基于校园LTE网络容量和感知优化的探究

李战　刘建明

【摘 要】

以XX学院FDD网络为例，通过对其用户行为和网络负荷的分析，提出了针对校园LTE FDD系统容量分析、监控及感知优化的解决建议，为网络资源容量的扩容提供数据依据，保障校园LTE网络高质、高效的运行。

【关键词】

LTE 资源容量 空口负荷 感知速率 扩容

1 概述

1.1 背景

校园拥有庞大且特点相对集中的客户群，是大量话务的源头之一，校园网市场是移动通信网络发展的战略性市场。学生群体追求时尚，品牌归属感强，是未来高端客户的潜在群体。抢占校园网市场，对于正在大力发展4G的运营商来说，具有不可估量的战略意义。运营商在校园网市场的竞争异常激烈。在中国移动TD-LTE网络提前领跑的现实情况下，中国电信则需要建设和优化好自己的校园LTE网络，发挥LTE FDD的性能优势，以高感知度发挥后发优势抢占校园市场。要实现以上目标，一张运行稳定、高性能的精品LTE网络是基础。

1.2 LTE校园网特点

发展校园网市场，首先要对校园网本身以及校园用户群的特点有足够的认识。校园网用户群的主要特点如下：

◆用户多，业务量大，高并发；

◆以小数据包、多连接、高时长业务为主，如即时社交软件（QQ、微信、贴吧等）、在线手游、新闻小说阅读等；

◆在时间和空间上业务分布非常集中，存在明显的“潮汐”效应。

以主要承载业务类型为依据可将基站小区分为：小包小区、中包小区、大包小区，本文将以此为切入点，分析和探索校园网络的优化方案。

2 校园LTE话务模型分析

本章对校园网用户话务模型进行分析，为后续分析提供相关的数据参考和支撑。

2.1 校园网话务模型

校园网话务模型如图1所示：

图1 校园网话务模型

XX学院的LTE网络模型如表1所示。

2.2 校园网有效传输比

有效传输比指在线用户中传输数据的比例，反映实际占用业务PRB（Physical Resource Block，物理层数据传输的资源分配的频域最小单位）资源的用户情况，有效传输比越大则用户业务越多，占用的业务资源越多，大包业务的有效传输比高于小包业务。

有效传输比=激活用户数/RRC连接数 （1）

随着小区承载业务越多，用户速率降低，激活用户数增多，但业务间等待时间不变，有效传输比提升。

◆“小包小区”的有效传输比在容量门限内表现平稳，在容量门限内约为4%；

◆“大包小区”的有效传输比随着用户数增加而持续提升，在容量门限内约为11%；

◆“中包小区”的有效传输比随着用户数增加而持续提升，在容量门限内约为7%。

2.3 校园网用户均峰比

用户均峰比反映平均RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）用户数与最大RRC用户数的比例，随着用户数的增长，均峰比提升。用户均峰比可以近似反映用户激活比，用户均峰比越大，则用户激活比越大。

◆对于“小包小区”，用户均峰比在用户数提升后，最终达到约为70%；

◆对于“大包小区”，用户均峰比在用户数提升后，最终达到约为80%；

◆对于“中包小区”，用户均峰比在用户数提升后，最终达到约为80%。

3 校园LTE网络容量分析

校园LTE网络容量分析的目的是评估网络当前的负荷程度，判断网络容量是否存在受限因素，并提供相应的优化及扩容方案。在具体分析层面上，分为空口资源、设备资源、传输资源等几大部分，本章主要分析空口资源。

空口硬资源评估是对空口各种物理资源利用率的评估，包括PRB、PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行链路控制信道）、PRACH（Physical Random Access Channel，物理随机接入信道）、PUCCH（Physical Uplink Control CHannel，物理上行链路控制信道）、空口寻呼资源、RRC用户数License等。

空口用户感知评估主要分析用户感知速率，与业务体验的要求相比较，判断网络容量是否满足业务体验的要求，以此来评估LTE网络容量是否受限。空口用户感知确定的LTE容量是软容量。

3.1 基于用户感知的LTE网络容量分析

用户感知是衡量网络性能好坏的重要标准，所有的优化工作都是以用户感知提升为目标，所以在网络容量分析时，用户感知是重要的参考因素。本章以现网实际数据为依据，对用户感知和网络容量之间的关系进行分析讨论。

