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LTE网络资源效率指标优化

　　【摘要】 随着中国移动LTE网络规模及用户数的迅速增长，LTE网络逐步从一个轻载网过渡到局部的重载网络，需要对LTE网络资源效率指标的优化进行深入探讨，应对负荷日益增长的LTE网络。文章通过对大量用户集中的高负载LTE网络的资源效率指标进行分析，提出了优化措施，保障高负载LTE网络下的用户感知。

　　【关键词】 LTE网络 资源效率 高负载 指标
　　一、引言
　　中国移动在短短一年多的时间内就建成了世界上最大规模的4G网络，到14年底TD-LTE基站总数预计将达到70万个，全面覆盖国内所有城市；已经入网的TD-LTE终端款型超过了600款。中国移动自身仅在14年10月单月即新增TD-LTE用户1350万户，将总数提升至5445万户，随着后续4G加速发展，未来用户规模增长将会越来越快。随着中国移动LTE网络规模及用户数的迅速增长，LTE网络逐步从一个轻载网过渡到局部的重载网络，需要对LTE网络资源效率指标的优化进行深入探讨，应对负荷日益增长的LTE网络。
　　二、LTE网络资源效率指标
　　影响LTE网络资源效率性能的指标主要有流量、速率及利用率这3大类指标，决定这3类指标性能的因素主要有系统接入的用户数、用户使用的业务及网络设备资源容量。这3个因素中，用户使用的业务由用户主观决定，无法在网络侧做调整；而系统接入的用户数及网络设备资源容量，可以通过参数设置及硬件资源调整，实现LTE网络资源效率最大化。在LTE网络中系统接入的用户数主要由最大激活用户数决定用户数的接入上限；网络设备资源容量涉及到无线利用率、上下行PRB平均利用率、eNodeB寻呼拥塞率、上下行每PRB平均吞吐量及上下行用户平均速率等指标。
　　三、LTE网络资源效率指标优化思路
　　在LTE网络中系统接入的用户数主要由最大激活用户数决定用户数的接入上限，通过对网络资源的整体评估设置合适的数值。
　　3.1单小区用户容量的定义
　　单小区用户容量：也就是每个小区可以同时接入的最大用户数目，这是衡量一个小区容量的主要指标。合理的设置小区用户的容量，可以减少由于容量限制问题引起的拥塞。
　　3.2小区最大接入用户数的容量限制因素
　　调整对UE容量的支持涉及到的主要是上、下行控制信道部分的参数，即物理信道下行PDCCH相关，以及上行PUCCH、Prach信道相关部分的参数。 PUCCH主要考虑CQI资源、SR资源、PUCCH占用PRB数等。 UE通过PUCCH信道反馈的信道状态信息 CSI （Channel state information）分别有CQI、RI和PMI。这些信息反馈的主要目的，是提供eNB下行信道估计，以便于更好的调度资源。决定PUCCH资源需求的因素主要是2方面：CQI资源和SR（scheduling Request）资源。CQI、RI、PMI及SR这4组参数均会影响到单小区可以正常连接的用户数目，只要其中任何一个参数受限都会直接影响到最终的用户数。Prach主要考虑prach configuration index，以及prach frequency offset等。PDCCH主要考虑symbol的数量，下行每TTI调度的用户数。
　　3.3单小区容量的优化思路根据网络设备资源容量的影响因素，整体优化思路如下：？ 检查最大激活用户数以及最大连接用户数的参数是否受限；
　　？ 检查上行资源参数-CQI是否受限；
　　？ 检查上行资源参数-SR是否受限。
　　上行的调度资源不足同样会引起RRC连接建立失败，导致RRC连接建立成功率低的问题。
　　？ 检查上行资源参数-Prach是否受限；
　　？ 检查其它会影响到单小区用户数目的因素；
　　下面来详细说一下这些参数如何影响单小区接入用户的数目。
　　3.3.1最大连接建立用户数以及最大激活用户数的限制
　　Maximum number of RRC connects： 该参数的范围从0～600，也就是说每小区支持的最大连接用户数目为600个。Maximum number of active UEs：该参数的范围从0～600，也就是说最大支持的用户数为600个。考虑到用户的实际感知，单小区支持600用户的容量无实际意义，所以以200为建议最大支持数量，分析容量计算和参数设置。
