lte软容量研究与用户感知提升实践

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。 序 号 利 用 率 承 载 用 户 数 小 区 吞 吐 量 情 况 分 析 措 施 1 高 高 高 总 体 资 源不 足 载 频 扩 容 2 高 高 低 3 高 低 低 4 低 高 低 5 低 高 高 6 高 低 高 网 络 能 够满 足 用 户体 验 7 低 低 低 8 低 低 高 RB承 载 效率 低 用 户 数 量多 ， 小 数 据 业 务 为主 网 络 资 源富 余 覆 盖 干 扰优 化 调 整 软 容 量 扩容 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： 参 数 名 称 参 数 含 义 现 网 值 网 元 级 别 addAUeTcHo 为 紧 急 原 因 切 入 额 外 预 留 的 激 活 用 户 数 36 cell addAUeRrHo 为 无 线 原 因 切 入 额 外 预 留 的 激 活 用 户 数 28 cell maxNumActUE 最 大 激 活 用 户 数 175 cell addEmergencySessions 为 紧 急 协 商 额 外 预 留 的 资 源 数 63 cell maxNumRrc 最 大 RRC连 接 数 200 cell maxNumRrcEmergency 紧 急 RRC连 接 数 240 cell maxNumActDrb 最 大 激 活 DRB数 目 1200 cell maxNumQci1Drb 最 大 的 QCI1-DRB数 目 150 cell 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(addEmergencySessi ons, addAUeRrHo, addAUeTcHo) 4.maxNumRrcEmergency=maxNumRrc+max(addAUeRrHo,addAUeTc Ho) 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： 参 数 名 称 参 数 含 义 现 网 值 网 元 级 别 nCqiRb CQI占 用 RB数 2 cell cqiPerNp CQI重 复 使 用 周 期 40ms cell n1PucchAn ACK/NACK偏 置 36 cell cellSrPeriod SR调 度 周 期 20ms cell deltaPucchShift 循 环 移 位 序 列 偏 置 2 cell prachFreqOff prach频 率 偏 置 4 cell prachConfigindex prach配 置 索 引 3 cell maxNrSymPdcch pdcch符 号 数 3 cell 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 required # of sub frames = 0.5 0.5 x 1 required # of sub frames = 1 1 x 2 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。 parameter ui_name 现 网 （ 200） 300用 户 n1PucchAn ACK/NACK offset 36 36 cellSrPeriod Cell scheduling request periodicity 20 20ms cqiPerNp CQI periodicity network period 40 40ms maxNumActDrb Max number act DRB 1200 1200 maxNumActUE Maximum number of active UEs 175 300 maxNrSymPdcch Maximum number of OFDM symbols for PDCCH 3 3 maxNumRrc Maximum number of RRC connections 200 300 maxNumRrcEmergency Maximum number RRC emergency 240 440 prachFreqOff PRACH frequency offset 4 5 nCqiRb PUCCH bandwidth for CQI 2 3 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： parameter 现 网 配 置 优 化 建 议 值 n1PucchAn 36 10 addEmergencySessions 63 20 addAUeRrHo 28 20 addAUeTcHo 36 20 deltaPucchShift 2 1 maxNumActDrb 1200 612 maxNumQci1Drb 150 12 maxNumActUE 175 100 maxNumRrc 200 100 maxNumRrcEmergency 240 120 prachFreqOff 4 2 nCqiRb 2 1 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 PR