能力上的较大差异，最终可能出现PRB利用率的显著差别和负荷分布的严重不平衡。比如，FDD900和F频段在信号覆盖能力上就存在很大的差别，对此进行了共站对比测试，测试结果如图3、图4和图5所示。

在测试路线与站点之间无障碍物阻挡。在F频段信号断连之前（0～1350 m）的路段，滨海新区起步区北_129（F频段载波）的平均RSRP（接收电平）为-100.48 dBm，滨海新区起步区北NB-IoT_132（FDD900载波）的平均RSRP为-92.44 dBm，比F频段强8.04 dBm。也就是说在空阔的场景下，FDD900M相对F频段平均电平高8.04 dB，覆盖距离增加70.69%。

图3 F频段载波拉远测试结果

图4 FDD900载波拉远测试结果

图5 FDD900载波和F频段载波拉远对比测试RSRP打点

1.2 共扇区内载波配置越多，不均衡概率越大

本地网共计11个载波，其中宏站有8个载波。因此，共扇区内最大可能配置的载波数是8个。从图6可以看出，共扇区内载波数量越多，其扇区内出现不均衡的概率越大。比如，扇区内载波数为2的不均衡概率为11.9%。而载波数超过4的时候，扇区内出现不均衡的概率将激增至42.0%。如果载波数超过7个，则不均衡概率将超过80%。可见，不均衡扇区出现的概率和扇区内载波配置数量几乎呈线性增长关系。

图6 扇区内不同载波配置出现的不均衡概率

1.3 共扇区内不同载波工参差异越大，出现不均衡的概率越大

在实际的均衡优化过程中发现，部分载波间的负载均衡通过互操作参数和MLB参数均无法达到预期结果，有理由怀疑这些载波之间存在固有的覆盖差异。针对这些疑难问题扇区，通过小区的天线挂高、方向角、下倾角等工参计算其理论覆盖范围，然后依据理论计算的结果选择存在载波间覆盖范围差异较大的扇区，到现场进行覆盖一致性核查。通过核查实际的天线挂高、下倾角、方位角以及信号阻挡情况，再反过来验证计算方法的有效性。

基于天线挂高和下倾角计算的覆盖距离L的计算公式为：

其中L是覆盖距离，H是天线挂高，φ是天线下倾角。

通过计算发现：在共扇区内最大载波覆盖距离和最小载波覆盖距离比在1.5以上的载波间不均衡概率显著增加；比值在4.5以上时，不均衡概率甚至增加至31.9%，如表1所示。

2 多频段载波间不均衡解决方案研究

2.1 厘清并制定多频多载波组网互操作参数基准策略是负载均衡优化的前提

LTE网络的总体负荷均衡水平首先决定于特定的互操作参数策略，负载均衡优化不能脱离特定的互操作策略而独立存在。因此有必要厘清本地网络中各种载波的层级定位，并在此基础上研究并制定基于不同频段载波的覆盖能力和频谱带宽资源等因素而形成的互操作参数策略。比如，FDD900M覆盖能力强，但频谱带宽只有10 MHz×2；FDD1800覆盖能力比FDD900M弱，但可以实现20 MHz×2组网；F频段和D频段的覆盖能力进一步下降，但D频段拥有更多的频率资源。因此，必须将多频网络的互操作参数策略进行合理设计，否则很可能出现覆盖层载波过载而容量层载波不能承载较多业务的问题，反之亦然。对此，依据FDD900作为托底覆盖层，以F1作主覆盖层、F2AFDD1800D作容量层的目标定位，制定了相应的互操作策略模板。这是后续进行负荷均衡优化的基本前提。

表1 不同覆盖距离比对应的不均衡概率

（1）宏站间切换基准策略如图7所示。

（2）重选策略重新梳理如表2所示。

图7 多频多载波间切换参数策略

表2 重选优先级和参数门限

2.2 载波间功率拉齐

随着网络负荷的增加，RRU功率需要进行均衡分配，确保小区扩容后多层小区覆盖范围一致。因此，需要在日常优化过程中进行一定的功率预留，防止功率再分配后原小区覆盖降低[1]。更进一步，同频段载波扩容后要进行功率拉齐，也就是在同一频段内、不同载波之间设置相同的发射功率。中国移动D频段共60 MHz带宽内划分了3个载波，分别是D1D2D3载波。E频段共50 MHz带宽，也划分了3个载波，分别是E1E2E3载波。由于同频段内不同载波频率接近，并使用同一台RRU或者AAU设备工作，因此只要在基站侧配置相同的发射功率，那么理论上其覆盖能力是基本一致的。所以，只要载波间的互操作策略相同，基本上就能够保持较好的负荷均衡。

通过梳理共完成1 504个扇区、4 281个载波进行功率拉齐操作。功率对齐后，扇区内最忙载波和最闲载波间的PRB利用率改善至20%之内的有787个，占比52.33%，效果较好，如图8所示。此外，发射功率拉齐也为后续进一步的负荷均衡操作奠定了基础。

图8 功率拉齐后复杂均衡改善结果

2.3 通过制定MLB参数组策略进行负荷均衡

LTE系统内移动性负载均衡（Mobility Load Balancing，MLB）是指eNodeB通过切换或重选实现负载在高负载小区向系统内低负载小区的重新分配，以提高资源利用效率，保证业务的QoS水平[2]。通过MLB功能能够实现在载波之间基于负荷触发的业务定向转移，从而让承载于高负荷小区上的用户通过空闲态的重选和连接态的切换实施向低负荷小区的定向业务迁移。它是在互操作参数策略之上的一种附加的业务转移功能，能够在一定程度上实现互操作难以实现的均衡效果。虽然基于MLB的业务均衡更具有针对性，但也更具有强制性，因此风险更大。

