（2017年度“華蘇杯”獲獎論文三等獎）基于CQI的LTE網絡容量與感知優化研究

周菊華 谷俊江 朱序均

中國聯合網絡通信集團有限公司蘇州分公司

0 引言

現階段的聯通LTE網絡已度過高速建設階段，工作重點已從建設網絡轉移至經營網絡，而如今現網指標越發趨于平穩，因此網絡優化工作應從指標優化轉移至提升用戶感知。作為純數據網絡最能體現用戶感知的指標為用戶平均吞吐率，而其又與小區負荷、業務服務質量等息息相關，因此分析此間的相關性及其變化趨勢，對如何提升用戶感知有較大增益。

容量調整及用戶感知提升都離不開基礎網絡質量的優化，小區負荷的抬升會引起用戶感知和網絡質量下降，同時業務質量的下降也會增加網絡負荷、降低用戶感知。基于基礎網絡質量的提升，分析用戶感知差原因，尋找與質量、容量相關的感知拐點，為LTE網絡精準把脈。

1 背景

業務質量、用戶感知、小區負荷是LTE網絡指標考核的三個基本維度，平均CQI即為小區服務質量、用戶平均吞吐率反應了小區下用戶的使用感知、而PRB利用率、業務量、承載用戶數則體現小區業務負荷。

1.1 業務質量指標

LTE的PDSCH有三種編碼方式（QPSK/16QAM/64QAM），其分別所需要的信道條件不同，編碼效率越高（QPSK＜16QAM＜64QAM），對信道的條件要求就越高，PDSCH的調度由eNB決定，其作為發射方，并不清楚UE們的接收情況如何（即下行信道質量如何），所以需要UE來測量信道質量并反饋eNB作為信道編碼的依據，協議把UE測量的信道質量量化為0至15的序列，稱之為CQI。CQI的值越大，說明信道質量越好。

CQI上報以PUCCH的周期上報為主，以PUSCH的非周期上報為輔，CQI的上報周期（2ms、5ms、10ms、40ms）一般遠大于調度周期，由于UE移動時大尺度衰落（路徑損耗+陰影衰落）的影響，上報時刻的CQI與調度時刻的CQI可能已經差距比較大，即CQI調度算法要考慮補償用戶的大尺度衰落。

（1）CQI調度

CQI對調度的影響，在下行調度中，影響用戶速率的主要有下面的幾個因素：

1）終端能力級別：對應每個TTI能夠傳輸的最大比特數和層數；

2）數據緩存和HARQ反饋（Ack/Nack）：RLC緩存影響了用戶所需的RB數，ACK/NACK作為CQI調整算法輸入決定用戶的MCS；

3）Qos需求：調度考慮Qos參數，分配資源和調度優先級；

4）信道質量（CQI/PMI/RI）：下行調度器會根據下行信道質量等信息動態地為UE選擇適合的RB資源（調制編碼方式、RB分配類型、RB數）進行下行傳輸；

5）下行發射功率：在調度時會考慮小區可用功率，避免下行可用RB受限；其中，CQI主要影響了MCS的選擇和分配RB的大小。

從原始的UE測量值，經過網絡側調整（eNodeB），最后給終端用戶做MCS映射。網絡CQI上報、調整、映射的流程如下圖1所示：

圖1 網絡CQI上報、調整、映射流程圖

表1 Itbs和Imcs的映射關系表

（2）CQI上報

CQI上報是CQI調整的前提，如果上報不準確，不能反映實際的信道質量，則經過CQI調整后也是不合理的，這會嚴重影響下行調度結果。CQI上報分為周期性CQI上報和非周期性CQI上報。

1）周期性CQI上報

MAC在周期定時器到達時，觸發周期CQI上報；由于周期CQI上報在協議明確規定由PUCCH承載，所以直接選擇PUCCH承載周期CQI上報信息，同時根據周期來決定上報周期CQI的PUCCH所對應的幀號和子幀號。