　　3.3.2上行资源参数优化 - CQI
　　CQI的上报，分为周期性上报和非周期性上报2类，两种上报方式都要打开，实现互补：可以配置用户在被调度时非周期上报CQI，而周期性上报可以提供固定周期的，但相对粗糙一些的信道状态。
　　周期性上报时，如果UE正好有UL的数据发送，则CQI会在PUSCH里传，否则会占用PUCCH资源。周期性上报，对应设置的参数为：
　　cqiPerNp = 20 （ 20ms）
　　periodicCqiFeedbackType = wideband要打开非周期上报，需设置对应的参数：
　　CQIAperEnable = true cqiAperMode = FBT2
　　CQI资源和其支持的用户数的算法是：
　　支持的用户数= nCqiRb * UL subframe number * cqiPerNp/10 * CQI per PRB
　　nCqiRb 指为CQI分配的RB数。
　　UL subframe number 目前湛江上下行是1：3，所以每帧有2个上行子帧。
　　cqiPerNp 如前文所示，设置为20ms
　　CQI per PRB，每个PRB有6个CQI资源，注意，打开drx（不连续接收）后，此资源减半，所以为3。 　　假设每个小区支持100个用户，则建议调整的CQI相关参数为：
　　nCqiRb =4。
　　cqiPerNp = 40ms。
　　CQI per PRB，不变为3。
　　按照上面的设置，代入公式计算，支持的用户数为96。
　　由于CQI per PRB的值保持不变，因此只要对nCqiRb或cqiPerNp中任意一个的值进行修改都可以控制接入的用户数。比如将cqiPerNp的值从4调至8，相应的，支持的同时最大接入用户将会增加至192个。
　　3.3.3上行资源参数优化 - SR
　　SR （Scheduling Request）对上行资源的要求是：
　　每个SR 周期支持的active用户数 = ROUNDUP （No. of UL frame per 10ms * cellSrPeriod （ms） /10， 0） * n1PucchAn
　　No. of UL frame per 10ms 按照现在上下行1：3的配置，还是2
　　CellSrPeriod 指小区SR的周期，默认是20ms。
　　n1PucchAn 指ACK/NACK offset，其取值可以是10或者36的倍数。
　　假设每个小区支持100个用户，则建议的SR相关参数为：
　　cellSrPeriod =20ms。
　　n1PucchAn = 36
　　按照上面的设置，代入公式计算，支持的用户数为144。同样，如果，你将以上任意一个参数增大或缩小，其同时接入的最大用户数就会相应的变化。比如，你将cellSrPeriod的值从20ms修改到5ms，那么支持的用户数就变成36。值得注意的是，本组参数与CQI的那组参数是共同影响接入用户数的，且是通过“木桶效应”来影响的，也就是谁的值算出来后接入的用户数少，就以哪个为准。
　　3.3.4上行资源参数优化 - Prach
　　首先要计算出PUCCH size需要的PRB数目。
　　根据上述的SR和CQI资源参数设置，需要计算出总计需要的PUCCH资源
　　MaxPucchResourceSize = nCqiRb + roundup{[（（rounddown（（（maxNrSymPdcch * 12 - 4） * dlChBw - roundup （phichRes* （dlChBw / 8）） * 12 - 16） / 36）） + n1PucchAn - pucchNAnCs* 3 / deltaPucchShift ） * deltaPucchShift] / （3*12）} + roundup（pucchNAnCs / 8）
　　代入计算后，PUCCH所需的PRB数为12。
　　Prach固定占用了6个RB，72个子载波，1.08 Mhz。
