LTE空中接口對網(wǎng)絡(luò)速率影響的探討

李得鵬

【摘 要】對LTE網(wǎng)絡(luò)空中接口進(jìn)行研究，從空中接口資源、空中接口信號質(zhì)量等方面探索，分析影響網(wǎng)絡(luò)速率下降的原因，并提出相應(yīng)的優(yōu)化建議。

【關(guān)鍵詞】空中接口 網(wǎng)絡(luò)速率 空口資源 空口信號質(zhì)量

[Abstract] The network optimization of LTE network data service is an important work in 4G mobile wireless network， and the network rate is the most direct factor that affects the users perception.There are many factors affecting the LTE network speed， and the most important reason is the quality of air interface. Based on the research of the air interface of LTE network， this paper analyzes the air interface resources and the quality of air interface signal， analyzes the reasons for the decline of network speed， and puts forward some corresponding optimization suggestions.

[Key words]LTE Air interface Network Speed

1 引言

雖然LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)正在加速和逐步完善，VoLTE漸行漸近但尚未正式商用，LTE現(xiàn)網(wǎng)語音業(yè)務(wù)還是以回落到2G/3G網(wǎng)絡(luò)的方案進(jìn)行解決，提供的只有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，則網(wǎng)絡(luò)速率的快慢成為影響客戶感知最直接的因素，從而LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的工作重點(diǎn)之一即為小區(qū)低速率原因的定位和解決。在影響LTE速率的各方面因素之中，空中接口因素最為重要和復(fù)雜。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的無線環(huán)境復(fù)雜多變，如小區(qū)配置變更或硬件故障導(dǎo)致網(wǎng)內(nèi)干擾，建筑物的拆建導(dǎo)致越區(qū)覆蓋以及外網(wǎng)無線設(shè)備引起的干擾等，都會影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，這也為LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化帶來復(fù)雜的變數(shù)。本文從影響LTE網(wǎng)絡(luò)速率的各方面原因著手，提出相應(yīng)的定位流程，而后對其中的無線空中接口質(zhì)量進(jìn)行重點(diǎn)研究，主要涉及空中接口資源和信號質(zhì)量等方面因素，對影響網(wǎng)絡(luò)速率的成因進(jìn)行定位、分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化解決思路。

2 LTE網(wǎng)絡(luò)低速率問題定位

要優(yōu)化LTE網(wǎng)絡(luò)低速率的問題，有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是如何定位出異常低率小區(qū)，二是如何定位出低速率產(chǎn)生的原因[1]。影響LTE網(wǎng)絡(luò)速率的因素是多方面的，通過質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)或測試查找出低速率小區(qū)后，需要對此類小區(qū)問題成因進(jìn)行定位和分析。在各種低速率成因定位方式當(dāng)中，比較成熟和實(shí)用的有灌包定位法。

灌包定位就是數(shù)據(jù)灌包，分為UDP數(shù)據(jù)灌包和TCP數(shù)據(jù)灌包。在數(shù)據(jù)通信協(xié)議當(dāng)中，TCP基于連接，而UDP基于無連接[2]。由UDP協(xié)議當(dāng)中不進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)、不進(jìn)行超時(shí)數(shù)據(jù)重傳的特點(diǎn)可見，在應(yīng)用中基于UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率是明顯高于TCP協(xié)議數(shù)據(jù)傳送的。所以出現(xiàn)速率不達(dá)標(biāo)情況時(shí)，可先進(jìn)行UDP上下行灌包，檢查UDP上下行流量可否達(dá)到峰值，如UDP流量無法達(dá)到峰值，TCP流量同樣較難達(dá)到峰值。優(yōu)先進(jìn)行UDP速率不達(dá)標(biāo)定位排查，如UDP灌包正常，則接著進(jìn)行TCP灌包查看下載情況，如不能達(dá)標(biāo)方進(jìn)入TCP數(shù)據(jù)傳送分析定位流程，定位流程圖如圖1所示：

3 空中接口對速率的影響

經(jīng)過以上流程分析，可見影響LTE網(wǎng)絡(luò)速率的因素主要集中在內(nèi)容服務(wù)器、無線網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備、傳輸設(shè)備、用戶終端和無線空中接口等方面。其中空中接口是較為主要且復(fù)雜的因素，下面通過對空中接口涉及的問題進(jìn)行分析，定位導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)速率異常的原因，并給出解決建議?？罩薪涌趩栴}主要涉及有空中接口資源、空中接口信號質(zhì)量等，空口對速率影響的分析思路如圖2所示：

