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LTE基站传输带宽配置分析

LTE基站传输带宽配置分析

随着4G网络的快速发展，新建基站、双层网小区以及开通CA功能的小区大量入网，更多的小区，更快的速率意味着对传输带宽的要求更高。而无线基站传输带宽要求的不同，也决定了对传输网络规划建设要求的不同。本文主要从江苏现网传输资源配置情况及集团要求的依据出发，分析在现网传输资源配置情况下，小区及用户LTE速率能力。

一、峰值传输带宽计算
根据TD-LTE的网络架构，E-NodeB基站的总传输带宽需求包括S1用户平面的业务数据带宽需求、S1控制平面的信令传输带宽需求、X2用户平面的业务数据带宽需求和X2控制平面的信令传输带宽需求几部分。
具体计算公式为：
E-NodeB总带宽需求=（S1用户平面带宽需求+X2用户平面带宽需求）×扇区数＋S1控制平面带宽需求+ X2控制平面带宽需求＋其他开销带宽
其中：
l S1用户平面的业务数据带宽需求与小区吞吐量相关，可以用（扇区吞吐量×扇区数）来表示，对于峰值传输带宽计算时，扇区吞吐量采用峰值传输速率进行计算
l X2用户平面的业务数据带宽需求与小区中同时切换的用户数及每用户平均需要转发的数据量相关
l 切换时的X2用户平面流量较少。同时如果用户在切换时，流量从X2接口走，则不占用S1接口，因此总的S1+X2流量不变。
l S1控制平面带宽需求约为1Mbps
l 设一个基站与另一个基站的X2接口信令带宽约64kbps，一个基站与邻近16个基站有X2连接，X2控制平面的带宽需求总共约1Mbps流量
l 其他开销带宽每个厂家不一样，可以按照5%计算
从上面的公式可知，要计算基站的峰值传输带宽，需要计算单小区的峰值速率。
对于20MHz带宽，调制方式为64QAM的情况下，每一个子帧时隙单流承载bit数为：RB总数×[每RB的子载波数×(子帧内符号数 - 控制符号数) - RS数] ×调制阶数 ×码率=71280bit；
每一个DwPTS时隙单流承载业务bit数为：RB总数×[每RB的子载波数×(DwPTS内符号数 - 控制符号数) - RS数]×调制阶数 *码率=47520bit ；
这样，若3:1时隙配比，2×2 MIMO，则20MHz带宽单小区下行峰值带宽为104.544Mbps。
根据如上计算结果，一个TD-LTE基站的峰值传输带宽需求可以按照下表计算：
BBU总容量
S1+X2用户面流量
S1控制面流量
X2控制面流量
BBU总带宽
承载带宽（5%开销）
3x20MHz小区(S111)
3x104.544
3 Mbps
1 Mbps
317Mbps
332Mbps
20Mhz小区(O1)
104.544
1 Mbps
1 Mbps
107 Mbps
112Mbps
上表所计算的是一个TD-LTE基站的峰值传输带宽需求，在实际的传输网络的规划建设中，为了保证传输网络的经济效益，一般不按照峰值传输带宽进行传输网络的建设，而是按照一定的方式来计算基站的保证带宽需求。

二、保证传输带宽计算
在实际网络中，由于无线传播环境的差异以及用户分布位置不同等原因，用户终端不可能都按照峰值速率工作。如果按照峰值传输带宽进行传输网络的的建设，将会造成很大的传输资源浪费。所以为了保证传输网络的经济效益，一般按照一定的方式来计算基站的保证带宽需求，按照保证带宽需求进行传输网络规划建设。
保证带宽的计算有采用多种方式，可以根据峰值带宽按照一定的收敛比计算，也可以按照峰值和平均值进行配比计算，还可以根据网络仿真进行估算。以下采用峰值和平均值配比计算保证传输速率
按照峰值和平均值进行配比计算的计算方法，是在实际配置传输接口时根据平均值和峰值配比进行计算。
前面所计算的单扇区的3:1时隙时用户面的峰值为104.544Mbps,平均值为26Mbps(该值为集团提供)。按照1个峰值，2个平均值进行计算 ，3:1时隙配置S111基站需要的带宽为 ：
（104Mbps+2×26Mbps+3+1）×1.05=168Mbps