（1）“小包小区”的容量分析

“小包小区”的用户感知速率和平均用户数关系如图2所示。

分析“小包小区”的用户感知速率与平均用户数的变化关系可知，在小区内的平均用户数低于102时，用户感知速率基本保持在2.7Mbps左右，虽然用户可以从小区获得的最大速率远高于此，但感知速率并不会提升。说明在这些“小包小区”中，小包业务需要的感知速率在2.7Mbps左右。

小区内的平均用户数大于102时，用户感知速率开始下降，由此导致用户等待的时间变长，同时用户从小区可获得的最大速率也会急剧下降，说明此时用户体验已经开始受到影响。

综上分析，“小包小区”保障用户感知的用户数门限为：小区内的平均用户数≤102。

分析“小包小区”的PRB占用率与平均用户数的变化关系可知，小包业务小区PRB占用率都比较低，达到平均用户数门限时，下行PRB占用率约为30%。

分析“小包小区”的流量与平均用户数的变化关系可知，小包业务小区的流量相对较低，达到平均用户数门限时，小区的下行流量约为2.5GB，上行流量约为0.22GB。

（2）“大包小区”的容量分析

“大包小区”用户感知速率和平均用户数关系如图3所示。

分析“大包小区”的用户感知速率与平均用户数的变化关系可知，大包业务的感知速率是随用户数的增长而下降的，说明对于大包业务，负荷低时它可以感知到更高的速率，随着用户可获取的最大速率下降，大包业务感知速率也下降，这与小包小区的特征是不一样的。

结合平均用户数与用户感知速率的关系，考虑大包业务感知速率要求为5Mbps，“大包小区”保障用户感知的用户数门限为：小区内的平均用户数≤53。

分析“大包小区”的PRB占用率与平均用户数的变化关系可知，大包业务小区PRB占用率都比较高，达到平均用户数门限时，下行PRB占用率约为60%。

分析“大包小区”的流量与平均用户数的变化关系可知，大包业务小区的流量相对较高，达到平均用户数门限时，小区的下行流量约为6.8GB，上行流量约为0.5GB。

（3）“中包小区”的容量分析

“中包小区”用户感知速率和平均用户数关系如图4所示。

分析“中包小区”的用户感知速率与平均用户数的关系可知，中包业务的感知速率是随用户数的增长而下降的，但它的速率低于大包业务。

对于“中包小区”，考虑业务体验要求取大包业务和小包业务之间速率约3.8Mbps，“中包小区”保障用户感知的用户数门限为：小区内的平均用户数≤64。

分析“中包小区”的PRB占用率与平均用户数的关系可知，中包业务小区达到平均用户数门限时，下行PRB占用率约为45%。

分析“中包小区”的流量与平均用户数的关系可知，大包业务小区的流量相对较高，达到平均用户数门限时，小区的下行流量约为3.8GB，上行流量约为0.42GB。

（4）小结

通过对用户感知和网络负荷相互关系的分析，可以得出如下结论：为保障用户感知不受明显的影响，各业务特性小区需满足表2的条件（即保障用户感知的小区扩容标准）：

表2 保障用户感知的小区扩容标准

小区分类 容量监控指标

（小时级话统指标） 判断标准

小包小区（平均每E-RAB流量≤300kB） 小区内的平均用户数 102

PRB占用率/% 30

中包小区（300<平均每E-RAB流量<1000kB） 小区内的平均用户数 64

PRB占用率/% 45

大包小区（平均每E-RAB流量≥1000kB） 小区内的平均用户数 53

PRB占用率/% 60

相关指标说明如表3所示（E-RAB（Evolved Radio Access Bearer，演进的无线接入承载）；PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议））。

平均每E-RAB流量=小区PDCP层所发送的下行数据的总吞吐量/8/1024/E-RAB建立成功总次数 （2）

下行PRB占用率=下行PRB被使用的平均个数/

下行可用的PRB个数 （3）

上行PRB占用率=上行PRB被使用的平均个数/

上行可用的PRB个数 （4）

表3 相关指标说明

指标ID 指标名称 指标描述

1526727378 L.Traffic.User.Avg 小区内的平均用户数

1526728261 L.Thrp.bits.DL 小区PDCP层所发送的下行数据的总吞吐量（比特）

1526726740 L.ChMeas.PRB.DL.Used.Avg 下行PRB被使用的平均个数

1526728433 L.ChMeas.PRB.DL.Avail 下行可用的PRB个数

1526726737 L.ChMeas.PRB.UL.Used.Avg 上行PRB被使用的平均个数

1526728434 L.ChMeas.PRB.UL.Avail 上行可用的PRB个数

1526727544 L.E-RAB.SuccEst E-RAB建立成功总次数

3.2 基于空口信道资源负荷的容量分析

空口资源受限会导致网络性能急剧下降、KPI（Key Performance Indicator，关键绩效指标法）严重恶化，此时无法保证用户接入的最低要求，用户感知更是无从谈起。鉴于此，对空口信道资源负荷进行关注显得尤为重要。