3.1 空口資源對速率的影響

空口資源指的是移動(dòng)通信系統(tǒng)當(dāng)中，在無線基站與終端間的空中接口上傳送的時(shí)頻或時(shí)碼資源，即無線資源。在LTE系統(tǒng)當(dāng)中無線資源指的是時(shí)頻資源，調(diào)度的資源從HSPA系統(tǒng)的時(shí)碼變成時(shí)頻[3]。

LTE空口資源調(diào)度分為上下行調(diào)度，基站掌控上下行資源調(diào)度，終端只是參與調(diào)度過程。下行資源調(diào)度，在1 ms的調(diào)度周期當(dāng)中，eNodeB接收到終端發(fā)送的調(diào)度請求（SR，Scheduling Request）和信道質(zhì)量指示（CQI）后，將服務(wù)小區(qū)的可用資源（即PDSCH資源）、功率資源信息、終端接收能力、上次調(diào)度情況等信息輸入調(diào)度器，而后通過PDCCH信道發(fā)送生成的調(diào)度信息給終端，并在相應(yīng)的PDSCH信道發(fā)送下行數(shù)據(jù)。終端通過監(jiān)聽PDCCH信道得到相應(yīng)的調(diào)度信息，開始在PDSCH信道進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。上行資源調(diào)度，在初始接入時(shí)，UE在PUCCH發(fā)送SR（調(diào)度請求），用來請求少量數(shù)據(jù)的上行資源調(diào)度[4]?；臼盏浇K端發(fā)送的SR后，分配出PUSCH信道和分配信息，通過PDCCH信道下發(fā)，而終端根據(jù)收到的分配信息，使用分配出來的PUSCH信道上報(bào)其緩沖區(qū)當(dāng)中準(zhǔn)備上傳的數(shù)據(jù)量（即緩沖區(qū)狀態(tài)報(bào)告，Buffer State Report）。

在定位網(wǎng)絡(luò)速率異常時(shí)，首先結(jié)合以上LTE資源調(diào)度機(jī)制和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，通過后臺系統(tǒng)查看分析空口資源當(dāng)中的各信道資源配置情況。如現(xiàn)網(wǎng)LTE FDD使用20 M的頻率帶寬，即有100個(gè)RB，每個(gè)調(diào)度塊時(shí)長為1 ms，則每秒滿調(diào)次數(shù)為1000次（此為理論值，去除開銷后稍低），在RB資源一定的情況下，鏈接數(shù)量越多，每個(gè)UE調(diào)度次數(shù)隨之下降，即速率也將隨之下降。LTE對RB的調(diào)度沒有擁塞的概念，但當(dāng)后臺統(tǒng)計(jì)的RB利用率達(dá)到80%以上時(shí)，伴隨的后臺統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)感知低速率比例過高，現(xiàn)場實(shí)測速率過低。當(dāng)然，雖空口資源不足會降低網(wǎng)絡(luò)速率，但由于大多數(shù)的用戶應(yīng)用并不需要高速率，所以RB資源利用率過高不一定需要擴(kuò)容。但若同時(shí)出現(xiàn)用戶投訴或統(tǒng)計(jì)感知低速率比例超過經(jīng)驗(yàn)閥值，則需進(jìn)行擴(kuò)容、話務(wù)分擔(dān)或建站來解決問題。

3.2 空口信號質(zhì)量對速率的影響

在空中資源一定的情況下，排除資源利用率過高的情況后，影響網(wǎng)絡(luò)速率的主要原因就是空中接口的信號質(zhì)量。下面通過分析LTE調(diào)度流程，定位影響空中接口質(zhì)量的主要因素。在LTE的調(diào)度當(dāng)中，主導(dǎo)的是eNodeB，UE主要是參與，主要流程如下：