三、集团规范传输带宽配置分析
集团最新下发的《中国移动城域传送网建设指导意见（2016版）》，其中对于接入层的规范如下：
城区，PTN接入环应以单层环或环带短支链结构为主，单个接入环上的基站站址数建议为6-8个，最大不超过10个；乡镇农村区域，PTN接入环还可采用2级接入环带短支链的结构，单个接入环上的基站站址数建议为6-10个，最大不超过15个。
对于现有GE接入环，当环上接入的4G站点拟规划采用异频组网或为S222站型、或环上接入的集团客户专线较多时，优先考虑升级成10GE接入环，当现网设备不支持升级为10GE时，可采用叠加环、拆环或跳点组环方式组网。
对于承载4G基站回传的GEPTN接入环，当环上忙时平均流速连续7天超过环网带宽的70%或连续2天超过80%时，可考虑升级为10GE或双GE环。
根据集团规范要求，在城区环境下，若一个GE接入环下挂10个S111基站，每个4G基站规划分配带宽80Mbps，剩余200Mbps用于承载2G、3G、集客等业务。单4G小区等分配的带宽为（80Mbps/1.05-3-1）/3=24Mbps，约为单小区峰值速率的23.07%；
在乡镇\农村环境下，若一个GE接入环下挂15个S111基站，每个4G基站规划分配带宽60Mbps，剩余100Mbps用于承载2G、3G、集客等业务。单4G小区等分配的带宽为（60Mbps/1.05-3-1）/3=17.7Mbps，约为单小区峰值速率的17.02%；
根据集团规范要求，S222以及开通CA功能的基站应该配置于10GE接入环，因此以上仅讨论S111基站。由于无法获取我省接入环下挂基站准确配置情况，无法评估我省配置情况是否符合集团要求。

四、PTN最高\承诺带宽（PIR\CIR）配置分析
对于PTN最高\承诺带宽（PIR\CIR）配置要求，集团规范如下：
原则上CIR按照核心层规划带宽进行配置，PIR按照1个扇区峰值+其他扇区均值的带宽进行配置。鉴于目前S111的4G基站，CIR/PIR=40M/440M的配置能够满足载波聚合后4G基站的测速要求和用户体验，因此载波聚合后PTN带宽配置暂时不做调整。更高载频配置的4G基站可适当提高PIR，CIR在现阶段建议仍维持40M，后续基站忙时均值流速高于40M时可及时根据业务增长预测提高。
1）每个基站可以保证的带宽大小是CIR，各基站的CIR之和不会超过接入环\汇聚环的物理带宽；
2）如果基站没有流量或流量低于CIR，同时接入\汇聚环有富余容量，其他基站可以获得大于CIR、小于PIR的带宽；
3）目前集团要求的配置如下：

现网实际采用以上配置的时候，出现了下载速率受限的情况，该问题在D频段小区以及开启了CA功能小区等高下载速率小区中尤其明显。对于此类问题分析如下：
由于不同服务器对于发包的机制不一样，部分服务器在发包时会采用离散脉冲的形式，针对这种服务器，通过服务器灌UDP包（100Mbps）的同时，使用WIRE SHARK工具在发送端进行抓包进行流量分析，发现了问题所在：
1、在服务器发送端抓包，统计UDP包的流量。
发现以1S为统计粒度时，没有突发的流量，速率很平稳：

