一種基于MRO數(shù)據(jù)的用戶定位分析算法及初步應(yīng)用

趙春陽(yáng)，張楹, 何川, 王蔚

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司上海分公司，上海 200060）

隨著移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益增大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，用戶投訴多樣化，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析更深入、更貼合用戶實(shí)際行為已成為網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、優(yōu)化的工作重點(diǎn)。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及評(píng)估、處理方法及思路已無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)需求， 如何準(zhǔn)確地定位用戶網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)覆蓋和容量的空洞，科學(xué)指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和建設(shè)，提高優(yōu)化人員的工作效率，成為了近期網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的熱點(diǎn)問(wèn)題。

當(dāng)前擺在運(yùn)營(yíng)商面前的首要問(wèn)題是快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋缺陷，有效提升網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量。目前網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估主要手段是通過(guò)路測(cè)數(shù)據(jù)和后臺(tái)KPI統(tǒng)計(jì)進(jìn)行衡量的，路測(cè)數(shù)據(jù)主要是在道路上進(jìn)行抽樣，并非用戶真實(shí)所處的無(wú)線環(huán)境，無(wú)法真實(shí)還原在網(wǎng)用戶覆蓋體驗(yàn)。而傳統(tǒng)KPI統(tǒng)計(jì)，由于缺少無(wú)線環(huán)境指標(biāo)，且不能區(qū)分用戶，因此也無(wú)法真實(shí)體現(xiàn)用戶感知。

所以對(duì)用戶終端進(jìn)行定位在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的重要性逐漸體現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化定位需要使用的技術(shù)屬于移動(dòng)終端定位技術(shù)的一種。移動(dòng)終端定位技術(shù)可以根據(jù)依靠的網(wǎng)絡(luò)分為3大類(lèi)：衛(wèi)星定位、WLAN定位、基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位等。衛(wèi)星定位適用于室外場(chǎng)景，WLAN 定位適用于室內(nèi)場(chǎng)景。這兩類(lèi)方法的定位主體為終端自身，對(duì)終端實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和成本有一定的要求，定位的準(zhǔn)確度和精度較高，應(yīng)用比較成熟，如導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛、美食等生活信息搜索、地圖、打車(chē)等?；谝苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位方法對(duì)于室外和室內(nèi)場(chǎng)景均適用，而且隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，此定位方法的適用場(chǎng)景和范圍也越來(lái)越豐富?；谝苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位方法同樣可以基于終端實(shí)現(xiàn)，但是需要對(duì)終端進(jìn)行改造。此外，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)通信過(guò)程中獲取的終端信息進(jìn)行自行定位，這類(lèi)方法不需要終端改造，可利用現(xiàn)有資源，更經(jīng)濟(jì)、可行性更高。網(wǎng)絡(luò)管理、評(píng)估和優(yōu)化需要使用的就是這類(lèi)定位技術(shù)。

本文將主要研究基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)MRO 數(shù)據(jù)定位算法及其在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的初步應(yīng)用。

1 定位原理

MR測(cè)量是TD-LTE系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能。物理層上報(bào)的測(cè)量結(jié)果可以用于系統(tǒng)中無(wú)線資源控制子層完成諸如小區(qū)選擇/重選及切換等事件的觸發(fā)，也可以用于系統(tǒng)操作維護(hù)，觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)具有測(cè)量所規(guī)定測(cè)量報(bào)告數(shù)據(jù)的能力。測(cè)量方式采用周期測(cè)量時(shí)，可在測(cè)量任務(wù)定制時(shí)對(duì)上報(bào)周期進(jìn)行配置。對(duì)一個(gè)測(cè)量，報(bào)告觸發(fā)方式可以是事件觸發(fā)或周期性觸發(fā)。如果是周期性觸發(fā)，需要配置上報(bào)周期；如果是事件觸發(fā)，則利用網(wǎng)絡(luò)已開(kāi)啟的事件測(cè)量，不需另外開(kāi)啟測(cè)量。