首先，UE申請接入時(shí)，UE先測量并上報(bào)相應(yīng)的CQI。LTE規(guī)范中沒有明確定義CQI的測量方式，一般為在保證PDSCH的解碼錯(cuò)誤率（即BLER）小于10%時(shí)所使用的CQI值。也就是說，UE需要根據(jù)測量結(jié)果（比如RS-SINR，參考信號信噪干比，即參考信號質(zhì)量）評估下行鏈路特性，并采用內(nèi)部算法確定此SINR條件下所能獲取的BLER值，并根據(jù)BLER<10%的限制，上報(bào)對應(yīng)的CQI值[5]。從表1可見CQI取值0～15所對應(yīng)的調(diào)制方式、編碼率和調(diào)制效率。根據(jù)圖2所示流程可知，UE在此過程當(dāng)中，通過上報(bào)CQI序號告知eNodeB在滿足BLER<10%的情況下，UE可支持的調(diào)制方式、編碼率和調(diào)制效率。

eNode收到UE上報(bào)的CQI后，eNodeB需選擇MCS下發(fā)給UE。但eNodeB選擇調(diào)制階數(shù)（modulation order）和TB size時(shí)，會保證對應(yīng)的編碼率（code rate）盡可能地接近UE上報(bào)CQI index指示的編碼率。如果有多個(gè)“調(diào)制階數(shù)和TB Size的組合”對應(yīng)的碼率同樣接近CQI index指示的碼率，則eNodeB會選擇TB size最小的那個(gè)組合[6]。此處，碼率與TB Size、調(diào)制階數(shù)的關(guān)系可由公式（1）體現(xiàn)：

碼率=傳輸塊信息比特?cái)?shù)量（TBS）÷物理信道總比特?cái)?shù)量

=傳輸塊信息比特?cái)?shù)量÷（物理信道總符號數(shù)量×調(diào)制階數(shù)）

=效率÷調(diào)制階數(shù) （1）

由以上流程可知，eNodeB自UE上報(bào)的CQI得知其可支持的調(diào)制方式和碼率后，并未依據(jù)CQI下發(fā)調(diào)度信息，而是參考自CQI得知UE支持的碼率，按調(diào)制階數(shù)和TBS的組合對應(yīng)接近的碼率，查表后選擇相應(yīng)的MCS分配調(diào)度信息給終端。

基站和UE之間數(shù)據(jù)傳送的碼率將直接影響網(wǎng)絡(luò)速率，綜上所述可知，UE上報(bào)其能支持的碼率在調(diào)度過程當(dāng)中很重要。UE上報(bào)的碼率等信息包含在CQI當(dāng)中，CQI主要根據(jù)測量RS-SINR后進(jìn)行測算得到。但需注意的是RS-SINR是過程指標(biāo)，影響RS-SINR的因素有參考信號強(qiáng)度RSRP、噪聲功率和干擾功率。另外，干擾的存在會影響B(tài)LER誤碼率，在外環(huán)功率控制當(dāng)中動(dòng)態(tài)調(diào)整MCS也將影響到網(wǎng)絡(luò)速率。

（1）參考信號強(qiáng)度

參考信號強(qiáng)度RSRP是LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)[7]，主要用于評估網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋情況，但其也是RS-SINR值的組成，在噪聲和干擾功率一定的情況，RS-SINR和RSRP的關(guān)系可參考公式（2）：

（2）

其中，N代表噪聲功率，I代表干擾功率。有公式可知決定RS-SINR的是參考信號強(qiáng)度RSRP，因?yàn)镽SRP取決于基站覆蓋，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)保持穩(wěn)定的情況下，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中主要發(fā)生變化的還是干擾，即干擾才是影響RS-SINR的主要因素。

（2）干擾和噪聲

在公式（2）當(dāng)中，如RSRP高N值10 dBm以上，N值可忽略不計(jì)。N值為接收機(jī)接收到的噪聲，一般在-125 dBm左右（詳見下文的計(jì)算）。現(xiàn)網(wǎng)LTE基站分布較密，正常情況下RSRP高于-115 dBm，即公式可簡化為RS-SINR=RSRP/I。即干擾與RSRP一樣成為影響空口質(zhì)量的因素，且RSRP主要取決于站點(diǎn)覆蓋，在未新增站點(diǎn)或無扇區(qū)覆蓋區(qū)域變化的情況下，干擾成為影響空口質(zhì)量的主要原因。

N值計(jì)算過程：

N=Nrs+Nf （3）

其中Nrs為熱噪聲功率，Nf為設(shè)備噪聲功率，終端和設(shè)備噪聲功率為7 dBm左右。而Nrs可以由公式“Nrs=K×T×B”得到，K=1.38×10-23 J/K，T代表內(nèi)阻的絕對溫度，一般取16.85 ℃也就是290K（開爾文）[8]，B為帶寬。在LTE使用20 MHz帶寬時(shí)，設(shè)備也即載波的熱噪聲為：