以0.001S为统计粒度时（即1ms），发现服务器发送的包是一个一个类似离散的脉冲，最大的脉冲包长度达到1000kbit以上：

从服务器灌包+抓包的数据分析已经可以得出问题的根因，即服务器在发包的时候不是每个时刻平稳的发包，而是类似离散脉冲形式，每毫秒发送的最大数据可以达到1000kbit。而传输的限速带宽为320Mbps，即使加上100K左右的缓存，每毫秒可以通过的包大小为320kbit+100bit约为420kbit。这个时候服务器发送的包大小已经在瞬时超过了传输限速带宽，因此在传输侧发生了丢包的现象。
可以通过增大PIR来减少瞬时数据溢出导致的传输丢包，采用不同PIR设置后下载速率变化情况如下：
PTN PIR设置（Mb）
不限速
480
490
500
510
520
530
540
550
560
FTP下载速率（Mb）
71
53
56
60
62
63
68
71
68
65
参考以上测试结果，对比开启CA和未开启CA站点采用不同PIR设置后下载速率情况，测试结果如下：（闲时测试，均选择无线网络好点）
站名
保证带宽(CIR)
最大带宽（PIR）
测试软件测试结果
平均速率（Mb）
下行平均每时隙调度PRB个数
下行子帧调度率
未开启CA功能小区
40
440
47.98
98.36
820.21
60
660
46.10
98.30
853.92
80
880
52.08
98.54
801.86
40
1000
48.67
98.60
846.46
80
1000
48.26
98.52
831.73
开启CA功能小区
40
440
63.51
98.07
843.42
60
660
99.96
98.19
853.47
80
880
100.87
98.44
842.22
40
1000
100.87
98.21
849.53
80
1000
99
98.35
852.59
所有测试点均是无线好点，调度基本相同的情况下，除开启CA小区40\440配置下速率受限外，其他测试点基本均达或接近最大速率。
服务器在发包的时候并不知道用户空口情况，都是采用的同样的脉冲发包。在小区开启了CA功能后，单用户空口速率提升到了100Mbps左右，此时如果PIR设置过小，就会出现PTN丢包大于eNodeB丢包，整体速率由于传输受限的情况。当小区未开启CA时，单用户空口速率50Mbps左右，此时只要保证eNodeB丢包大于PTN丢包，速率空口受限，即使进一步提升PIR也无法提升用户感知。

考虑到CIR定义是承诺带宽，主要体现在网络忙时保证单个基站的最少分配带宽，通过忙时无线好点测试验证不同CIR配置下下载速率感知，以下为测试结果：
站名
保证带宽(CIR)
最大带宽（PIR）
测试软件测试结果
平均速率（Mb）
下行平均每时隙调度PRB个数
下行子帧调度率
测试小区1
40
1000
49.35
78.86
649.11
80
1000
67.40
98.08
806.94
测试小区2
40
1000
34.54
97.37
736.31
80
1000
37.33
97.28
699.51
测试小区4
40
1000
55.49
97.33
663.81
80
1000
60.83
96.81
731.51
在网络整体较忙的情况下，由于服务器脉冲发包机制，即使接入环整体负荷低于50%，也依然可能存在部分业务瞬间占用所有传输容量，导致其他基站只能占用承诺带宽的情况。
此时提升基站的CIR配置，可以明显提升该基站下用户整体速率感知。

五、PTN接入环负荷分析
目前我省PTN接入环负荷主要通过工具采集传输网管上接入环15分钟负荷平均值，集团对于PTN接入环扩容标准如下：
对于承载4G基站回传的GEPTN接入环，当环上忙时平均流速连续7天超过环网带宽的70%或连续2天超过80%时，可考虑升级为10GE或双GE环。
我省各地市接入环整体带宽满足度均已达标，但目前传输网管无法统计单独某个接入环规划带宽满足度情况，各地市整体带宽满足度情况如下：
带宽
10GE
GE
4G传输带宽满足度
地市
总拓扑数
越限
总拓扑数
越限
常州 
1108