目前主要運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開(kāi)啟周期性測(cè)量功能，并由網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）對(duì)測(cè)量報(bào)告（MR）進(jìn)行定期收集。周期性測(cè)量數(shù)據(jù)存放在MRO（代表測(cè)量報(bào)告樣本數(shù)據(jù)文件）文件中，MRO數(shù)據(jù)量大，信息齊全，是網(wǎng)絡(luò)評(píng)估和優(yōu)化的首選數(shù)據(jù)。目前MRO數(shù)據(jù)中可以用于定位的信息有：時(shí)間提前量TA數(shù)據(jù)和eNode B天線到達(dá)角AOA數(shù)據(jù)。

（1）TA 數(shù)據(jù)：TA 是由eNode B測(cè)量并下發(fā)給終端，用于調(diào)整終端在主小區(qū)PUCCH/PUSCH/SRS上行發(fā)送時(shí)間的值。目前eNode B的計(jì)算方法為：在隨機(jī)接入過(guò)程中，測(cè)量接收到的導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)確定TA，取值范圍為（0， 1， 2，…， 282)×16 Ts；隨后，eNode B測(cè)量對(duì)應(yīng)終端的上行傳輸信號(hào)來(lái)確定TA調(diào)整值，調(diào)整值的范圍為（0， 1， 2，…， 63)×16 Ts。最新的 TA 值為上次記錄的TA值和本次調(diào)整值之和。MRO數(shù)據(jù)中TA的上報(bào)值與實(shí)際距離的換算關(guān)系如下：

UE與服務(wù)基站的距離=1/2×TA×16 Ts×c

其中Ts=1/(15 000×2 048) s，即一個(gè)TA相當(dāng)于78.125 m的距離。因此采用TA值計(jì)算距離的算法精度為78 m。如果需要提高精度，需要配合其它數(shù)據(jù)一起使用，或者是修改規(guī)范，提高eNode B上報(bào)TA值的精度。

（2）AoA數(shù)據(jù)：AoA為用戶相對(duì)正北方向逆時(shí)針?lè)较虻墓烙?jì)角度。AoA的取值范圍是0°～360°，精度為5°。MRO中的AoA值的誤差主要有以下幾方面：

邊緣效應(yīng)：均勻線陣（ULA）天線自身?yè)碛匈x形不均勻性和柵瓣現(xiàn)象（或者大副瓣等），這些現(xiàn)象在扇區(qū)邊緣區(qū)域比較明顯，稱(chēng)為邊緣效應(yīng)。邊緣效應(yīng)可能使得處于扇區(qū)邊緣區(qū)域的用戶的AoA估計(jì)不準(zhǔn)確，甚至估計(jì)到相反的一個(gè)方向。

天線數(shù)目少，分辨精度低：中國(guó)移動(dòng)目前使用的天線多為八通道雙極化智能天線，能夠分辨的來(lái)波方向精度只有15°左右。因此天然地?zé)o法對(duì)用戶進(jìn)行精確定位。未來(lái)5G推行大規(guī)模陣列MIMO以后，AoA的精度將會(huì)大幅度提升。

多徑產(chǎn)生的誤差：在多徑反射的場(chǎng)景下，MRO中估計(jì)的AoA值只能是多徑中的最強(qiáng)徑。

在TD-LTE系統(tǒng)中，由于使用了智能天線，因而有用戶的到達(dá)角（AoA）的測(cè)量上報(bào)，使得TA+AoA這種方式的定位成為可能。

由于以上MRO測(cè)量數(shù)據(jù)本身的給用戶定位造成的誤差，所以本算法受限于MR數(shù)據(jù)定位本身的精度誤差，在此基礎(chǔ)上提供一種基于MRO數(shù)據(jù)的終端用戶采樣點(diǎn)定位算法。

2 算法設(shè)計(jì)