Nrs=1.381.38×10-23×290×20×103

=8.004×10-14 W （4）

每子載波熱噪聲（20M帶寬時(shí)有1200個(gè)子載波）為：

Nrs=8.004×10-14 W÷1200

=6.67×10-17 W

=10×lg6.67×10-14mW

=-131.9 dBm （4）

N=Nrs+Nf=-131.9+7=-124.9 dBm≈-125 dBm

（5）

要改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量以提升網(wǎng)絡(luò)速率，需解決干擾問題。要想解決干擾，首先就是要發(fā)現(xiàn)干擾[9]。對于受干擾小區(qū)的定位發(fā)現(xiàn)，可以通過周期統(tǒng)計(jì)小區(qū)上行RSSI進(jìn)行判斷，重點(diǎn)對≥-105 dBm且頻繁出現(xiàn)干擾的小區(qū)進(jìn)行排查?，F(xiàn)網(wǎng)常見的網(wǎng)內(nèi)干擾主要為過覆蓋的基站引起的同頻干擾和GPS故障等。因?yàn)楝F(xiàn)基站選址建設(shè)同址的情況較為常見，同時(shí)由于站址樓面或塔面空間資源有限，各家運(yùn)營商的站點(diǎn)天線經(jīng)常安裝在一個(gè)相對狹小的空間之內(nèi)，所以網(wǎng)間干擾主要來自2G基站。

另外，在現(xiàn)場測試時(shí)，對速率異常小區(qū)可查看鄰區(qū)相關(guān)指標(biāo)，要求鄰區(qū)信號要低于服務(wù)小區(qū)信號10 dBm以上，否則可認(rèn)為存在鄰區(qū)干擾。

干擾源的查找重點(diǎn)：優(yōu)先對站點(diǎn)或周邊2G基站的天線近距對打、同址站點(diǎn)天線水平和垂直隔離度不足等引起的雜散干擾進(jìn)行分析。

（3）誤碼率（BLER）

網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中誤碼率的產(chǎn)生主要來自干擾，站點(diǎn)傳輸質(zhì)量和設(shè)備故障也會導(dǎo)致誤碼率的上升。誤碼率對網(wǎng)絡(luò)速率的影響體現(xiàn)在外環(huán)功率控制當(dāng)中對MCS門限進(jìn)行調(diào)整，從而影響到MCS取值。不同的MCS對應(yīng)的是不同的數(shù)據(jù)傳送調(diào)制編碼方式，從而實(shí)現(xiàn)對速率的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

UE在計(jì)算CQI時(shí)BLER的目標(biāo)值是10%，為及時(shí)獲取最優(yōu)的MCS，eNodeB會通過外環(huán)功率控制調(diào)整上報(bào)的CQI，對MCS門限值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整使BLER向目標(biāo)值收斂。外環(huán)功率控制的基本思想是通過ACK/NACK譯碼結(jié)果來調(diào)整MCS，其中提高或降低MCS門限的步長由BLER決定：

在某個(gè)時(shí)刻給UE記一個(gè)調(diào)整值，表示為T，初始值為0，當(dāng)收到ACK時(shí)，T=T-△Down，當(dāng)收到NACK時(shí)，T=T+△Up，其中△Down和△Up滿足公式（6）：

（6）

令△Up=K×△Down，則：

（7）

在LTE系統(tǒng)當(dāng)中對數(shù)據(jù)信道要求BLER不超過10%，BLER為10%時(shí)，K=9。在調(diào)整MCS門限時(shí)，上調(diào)步長是下調(diào)頻長的9倍[10]。注意，調(diào)整的是MCS門限而不是MCS值，門限值上升意味著將會選擇低階調(diào)制編碼方式，門限值上升意味著將選擇高階調(diào)制編碼方式，且對MCS門限值調(diào)整的思路快升慢降。由此可見，誤碼率BLER也是影響網(wǎng)絡(luò)速率的重要因素，若為網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不理想的情況下影響更為明顯。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)作為LTE現(xiàn)網(wǎng)中唯一的業(yè)務(wù)，其速率成為LTE網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)競爭中的最大影響因素。本文結(jié)合日常工作實(shí)踐，通過對LTE網(wǎng)絡(luò)空中接口進(jìn)行研究，從空中接口資源、空中接口信號質(zhì)量等方面探討，分析影響網(wǎng)絡(luò)速率下降的原因，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化解決建議。

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