（1）RRC连接许可用户数使用率

“eNodeB（Evolved Node B基站）内的最大用户数”统计了接入（包括接入成功、接入失败、切换入成功、切换入失败但已申请到License）该eNodeB的所有UE申请License的最大值，该指标作为是否需要扩容用户数License的决策依据。当eNodeB内的最大用户数超过License数目时，新用户接入将会失败，影响用户体验。

根据优化实践经验，建议“RRC连接许可用户数使用率”达到70%时，即要密切关注其变化趋势，并做扩容准备。

RRC连接许可用户数使用率=eNodeB内的最大用户数/RRC连接许可用户License数×100% （5）

RRC连接许可用户License数取小区配置值。

（2）平均PDCCH信道占用率

PDCCH承载的是DCI（Downlink Control Information，下行链路控制信息），包含一个或多个UE（User Equipment，用户设备）上的资源分配和其他的控制信息。UE需要首先解调PDCCH中的DCI（Downlink Control Information，下行控制信息），然后才能够在相应的资源位置上解调属于UE自己的PDSCH（Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道）（包括广播消息、寻呼、UE的数据等）。因此如果PDCCH占用率受限，将导致用户接入、业务体验都会受到影响。

建议“平均PDCCH（Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道）信道占用率”达到70%时，即要密切关注其变化趋势，并做扩容准备（CCE（Control Channel Element，控制信道因子））。

平均PDCCH信道占用率=（公共信令使用的CCE个数+上行调度使用的CCE个数+下行调度使用的CCE个数）/小区最大CCE个数×100% （6）

（3）平均小区寻呼信道占用率

小区寻呼负荷一旦超过规格，寻呼消息就可能被丢弃，导致寻呼成功率下降，进而影响用户使用感知。

当“平均小区寻呼信道占用率”达到50%时，即要密切关注其变化趋势，达到70%可能出现寻呼消息被丢弃的情况，此时需要扩容。

平均小区寻呼信道占用率=小区Uu接口寻呼用户个数/3600/寻呼容量 （7）

寻呼容量按1200计算。

（4）平均PRACH信道占用率

UE通过上行PRACH来达到与LTE系统之间的上行接入和同步。随机接入过程分为基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入。如果竞争接入次数超过N次/s（当带宽为15M/20M时，N取值为100；当带宽为5M/10M时，N取值为50），UE发起随机接入遇到冲突的概率增大，接入时延增大。这里N的选择是产品在Preamble（序文）设计时考虑碰撞概率小于1%等因素确定的。

建议“平均PRACH信道占用率”达到50%时，即要密切关注其变化趋势，达到70%则需要扩容。

平均PRACH信道占用率=（忙时竞争Preamble接收次数（Group A）+忙时竞争Preamble接收次数（Group B））/3600/N×100% （8）

N=100，带宽为15M/20M；或N=50，带宽为5M/10M。

（5）平均PUCCH信道占用率

PUCCH资源指空口可分配的SRI（Scheduling Request Indication，调度请求指示）和CQI（Channel Quality Information，信道质量信息）资源的调度用户数及其使用的资源数，以及动态ACK资源数。PUCCH容量受限，首先将导致准入控制和切换失败，小区调度用户数受限，同时影响小区和用户吞吐率以及用户上行调度时延。

小区RRC连接用户中只有维持上行同步的用户是需要使用PUCCH资源的，以此类用户数和PUCCH资源支持的最大用户数的比例来作为评估PUCCH资源利用情况的依据。

建议“平均小区寻呼信道占用率”达到70%时即要密切关注其变化趋势，并做扩容准备。

PUCCH资源利用率=小区内上行平均同步用户数/PUCCH用户容量×100% （9）

PUCCH用户容量按1200计算。

（6）小结

LTE空口信道容量受限后，会产生相应的业务和信令拥塞，PRB信道资源主要是感知受限，已包含在基于用户感知的容量监控中，本章主要监控的是与控制面相关的信道资源。通过以上分析得知，空口信道资源负荷需要监控的指标及扩容标准如表4所示：