具体来看，负荷均衡功能有空闲态预均衡、基于PRB的负荷均衡和基于用户数的负荷均衡3种方式[3]。按照本地网实际情况，针对3种触发方式，经过多次试点，最终确定了较为合理的MLB参数组基线策略，如表3所示。

2.4 通过工参调整改善负荷均衡

本次天馈调整选取了28个严重不均衡且理论计算覆盖范围差异大的扇区进行现场勘察，其中确认是方向角、倾角以及挂高等工参引起的覆盖差异占53.57%，如图9所示。

图9 不均衡扇区数量

针对这28个不均衡扇区给出优化方案，其中通过天馈调整15个，需天面整改3个，剩余10个由于美化罩无法调整或现场查勘工参无异常等问题，后期还需结合功率配置、邻区设置以及MLB参数等作进一步分析。在实施完成15个天馈调整方案后，14个不均衡问题有所改善，12个不均衡问题已解决，问题解决率为80%，效果较明显，如表4所示。

表3 MLB基线参数设置

表4 天馈调整后负载均衡改善效果

续表4

以下是一个天馈调整后负荷均衡达到预期的案例。9月29日查勘发现浦西樟榕路机房F天线在第一平台，FDD1800在第二平台。其中F是美化集束天线，方位角、倾角无法调整，F和FDD1800之间的方位角差异20°，倾角差异10°，天线挂高和倾角差异导致F和FDD1800长期不均衡。现将FDD1800小区方位角调整至50°，机械倾角从15°调整至8°，观察9月29日至10月2日的性能数据发现其载波间的负荷已趋于均衡。本案例天馈调整记录如表5所示，基站天馈现场情况如图10所示。

图10 浦西樟榕路机房基站天馈调整案例

天馈调整后，两个载波间的负载均衡情况得到了显著改善，天馈调整前后忙时PRB利用率变化情况如表6所示。

2.5 开发负载均衡自动优化平台

总结、归纳日常不均衡问题处理知识和经验，模拟专家决策过程，针对全网不均衡问题扇区，输出优化措施，并直接生成优化工单，极大地减少了人力开支。

表6 浦西樟榕路机房基站天馈工参调整前后PRB利用率对比/（%）

按“前端+后台+数据层”的架构（如图11所示）搭建负载均衡优化平台，前端提供前端交互和结果呈现输出功能，可完成白名单、参数配置以及输出工单（如图12所示）；后台服务器实现数据提取、优化方案生成和工单输出；数据层按需从OMC网管数据库和资管数据库中爬取参数优化所需原始数据，如基站业务数据、基站配置数据、基站经纬度、天线参数。

图11 负载均衡优化平台架构

平台算法流程如下：

（1）轮询计算输出全网共覆盖扇区组；

（2）根据省公司规则自动识别不均衡问题扇区组；

（3）双向邻区关系核查以及增补工单生成；

（4）同频段内小区功率核查以及拉平工单生成；

（5）MLB（负载均衡）参数集核查以及优化工单生成；

（6）互操作参数集核查以及优化工单生成；

（7）点对点切换邻区参数（CIO）精细优化；

（8）按规范格式输出优化工单。

在第（5）、（6）、（7）步骤计算MLB参数和互操作参数（A2、A4、A5、CIO等）时，采用PID控制算法中的比例控制算法，即：

其中，M为算法输出的调整步长（dB），e为对象小区当前PRB利用率与目标PRB利用率的差值，K为比例系数（基于日常优化经验整定）。比例控制算法可以大大提升目标小区PRB利用率的收敛速度，减少迭代优化次数，从“小步快跑”转变为“大小步并跑”。

3 负荷均衡优化效果

本次优化厘清并实施了多频段载波之间互操作参数策略，完成了同频段内载波之间的发射功率拉齐，开启了负荷不均衡载波之间的MLB均衡模式，开展了基站天馈结构优化，并通过开发负载均衡自动优化平台实现了负载均衡的自动化操作。到2019年11月份，本地网的不均衡情况大为改善：11月日均不均衡扇区个数减少至2300个，不均衡扇区占比降至17.56%（如图13所示）。从月度平均来看，11月较3月的不均衡情况改善了27.68%（如图14所示）。

图12 自动优化前端示意

图13 本地网全年日粒度不均衡指标变化

图14 月度不均衡扇区占比变化

4 结 语

针对本地LTE网络载波间较严重的不均衡情况，从多频段多载波混合组网导致的复杂网络结构、共扇区内载波配置和不均衡概率的关联性、扇区内载波间工参差异和不均衡概率的关联性3个主要因素进行分析，确定了针对性的优化方向。第一，通过厘清网络不同分层的目标定位重新制定了载波间的互操作参数策略；第二，通过载波间功率拉齐，开启基于MLB参数组的负载均衡算法进行定向均衡；第三，对于特别难以均衡的扇区，通过计算其覆盖范围的差异性并实施天馈调整等方法；第四，开发负载均衡自动化工具，极大提升了不均衡优化工作效率，使得全网的不均衡扇区占比从24.28%降低至17.56%，不仅改善了用户感知，也提升了投资效益。