2）非周期CQI上報

MAC在接收到上行授權的CQI上報指示后，觸發非周期CQI上報；非周期CQI上報在協議明確規定在PUSCH承載，所以直接選擇PUSCH承載非周期CQI上報信息，非周期上報的幀號和子幀號是根據上行授權獲得。對于非周期CQI上報，包括兩種情況：一種是有數據一起發送時，CQI作為隨路進行發送的，如果沒有數據一起發送，CQI是單獨進行發送的。

（3）CQI調整算法

其本質的作用就是：如果eNB直接使用UE上報的CQI，那么達到的IBLER值是x%，而系統在IBLER目標值y%時達到小區吞吐率的最大值或者是用戶平均時延的最優化結果，所以需要CQI調整算法，把上報CQI值進行調整，從而使用戶數傳時的IBLER接近于IBLER目標值。

（4）MCS映射

需要將CQI映射到Itbs，然后映射到Imcs。基于Itbs，剩余功率及用戶緩存等輸入， 計算可分配的RB資源。下圖為Itbs和Imcs的映射關系，如表1所示：

因此，小區平均CQI反應了小區干擾程度及其所能提供業務的服務質量，高階調度下頻譜資源利用效率較高，用戶也感知較好。

1.2 小區負荷指標

PRB即物理資源塊（Physical Resource Block），為空中接口物理資源分配的單位，其利用率（使用個數/可用個數）反應了小區資源使用情況；PRB利用率和用戶的行為關系比較大，比如用戶數目多，則eNodeB調度的用戶數越多，調度難度比較大，出現調度“縫隙”的幾率就比較大，影響PRB的利用率，另外如果用戶使用的業務不是類似best effort的連續大數據量業務，而是比較零碎的小包業務，時斷時續的，那么PRB的分配也不會很充分。

PRB利用率某些程度上也能標準頻譜資源利用率效率。頻譜效率（Spectrum Effectiveness）又稱頻帶利用率，用來衡量系統的有效性。它定義為單位帶寬傳輸頻道上每秒可傳輸的比特數，單位是 bps/Hz。它是單位帶寬通過的數據量的度量，由此衡量一個信號傳輸技術對帶寬資源的利用率，可以通過單位時間內傳輸的比特數除以單位時間內占用的RB數進行計算。消耗相同的RB用戶獲得更高的速率，則資源利用效率也高。

而小區平均用戶數、流量又是小區承載情況的體現，PRB利用率隨著小區內用戶數、流量的增加而上升。因此PRB利用率及小區承載用戶數和流量體現了小區負荷情況。

1.3 用戶感知指標

用戶平均吞吐率為小區下用戶單位時間內平均速率，用戶吞吐率越高，該用戶使用網絡感知就越好，因此用戶平均吞吐率可表征小區內用戶平均感知優劣程度。網絡承載業務的不同對速率要求也存在差異，一般以視頻業務要求速率要求作為判斷用戶感知標準。

碼率（Bitrate）是影響視頻體驗的一個關鍵指標，如公式（1）所示：

其中，FileSize表示文件大小，duration表示持續時間；Resolution表示分辨率，Subsample表示采樣，FPS表示每秒幀率，CompressionRatio表示壓縮率。

觀看視頻要求速率必須大于碼率，華為實驗室根據現網測試獲取的國內優酷大數據樣本的分析，發現當速率為碼率的1.4、1.7、1.9倍時，分別能保證90%、95%、98%左右的無卡頓率，播放1080P視頻時要求目標速率為10Mbps。不同分辨率的視頻速率需求如圖2所示：