表4 空口信道资源负荷监控指标及扩容标准

容量监控指标 判断标准

RRC连接许可用户数使用率 >70%

平均PDCCH信道占用率 >70%（5分钟话统推荐，

小时统计推荐50%）

平均小区寻呼信道占用率 >70%（5分钟话统推荐，

小时统计推荐50%）

平均PRACH信道占用率 >70%（5分钟话统推荐，

小时统计推荐50%）

平均PUCCH信道占用率 >70%（5分钟话统推荐，

小时统计推荐50%）

4 XX学院网络容量评估

上文探讨了用户感知与网络负荷之间的关系，提出了保障用户感知的网络容量监控与扩容标准，本章以XX学院为例，对其现网负荷进行评估分析，并提出优化解决方案。

4.1 当前容量评估

从“感知受限”和“空口资源受限”两个方面对XX学院的负荷进行评估。

（1）感知受限

统计一周小区级话统指标（7×24小时），根据各小区所属的不同业务特征类型（如小、中、大包小区，根据小区每E-RAB流量确定），使用对应的评估门限标准进行判断：

小包小区用户数门限≥103且上行或下行PRB占用率>30%；

中包小区用户数门限≥64且上行或下行PRB利用率>45%；

中包小区用户数门限≥53且上行或下行PRB利用率>60%。

一周内任一时段（小时）各小区符合上述任一条件的记业务受限一次，并进行累加。

（2）空口资源受限

统计一周小区级空口负荷指标（7×24小时），使用对应的门限标准进行判断（1小时话统）：

RRC连接许可用户数使用率>70%；平均PDCCH信道占用率>50%；平均小区寻呼信道占用率>50%；平均PRACH信道占用率>50%；平均PUCCH信道占用率>50%。

一周内任一时段（小时）各小区符合上述任一条件的记相应指标受限一次，并进行累加；任一时段以上任一指标受限，则表明小区空口资源受限。

（3）评估结果

根据以上原则评估分析可知，当前有8个小区存在感知和空口资源都受限的问题，需要尽快实施扩容。

表5中8个小区一周内业务受限3次，空口资源受限10次以上，需要考虑实施扩容。

4.2 2016年容量预测

2016年容量预测：预计该校园用户将增加一倍，每个用户的流量增加1.5倍，在用户使用时长及连接次数不变的情况下，根据第2章话务模型对资源的影响分析，小区容量受限情况为：47个小区将容量受限，共需要增加127个15MHz的小区，有些小区需要配置多个频点。

5 结束语

随着校园LTE用户的飞速增长，网络负荷突增、用户感知逐渐下降，LTE FDD网络原有的高速度、高感知优势已大打折扣，校园LTE网络的容量、感知优化已经迫在眉睫。但由于缺乏统一、准确的负荷评估标准，校园LTE网络扩容、优化工作无法有效落地执行。本文以XX学院为例，提出了校园LTE网络的容量分析、监控、感知优化解决方案，为校园LTE网络容量和感知优化指明了方向，具有一定的参考意义。

参考文献：

[1] 元泉. LTE轻松进阶[M]. 北京： 电子工业出版社， 2012.

[2] 陈宇恒，肖竹，王洪. LTE协议栈与信令分析[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2013.

[3] 程鸿雁，朱晨鸣，王太峰，等. LTE FDD网络规划与设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2013.

[4] 袁弋非. LTE/LTE-Advanced关键技术与系统性能[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2013.

[5] 胡金玲，陈山枝，王映民. LTE移动通信术语与缩略词词典[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2013.

[6] 汪丁鼎，景建新，肖清华，等. LTE FDD/EPC网络规划涉及与优化[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2014.

[7] 张守国，张建国，李曙海，等. LTE网络无线优化实践[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2014.

[8] 孙宇彤. LTE教程：原理和实现[M]. 北京： 电子工业出版社， 2014.

[9] 孙宇彤. LTE教程：机制和流程[M]. 北京： 电子工业出版社， 2015.

[10] 尹圣君，钱尚达，李永代. LTE及LTE-Advanced无线协议[M]. 白尚俊，姜尚红，张鸿涛，等译. 北京： 机械工业出版社， 2015.