　　Prach的位置由 Prach configuration index 、Prach Frequency offset两个RRC层的参数确定。（图1）
　　20M带宽，100个PRB，按照上面的PUCCH资源需求，需12个PRB，分别位于20M的两端各6个PRB。建议设置适当的Prach frequency offset，使得Prach的6个PRB在频域上紧贴着PUCCH。
　　PrachFreqOff的设置原则：
　　roundup（MaxPucchResourceSize/2） if it is located at the lower edge
　　ulChBw-6-roundup（MaxPucchResourceSize/2 if it is located at the upper edge of the PUSCH area
　　即，按照12个PUCCH的PRB计算，offset为6，或者88。
　　根据规划要求，现网的无线规划里：宏站采用format 0，室分采用format 4
　　即宏站的prach位于上行子帧，室分的prach位于特殊子帧的UpPTS。
　　此外，prach的资源相关还有一个参数 raNondedPreamb，它定义了ra preamble的数量。LTE的接入分为竞争性接入和非竞争性接入，后者主要用于切换等场合。
　　竞争性接入的preamble + 非竞争性接入的preamble = 64 个。
　　如果设置raNondedPreamb = 64，则全部ra资源用于竞争性接入。CMCC集团测试的不少场景，要求切换是基于竞争性的，可以这么设置。 默认的设置为40，即预留24个ra资源给非竞争性接入（如切换等）使用，由于ra资源在无线连接完成后会释放掉，所以40个已经足以满足接入使用，建议依照原始设置。除此外，网内干扰等因素也会引起用户接入失败等情况的出现，从事实上影响到单个小区的用户数目，特别是边缘覆盖的用户。鉴于TDLTE大都属于同频组网模式，对于系统内干扰的控制显得尤为重要。除了上述参数外，还有一些因素也会影响到单小区连接用户数目，比如：带宽。LTE可以灵活支持1.4、3、5、10、15、20M的6种带宽。当然，目前各大运营商部署的都是20M带宽的网络，这一因素可以忽略不计。
　　四、LTE网络资源效率指标优化案例
　　4.1 调度类SR受限导致用户接入困难
　　上行的调度资源不足同样会引起RRC连接建立失败，导致RRC连接建立成功率低的问题。提取了湛江移动公司综合楼-NLW 5月12日的KPI指标发现RRC连接建立成功率出现连续多时段指标较差，最差时不足20%。同时RRC连接建立成功率较差时段RRC最大连接用户数36个。（图2）
　　检查最大接入用户的参数以及CQI类参数都没有什么限制，最终发现调度类参数SR受限。已知公式：每个SR 周期支持的active用户数 = ROUNDUP （No. of UL frame per 10ms * cellSrPeriod （ms） /10， 0） * n1PucchAn。
　　结合现网设置：cellSrPeriod =5ms，n1PucchAn = 36。则现网设置的最大连接用户数为36个。
　　将cellSrPeriod的值从5ms改为20ms后，计算下来的理论支持用户数就变为144个。因此超过36个用户数的时段也不会再出现拥塞了，指标恢复正常。
　　修改该参数后，重新统计该指标如图3。
　　五、总结
　　本文研究LTE网络资源效率指标的优化，在LTE网络中系统接入的用户数主要由最大激活用户数决定用户数的接入上限，通过对网络资源的整体评估设置合适的数值，找出影响网络资源效率的关键因素，从而提高网络资源利用效率。
　　参 考 文 献
　　[1]中国移动广东公司. 关于启动全省4G网络结构优化专项工作的通知
　　[2]朱雪田，等. TD-LTE无线性能分析与优化.电子工业出版社.2014.05
　　[3]王映民，等. TD-LTE技术原理与系统设计.人民邮电出版社.2010.06
　　[4]沈嘉，等. 3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计. 人民邮电出版社.2008.11