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LTE软容量研究与用户感知提升实践
安徽电信无线网络优化中心

【摘 要】本文阐述了LTE软容量的概念，分析了软容量与用户感知关系，对不同场景下的软容量配置进行了详细介绍并结合实际案例进行验证，对日后网络扩容、通信保障、提升用户感知都具有一定指导意义。
【关键字】FDD-LTE 软容量 用户感知 通信保障

【问题引入】
自年初中国电信获得FDD牌照以来，FDD-LTE网络不断发展壮大，4G用户数和日均流量呈直线上升，至2015年11月份，安徽电信全省4G流量首超3G。在密集城区的热点区域如校园、火车站、医院等出现了最大连接用户数超出门限，用户感知急剧下降的情况。另一方面，随着移动互联网的发展，许多重大活动要求现场进行4G保障，但目前关于LTE网络保障经验较少，需及时进行总结。
【原因分析】
一、软容量概念
所谓FDD软容量，即指在不进行载波扩容的前提下，当前LTE小区配置所能容纳的最大连接用户数。目前诺基亚设备最大支持1200个用户同时在线，现网一般配置为175个。提出软容量的概念，主要原因如下：
目前4G用户行为仍以“小流量、多连接”的业务为主，例如浏览网页、QQ、微信、支付宝等等。在热点区域和重大活动现场，这些业务会导致在线用户数急剧攀升，甚至超过门限使得其它用户无法接入。然而，由于单用户流量很小，此时PRB利用率仍然较低，系统资源较为充足。因此，对于此类现象进行载波扩容是没有必要的，只需增加系统软容量，提高小区允许的最大连接用户数。下图给出了几类资源利用场景的判断标准和处理方法，本文所述只针对场景4和场景5。

表1：8类资源利用场景

二、软容量相关参数
FDD软容量参数分为两大类，即接入类和资源类，下面分别加以介绍：
（一）接入类参数
与软容量相关的接入控制类参数如下所示：

表2：接入控制类参数
接入类参数比较容易理解，主要是设定一些门限值，用以控制用户的接入和释放，以及为紧急情况预留资源。上述参数中，彼此之间存在一定的约束关系，如下所示：
1.maxNumRrc >= maxNumActUE
2.maxNumActDrb >= maxNumActUE
3.maxNumRrcEmergency>=maxNumActUE+max(addEmergencySessions, addAUeRrHo, addAUeTcHo)
4.maxNumRrcEmergency>=maxNumRrc+max(addAUeRrHo,addAUeTcHo)
5.maxNumRrc >= maxNumQci1Drb
6.maxNumQci1Drb <= maxNumActDrb/2
在调整接入参数时，需同时满足上述约束关系，避免逻辑性错误。
（二）资源类参数
提升小区软容量主要涉及上、下行控制信道部分参数，即与下行PDCCH，上行PUCCH、Prach 相关的部分参数。PUCCH需要考虑的主要是CQI资源、SR资源、PUCCH占用PRB数；Prach需要考虑的是prach configuration index，以及prach frequency offset；PDCCH需要考虑的是symbol数量以及下行每TTI调度用户数。与软容量相关的资源类参数如下所示，后文将分别加以介绍：

表3：资源类参数
1.上行资源参数
上行资源最关键的是PUCCH的资源配置，决定PUCCH资源的因素主要有2方面：CQI(Channel Quality Indicator)资源和SR(scheduling Request)资源，其次上行资源还需关心接入信道Prach的配置。
（1）CQI资源
PUCCH信道格式Format2、Format2a、Format2b均可用于传输CQI信息。
CQI资源参数nCqiRb（全称PUCCH bandwidth for CQI），表示每个时隙用于传输CQI信息的RB数目。cqiPerNp（CQI periodicity network period）表示CQI重复使用的周期。
根据CQI使用的原则及现网配置，得到CQI资源能够支持的最大用户数如下：maxNumRrc + max(addAUeRrHo,addAUeTcHo) <= nCqiRb * 6 * cqiPerNp/2。
公式中的“6”表示： PUCCH 典型格式format 2中的CQI能同时支持6 UE(CQI)/PRB，即每个用户传输CQI的RB支持6个用户。
公式中的“2”表示：由于现网开启了DRX功能，在RRC连接状态下，空闲没有数据传输的用户，可以采用DRX（Discontinuous Reception）技术，允许终端非连续监听控制信道，达到和idle态相似的节电效果。但是，由于连接态的用户在eNodB需要占用内存资源和CPU资源，即采用DRX方式，每个PRB的6个CQI资源减半。
以现网为例，其中nCqiRb默认为2，cqiPerNp默认为40ms，计算得出CQI资源能同时支持240个用户，满足要求。
（2）SR资源
PUCCH控制信道的格式Format1、Format1a、Format1b均可用于传输SR调度信息。
SR资源参数n1PucchAn（全称ACK/NACK offset），表示1个TTI用于传输SR信息需要的资源数目。cellSrPeriod（全称Cell scheduling request periodicity）表示SR调度重复使用的周期。
每个SR 周期支持的active用户数计算如下：
maxNumRrc + max (addAUeRrHo,addAUeTcHo) <= n1PucchAn * cellSrPeriod
以现网为例，CellSrPeriod 默认是20ms，n1PucchAn默认是36，按照公式计算，支持的用户为720个，满足要求。
deltaPucchShift，此参数为高层配置参数，表示两个相邻上行控制信道对应的循环位移间隔。虽然对于长度为12的CAZAC序列，理论上存在12个可用的循环位移，但考虑到信道有频率选择性，信道之间需保持良好的正交特性，选择循环位移间相隔Delta cyclic shift for PUCCH=1，2，3对应12，6，4个cyclic shift，这样通过频域扩频处理使得PUCCH可同时复用36，18，12个用户。现网配置为2，则每PRB支持18个UE，用于SR的资源需要2个PRB。
（3）Prach资源
Prach固定占用了6个RB，1.08 Mhz，Prach的位置由Prach configuration index 和Prach Frequency offset 两个RRC层的参数确定。