針對(duì)一線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工程師來(lái)說(shuō)， MR數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告里面，已經(jīng)有了TA+AoA的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以用來(lái)幫助判斷小區(qū)級(jí)別的覆蓋情況， 但是這種數(shù)據(jù)的分析太過(guò)于寬泛，很難直觀的分析用戶所在的具體位置，缺少了用戶采樣點(diǎn)在地理位置上的分布，因?yàn)镸R測(cè)量報(bào)告的周期在測(cè)量報(bào)告收集時(shí)間內(nèi)是固定的， 所以測(cè)量報(bào)告的上報(bào)數(shù)量與業(yè)務(wù)的密度高度關(guān)聯(lián)，可以近似的認(rèn)為測(cè)量報(bào)告上報(bào)密集點(diǎn)區(qū)域是高業(yè)務(wù)密度區(qū)域的分布，同時(shí)如果對(duì)上報(bào)電平較低的采樣點(diǎn)進(jìn)行專(zhuān)題的地圖顯示，則可以輔助網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員定位到弱覆蓋的具體區(qū)域。

所以根據(jù)MR數(shù)據(jù)生成測(cè)量報(bào)告采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，成為算法研究的關(guān)鍵內(nèi)容。

2.1 經(jīng)緯度計(jì)算

因?yàn)榛镜慕?jīng)緯度作為運(yùn)營(yíng)商是已知信息，因此可以根據(jù)該經(jīng)緯的數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng)用戶的定位拓展應(yīng)用。由于用戶采樣點(diǎn)距離基站的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地球周長(zhǎng)，這是可考慮基站覆蓋平面為水平面，而非球體。以下以用戶位置在相對(duì)基站在第一象限的采樣點(diǎn)為例，對(duì)用戶采樣點(diǎn)相對(duì)基站的經(jīng)度差和緯度差進(jìn)行運(yùn)算。

為T(mén)A相對(duì)地球赤道周長(zhǎng)距離微乎其微，可考慮TA×sin (AoA)、TA×cos (AoA)為圓弧形，用它們分別除以地球所在緯度周長(zhǎng)、地球赤道周長(zhǎng)，然后換算成角度便可獲取用戶采樣點(diǎn)相對(duì)于基站的經(jīng)度差和緯度差。

圖1 用戶定位經(jīng)緯度計(jì)算原理

通過(guò)圖1可知：

經(jīng)度差= [TA×sin (AoA)]/基站所在位置地球緯度周長(zhǎng)/360°。

緯度差= [TA×cos (AoA)]/地球赤道周長(zhǎng)/360°。注：這里考慮赤道周長(zhǎng)＝子午線周長(zhǎng)。

另外通過(guò)詳細(xì)嚴(yán)謹(jǐn)推算，其它3個(gè)象限經(jīng)度差、緯度差也等于上述公式。

2.2 基站所在位置緯度計(jì)算

眾所周知，地球赤道周長(zhǎng)約為40 076 km，子午線和赤道周長(zhǎng)相差無(wú)幾，約等于40 009 km，本次計(jì)算時(shí)統(tǒng)一使用地球赤道周長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)R=地球半徑，圖2可展示如何計(jì)算基站所在位置的地球緯度周長(zhǎng)。

考慮地球表面為規(guī)則的球形，根據(jù)以上圖例和幾何數(shù)學(xué)公式，可知基站所在緯度地球周長(zhǎng)/[2×R×cos (基站緯度)]=赤道周長(zhǎng)/(2×R) =π。即基站所在緯度地球周長(zhǎng)=赤道周長(zhǎng)×cos (基站緯度)。

圖2 基站所在位置地球緯度周長(zhǎng)的計(jì)算（地球縱切面）

考慮地球表面為規(guī)則的球形，根據(jù)以上圖例和幾何數(shù)學(xué)公式，可知：

基站所在緯度地球周長(zhǎng)/[2×R×cos (基站緯度)］ =赤道周長(zhǎng)/(2×R) =π

即基站所在緯度地球周長(zhǎng)=赤道周長(zhǎng)×cos (基站緯度)

2.3 算法展示

根據(jù)某運(yùn)營(yíng)商數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)無(wú)線操作維護(hù)中心（OMC-R）測(cè)量報(bào)告技術(shù)要求，TA和AoA在測(cè)量范圍和精度如表1和表2所示。