圖2 不同分辨率的視頻速率需求圖

2 數據分析

對小區PRB利用率、CQI、用戶平均吞吐率、用戶數、流量之間相關性分析，有助于了解小區實際服務性能，研究其關聯性及變化趨勢有助于提升網絡整體服務質量。

2.1 整體相關性分析

統計對比PRB利用率與用戶平均吞吐率、平均CQI數據，隨著PRB利用率提高單用戶速率下降明顯、平均CQI在PRB利用率超過30%后降幅趨于平緩，變化趨勢如圖3所示：

圖3 PRB利用率與用戶平均吞吐率、平均CQI關聯對比圖

小區業務負荷指標線性關系明顯，隨著小區平均用戶數增加、流量的增多PRB利用率也隨之升高，如圖4所示。其中，數據基于蘇州全網LTE小區一周自忙時平均數據。

圖4 PRB利用率與用戶平均用戶數、流量關聯對比圖

2.2 基于用戶感知分析

相同PRB利用率在不同CQI下獲得的用戶速率，可以表征在不同業務質量下用戶獲得的感知優劣程度。在CQI較好的場景下，用戶可獲得更高的單用戶速率，感知較好；而在CQI較差時感知則抑制明顯，如圖5所示：

圖5 相同PRB利用率在不同CQI下的用戶速率對比圖

在不同CQI下滿足相同用戶感知速率時所能承載的業務負荷也不同，CQI較好時小區能承載用戶更多。以單用戶速率10Mbps為例，CQI好點（＞=10）能承載142個用戶、CQI中點（7-9）能承載85個用戶、CQI差點（0-7）僅能承載18個用戶，如圖6所示：

圖6 相同平均用戶速率下小區承載用戶數對比圖

2.3 資源利用效率分析

分析小區PRB利用率在不同CQI下所承載的流量，可以表征在不同業務質量下消耗相同的小區資源獲得的業務量情況，反映了小區資源利用效率。在CQI好點PRB利用率與流量線性關系較好，在CQI差點則流量壓制明顯，如圖7所示：

圖7 相同PRB利用率下不同CQI下小區承載流量對比圖

在同一負荷下，不同業務質量所能承載的用戶也不同。在CQI較好時，隨著用戶的增加PRB利用上升較為緩慢，資源利用效率較高；而CQI較差時，PRB利用率抬升更快，承載相同的用戶數時小區負荷更高，資源利用效率較差，如圖8所示：

圖8 相同PRB利用率下不同CQI下小區承載用戶數對比圖

從上分析可以得出，在CQI好點消耗相同的資源情況下可承載更多業務量和用戶，資源利用效率也較高。

2.4 感知拐點分析

由于視頻業務已成為4G網絡流量主要貢獻者，將以視頻業務目標優秀速率10Mbps（基于國內主流OTT視頻業務特征統計）作為感知好壞的判決條件。統計現網各小區自忙時平均數據，要滿足用戶速率為10Mbps，此時對應的PRB利用為60%、CQI為9，如圖9所示：

圖9 10Mbps用戶速率時的PRB利用率及平均CQI對比圖

現網自忙時話務模型中，小區PRB利用在60%以下、平均CQI在9以上時才能保證用戶獲得良好的業務感知。因此，用戶速率10Mbps、PRB利用率60%、CQI為9即為網絡感知拐點。

2.5 小結

通過統計分析“負荷、質量、感知”即PRB利用率、CQI、用戶平均吞吐率間相關性，可總結歸納以下幾點：

1）PRB利用率越高、用戶平均吞吐率越低、CQI越低，PRB利用率與用戶平均吞吐率線性關系明顯，CQI在PRB利用率超過30%后降幅趨于平緩；

2）負荷相同的小區、不同的CQI場景下的用戶感知不同，CQI越高用戶感知越好；

3）相同用戶速率情況下，CQI越高能承載的用戶越多；

4）小區同等負荷下，較好的CQI能承載較多的業務量與用戶，小區資源利用率較高；CQI越高PRB利用率與流量線性關系較好，在CQI差點則流量壓制明顯；

5）感知拐點：滿足用戶速率10mbps，CQI要求在9以上、PRB利用率在60%以上，可形成“二維四象”圖進行分類優化。

想要獲得較好的用戶感知，需提升小區平均CQI；同時CQI也直接影響小區資源使用效率，在CQI較差PRB利用較高時，提升CQI也能降低小區負荷。因此小區業務質量的提升即CQI優化，是提升用戶速率、提高資源利用率的關鍵。