4980

100.00%
淮安
467

4802

100.00%
连云港
622

3610

100.00%
南京
1904

8106

100.00%
南通
1166

3271

100.00%
苏州
1559
1
4834

99.98%
泰州
320

2552

100.00%
无锡
2505

4628
6
99.92%
宿迁
1059

2798

100.00%
徐州
1328

6889
1
99.99%
盐城
672

5739

100.00%
扬州
1120

3420

100.00%
镇江
949

2209

100.00%
总计
14290
1
55894

100.00%
参考集团标准、我省各地市整体接入环规划满足度及各接入环15分钟峰值利用率，可以发现我省各地市基本不存在接入环负荷超标的问题，即不存在传输流量竞争的现象。
根据第四节测试结果，可以得知服务器发包存在突发性脉冲的现象，同时绝大部分用户行为是短时间突发流量为主。采用15分钟平均方式统计的GE环峰值利用率无法明确体现该GE环实际峰值负荷。提取徐州两个GE环，对比15分钟平均利用率与秒级峰值利用率，结果如下：
l GE环1：
传输测网元：市区银湖小区搬迁-65-汇聚，对应端口：市区银湖小区搬迁-65-汇聚-PGEA[0-1-9]-1:4  
带宽利用率峰值（2017.1.19 16:00-16:15）15分钟粒度指标：
网元名称
端口带宽(Mbps)
接收流速峰值(Mbps)
发送流速峰值(Mbps)
带宽利用率峰值(%)
带宽繁忙度(%)
带宽利用率均值(%)
市区银湖小区搬迁-65-汇聚
1000
4.57
39.31
3.93
0
0.63
l GE环2：
传输测网元：市区手机城-65-汇聚，对应端口：市区手机城-65-汇聚-PGEA[0-1-8]-1:4
带宽利用率峰值（2017.1.19 12:45-13:00）15分钟粒度指标：
网元名称
端口带宽(Mbps)
接收流速峰值(Mbps)
发送流速峰值(Mbps)
带宽利用率峰值(%)
带宽繁忙度(%)
带宽利用率均值(%)
市区手机城-65-汇聚
1000
25.37
137.41
13.74
0
3.78
从以上采集数据可以看出，环1、2 秒级峰值负荷分别为15min级平均负荷的6.23、3.63倍，可见如果根据集团标准采用15分钟平均负荷70%以上才扩容PTN传输，不可避免会出现传输环网瞬时超负荷导致的流量竞争。
由于我省暂未实现所有传输网管秒级负荷采集，因此暂无法得到全省传输秒级环网负荷评估结果。目前仅能初步推断15min级平均负荷达到40%以上即有可能会出现瞬时负荷超90%，但瞬时负荷过高对整体用户感知的影响程度暂未明确，有待联合传输专业进一步研究确定。

六、传输带宽配置需求总结
综合理论计算结果及实际测试验证，可以得出结论如下：
1） 根据集团规范及我省规划配置，目前单小区规划传输带宽为城区：24Mbps、农村：17.7Mbps，低于集团规范的单小区平均速率带宽需求27mbps，远低于20Mhz小区最大需求带宽104.5Mbps；
2） 由于服务器脉冲发包的特性，为保证PTN丢包低于eNodeB丢包，下载速率不受限于传输，接入环至少应该保留440Mbps以上的空闲容量；
3） 在接入环保留440Mbps以上空闲容量的情况下，为满足S111基站接入环规划带宽80Mbps的集团规范要求，单个GE环下挂S111基站数应该不超过8个（即7×80+1×440），若接入环下挂小基站或室分，则单个GE环下挂20MHz带宽小区数量应该不超过24个；
4） 由于开启CA功能基站以及S222或以上配置小区对于传输带宽需求明显高于S111基站，开启CA功能基站及S222基站应该下挂在2GE或10GE环下，同时该环至少应该保留660Mbps以上的空闲容量；
5） 对于有开启CA功能或6小区以上基站的接入环，其PIR至少应该设置大于600Mbps；
6） 对于未开启CA功能基站的接入环，其PIR至少应该设置大于440Mbps；
7） 在网络整体很闲的情况下，CIR配置高低不影响下载速率感知；
8） 根据基站类型区别设置CIR配置，对于S222基站、开启了CA功能的基站、需要重点保障的基站，需要根据传输带宽余量适当提升CIR配置；
9） 由于秒级峰值负荷明显高于15min级平均负荷，即使平均负荷低于50%，也有可能出现由于PTN流量竞争导致的空口速率限速问题。

七、现网传输带宽配置情况
提取徐州市区及铜贾、铜山区域共259条接入环，核查各接入环下挂基站配置情况。
261条接入环中，20GE环3条、10GE环96条、GE环160条，259条接入环总计下挂基站1599个，包含小区3081个。其中GE环下挂小区分布情况如下：

根据第六节中总结的原则，259个GE环中，下挂小区数量大于24的共有53个，占比14.76%，下挂小区数量大于36的共有18个，占比6.94%。下挂小区数最多的GE环下挂了81个小区（市区汇聚环07接入环03）。
目前无法获取准确的全省传输环网配置情况及下挂基站信息，暂未完成全省传输环网配置情况核查。