表1 TA上報(bào)數(shù)據(jù)與測(cè)量區(qū)間的分布

表2 AoA上報(bào)數(shù)據(jù)與測(cè)量區(qū)間的分布

采樣點(diǎn)上報(bào)角度為AoA1，而實(shí)際上AoA1并非實(shí)際上用戶所在位置相對(duì)基站所成角度，而是除以2要再減去采樣點(diǎn)所占用小區(qū)天線方位角，即：AoA=(AoA1/2)-天線方向角+360°。在此基礎(chǔ)上，MRO原始樣本中TA和AoA對(duì)應(yīng)的參數(shù)是一個(gè)范圍區(qū)間，不是一個(gè)固定的數(shù)值，這里可以取區(qū)間的中間值，計(jì)算基站經(jīng)緯度如下：

用戶采樣點(diǎn)經(jīng)度=基站經(jīng)度+ [TA中值×sin(AoA)]/(基站所在位置地球緯度周長(zhǎng)/360°) (1)

用戶采樣點(diǎn)緯度=基站緯度+ [TA中值×cos (AoA)]/(地球赤道周長(zhǎng)/360°) (2)

對(duì)某個(gè)小區(qū)的MRO采樣點(diǎn)按照以上公式進(jìn)行計(jì)算，映射到mapinfo圖層上，如圖3所示。

圖3 某小區(qū)的MRO中值算法采樣點(diǎn)分布

通過(guò)在地圖上打點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)，該算法可以根據(jù)MR采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息自動(dòng)生成采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，實(shí)現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)的模擬定位；同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)采用中值方法后由于TA、AoA數(shù)據(jù)的不連續(xù)分布，所以存在著多個(gè)采樣集中在一個(gè)點(diǎn)上無(wú)法區(qū)分的問(wèn)題，最終導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)地圖分布分析，確認(rèn)業(yè)務(wù)量的空間分布情況，所以有必要對(duì)該算法進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

2.4 算法探討

由于多個(gè)采樣點(diǎn)在某一個(gè)經(jīng)緯度上重疊數(shù)較多，在做業(yè)務(wù)量地理位置分析上，很難區(qū)分采樣點(diǎn)的業(yè)務(wù)密度分布情況分析，所以在不改變MR定位算法精度的前提下，可以考慮對(duì)采樣點(diǎn)在測(cè)量報(bào)告技術(shù)要求的范圍內(nèi)對(duì)測(cè)量報(bào)告中的角度、距離在邊界內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)化，利用RAND函數(shù)對(duì)采樣點(diǎn)在角度、距離邊界內(nèi)分別進(jìn)行隨機(jī)化，得到以下優(yōu)化后的計(jì)算公式：

用戶采樣點(diǎn)經(jīng)度=基站經(jīng)度+[(TA+TA間隔×隨機(jī)函數(shù))×sin(AoA+AoA間隔×隨機(jī)函數(shù))]/(基站所在位置地球緯度周長(zhǎng)/360°) (3)

用戶采樣點(diǎn)緯度=基站緯度+[(TA+TA間隔×隨機(jī)函數(shù))×cos(AoA+AoA間隔×隨機(jī)函數(shù))]/(地球赤道周長(zhǎng)/360°) (4)

通過(guò)圖3與圖4的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，引入隨機(jī)函數(shù)后，采樣點(diǎn)分布在技術(shù)要求的范圍區(qū)域內(nèi)，采樣點(diǎn)重疊的概率得到了有效的降低，可以實(shí)現(xiàn)在地理位置上的分布分析，可以用來(lái)做業(yè)務(wù)量密度的進(jìn)一步分析。

圖4 某小區(qū)優(yōu)化算法后的MRO采樣點(diǎn)隨機(jī)化分布

圖5 某小區(qū)MRO定位隨機(jī)化采樣點(diǎn)分布與掃頻數(shù)據(jù)對(duì)比圖

2.5 算法小結(jié)

該算法的核心價(jià)值就是根據(jù)小區(qū)經(jīng)緯度及MR數(shù)據(jù)的相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)了MR采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度的自動(dòng)生成，該算法可以模擬生成用戶的定位信息，定位數(shù)據(jù)的進(jìn)一步應(yīng)用可以幫助網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的定位分析，把網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的精度從小區(qū)級(jí)別提升到地理位置的細(xì)化級(jí)別要求。