图1：PRACH资源位置
设置prach信道发送时间的参数为Prach configuration index，该参数设置为3表示承载preamble的PRACH信道在子帧1中发送。

表4：PRACH Configuration index
由于Prach信道是可以多个UE同时申请共用的，所以计算Prach容量时需要考虑三方面：Prach的负荷，Rach的密度(Rach density)，以及Prach碰撞的几率(默认为允许2%碰撞)。

图2：Prach load/collision probability & Rach density
Rach density 的需求可通过Prach的负荷和碰撞几率计算得出。

Rach density(x) 和所需UL子帧的关系是：
0.5 ≤ x à required # of sub frames = 0.5
0.5 < x ≤ 1 required # of sub frames = 1
1 < x ≤ 2 à required # of sub frames = 2
例如：假设RACH_load=100次RACH attempt/秒，碰撞几率为2%，代入上面的公式计算，Rach density 为0.77，则需要1个UL子帧配置Prach，即可满足接入需求。
Prach configuration index=3，RACH_load=129次RACH attempt/秒，对于用户数300的小区均可以满足。
设置Prach频率位置的参数为Prach frequency offset，建议设置适当使得Prach的6个PRB在频域上紧贴着PUCCH。PrachFreqOff的设置原则：
以现网为例，前文计算每个时隙CQI和SR各需2个PRB，则PUCCH总计占用了4个PRB（PRB编号0到3），所以Prach frequency offset需要设置为4或者90。
2.下行资源参数
PDCCH承载上、下行的调度分配信息。一条PDCCH信道在一个聚合的CCE上发送，视乎UE的无线质量，聚合分别需要1/2/4/8个CCE。PDCCH聚合的树形结构如下：

图3：CCE聚合度伴随SINR变化
PDCCH可分配的CCE数和以下因素相关：
分配给PDCCH的符号数为Maximum number of OFDM symbols for PDCCH，根据协议可以有3个符号可以用于PDCCH信息传输。除此之外，需要打开PDCCH的符合自适应功能，即Activate load adaptive PDCCH = True，这样在用户数量较少时，分配给空闲的PDCCH的可以供给PDSCH业务信道使用，在用户较多时，保证了下行控制资源正常分配。
【解决方法】
目前，由于4G用户的非均匀分布，造成有些小区接入用户数超出门限，而另一些小区少有用户接入，因此本文针对这两种实际场景进行了验证，下面分别加以介绍：
一、增大系统软容量提升用户感知场景
通过KPI监控，发现皖西学院基站的52扇区从9月10日开始用户数达到100以上。忙时甚至可以达到165人以上，如下图所示：

图4：皖西学院最大用户数
皖西学院为校园基站，9月10日开学迎来学生返校高峰，导致52扇区连接用户数目激增。目前，现网配置最大RRC连接数目为200个，若不及时进行扩容，将导致用户有信号却无法上网，严重影响用户感知。另一方面，纵观开学期间该扇区PRB利用率均低于50%，符合软容量扩容的条件。因此，结合前文所述，修改的配置参数如下所示，未提及的采用默认值。

表5：软容量扩容参数修改
经过上述参数修改，可将最大RRC连接用户数由200提升至300，最大激活用户数由175提升至300。修改后继续观察小区指标，如下所示：

图5：扩容后皖西学院最大用户数
由上图可以看出，增加软容量过后，小区忙时实际连接用户数已经突破200，可保证最大300用户同时在线，保障用户感知。
二、减小系统软容量提升用户场景
与校园等热点区域不同，目前县城、农村的部分基站，每日在线用户数普遍在40以下，PRB利用率也很低，资源严重浪费。因此，可适当优化上行资源配置，减少最大用户数和预留的部分资源，以此为接入的用户提供更多的PRB，提高用户感知。为此，选取个别县城基站进行验证，修改的参数配置如下所示，未提及的参数保持默认值：

表6：减小软容量参数配置
如上图所示，经过参数修改，系统支持的最大激活用户数由175减少至100，各项接入类参数门限也相应减小，意味着预留的资源减少了，为在线用户提供的PRB增多了。经过外场测试验证，结果如下：

表7：优化前后指标对比
外场测试的结果显示：参数优化后上行PDCP速率提升了约5Mbps，下行PDCP速率提升了约1.6Mbps，上行提升明显；测试过程中，上行PRB占用率提高了约8%，下行PRB占用率提高了约1%，同样是上行提升明显。归其原因，是由于本次参数修改只对上行资源进行了优化，下行PDCCH已无优化空间。
【结论与推广】
本文从软容量的概念出发，详细介绍了与软容量相关的网管参数及其设置规则，给出了各类资源最大用户数的计算方法，并以实际的两种场景为例，充分描述了软容量大小对用户感知的影响。最后，本文给出如下建议：
一、利用KPI指标筛选待扩容站点时，需同时关注PRB利用率、最大连接用户数、上、下行吞吐率，以及它们之间的组合关系，不同的场景需采用不同的优化方式，不可盲目进行载波扩容，浪费投资、费时费力。
二、软容量对用户感知的影响是多方面的，增大还是减小需针对不同场景区别对待，尤其目前仍在大规模建设过程中，4G用户呈现两极化分布，优化方式需灵活多变。
三、站点扩容后仍需对指标进行跟踪观察，以便及时调整参数或者更改扩容方案。