由于TA、AoA是區(qū)間值，不是一個(gè)具體的固定值，該算法定位的精度受限于TA、AoA數(shù)據(jù)的精度，同時(shí)算法中采用中值的函數(shù)和隨機(jī)的函數(shù)不存在那個(gè)算法優(yōu)越的問(wèn)題，只是在做不同應(yīng)用時(shí)可以采用不同的函數(shù)用來(lái)幫助我們更好的匹配分析的目標(biāo)。

3 算法初步應(yīng)用

下面運(yùn)用MRO定位技術(shù)對(duì)典型問(wèn)題某小區(qū)的用戶區(qū)域進(jìn)行定位分析，如表3所示。

表3 小區(qū)基礎(chǔ)工參信息

通過(guò)提取小區(qū)的MRO及掃頻相關(guān)數(shù)據(jù)，得到如圖5所示分析數(shù)據(jù)。

MRO數(shù)據(jù)和小區(qū)掃頻維數(shù)據(jù)顯示主要覆蓋800 m范圍內(nèi)，主要方向?yàn)?0°/100°/200°方向，二者在分析小區(qū)覆蓋的方向和范圍上基本一致。

從圖6可以看出，在小區(qū)主方向MRO采樣點(diǎn)分布較少，而在基站東北、正東、西南方向有較多分布?，F(xiàn)場(chǎng)查勘小區(qū)主打方向?yàn)榭盏?，并無(wú)建筑阻擋。從用戶集中的角度分析，該小區(qū)的MRO采樣點(diǎn)分布主要是在用戶集中區(qū)域，靠近主打方向340°最近的東北用戶集中區(qū)域MRO采樣點(diǎn)分布最多。由此說(shuō)明MRO采樣點(diǎn)的定位技術(shù)較為準(zhǔn)確， MRO采樣點(diǎn)基本分布在用戶集中區(qū)域，主打?yàn)榭盏貙儆谟脩粝∩賲^(qū)域，采樣點(diǎn)相對(duì)較少。

圖6 小區(qū)MRO定位采樣點(diǎn)分布與無(wú)線環(huán)境的匹配度對(duì)比

由此判斷小區(qū)主打方向?yàn)榉怯脩艏袇^(qū)，本小區(qū)不僅僅信號(hào)穿過(guò)空曠區(qū)域造成遠(yuǎn)點(diǎn)路面的重疊覆蓋問(wèn)題，而且由于近點(diǎn)20°方向的用戶集中分布區(qū)域由本小區(qū)的旁瓣信號(hào)覆蓋，同時(shí)造成了近點(diǎn)用戶集中區(qū)域的弱覆蓋問(wèn)題。

4 結(jié)論

結(jié)合以上具體的案例分析可以發(fā)現(xiàn)，該算法實(shí)現(xiàn)了MRO采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度生成，可以用來(lái)模擬用戶的定位信息。定位算法可以采用中值函數(shù)算法和隨機(jī)函數(shù)算法，可以供技術(shù)人員根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)去自行選擇。

同時(shí)MRO定位功能的作用不止于此，采樣點(diǎn)隨機(jī)化后可以反映區(qū)域用戶的多少，可以協(xié)助網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員根據(jù)不同區(qū)域分場(chǎng)景實(shí)施不同的優(yōu)化策略。該算法的核心價(jià)值就是根據(jù)小區(qū)經(jīng)緯度及MR數(shù)據(jù)的相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)MR采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度的自動(dòng)生成。

目前MRO采樣點(diǎn)的定位技術(shù)也有一定的局限性，比如對(duì)處于天線背向覆蓋的用戶不能準(zhǔn)確判斷位置，還有區(qū)域分析時(shí)需要采用大量的MRO樣本，處理的時(shí)間較長(zhǎng)。但是相信隨著大規(guī)模陣列智能天線以后在LTE網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用，MRO定位方法會(huì)更加準(zhǔn)確。另外隨著服務(wù)器處理計(jì)算能力的提高，對(duì)MRO數(shù)據(jù)進(jìn)行大量分析處理也不是太大的難題，相信MRO采樣點(diǎn)的定位技術(shù)在以后的LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。