3 感知優化提升方案

3.1 二維四象評估方案

分析各小區PRB利用及平均CQI，根據感知拐點可形成“二維四象”圖，可直接評估各小區下用戶平均感知度，如圖10所示：

“二維四象”4類區域詳細分析見表2：

通過對比可以發現：

1）平均CQI高、PRB利用率高：質量良好、負荷較高，這類為高業務量引起的質差小區，建議擴容解決；

2）平均CQI高、PRB利用率低：小區業務質量較好、負荷不高、用戶感知好，此類小區為非質差小區，無需優化調整；

3）平均CQI低、PRB利用率低：低業務承載小區、平均CQI不高，此類質差小區存在采樣點少、受用戶行為影響較大，存在一定偶然性，建議優化CQI，提升用戶感知；

4）平均CQI低、PRB利用率高：小區高負荷是由于CQI較差引起資源使用效率低導致，此類小區業務量負荷不低、干擾嚴重、資源利用低、用戶感知差，應重點優化解決。

圖10 二維四象分析示意圖

表2 “二維四象”小區分析表

3.2 高負荷小區優化

“區域A”高負荷感知差小區優化即可小區擴容解決，LTE擴容有多種解決方案，可通過對高負荷小區指標分析，結合現場實際需求，擇優實施。具體擴容方案分析如表3所示：

表3 高負荷小區擴容方案表

3.3 CQI優化提升

“區域C、D”感知差小區優化實則為CQI提升，引起CQI差原因大致可分為以下兩個方面：

1）越區、重疊覆蓋、弱覆蓋、模三等無線環境差引起的干擾，導致PRB利用率“虛高”，資源利用效率較差；

2）用戶處于小區邊緣導致的低CQI，往往涉及站址規劃合理性及用戶遷移等原因。

（1）無線環境優化

CQI指數與無線信號質量直接強相關，提升現場無線信號質量，對CQI提升有明顯改善作用。優化此類問題以RF優化為主、參數調整為輔，RF調整時需關注減少弱覆蓋、越區覆蓋、重疊覆蓋、模三干擾等常見問題，盡量避免PCI相同小區對打。在日常問題分析中需結合TA分布來查看用戶接入距離，確定小區覆蓋半徑，為RF調整提供參考。

優化案例：“璜涇蕩茜_FL_A_1”自忙時平均CQI為6.9、PRB利用率61%屬于“二維四象”D區域的質差小區，用戶平均吞吐率為9Mbps左右、64QAM調制占比僅為14%。小區越區嚴重，TA區間5（2Km）以上的比例在38%，越區嚴重需RF優化控制覆蓋。

經現場優化調整后各項指標也改善明顯，小區自忙時平均CQI提升至10.7、用戶平均吞吐率提升至33Mbps、64QAM調制比例提升至68%，由于覆蓋收縮小區業務量略有下降；區域整體指標亦改善明顯，區域整體CQI從7.3提升至9.2、用戶平均速率從13.5Mbps提升16Mbps、64QAM調制占比從19.3%提升至42.2%，區域業務量則無明顯變化。優化前后指標對比如圖11所示：

圖11 優化前后指標變化趨勢圖

調整后區域測試SINR也有明顯改善，DT測試 對比圖如圖12所示：

圖12 優化前后區域SINR對比圖

（2）邊緣用戶評估

邊緣用戶可以以路損指標“L.Traff i c.User.PL0～L.Traff i c.User.PL14”來定義，即在路損區間內發生業務的用戶數，路損越大表示用戶越處于小區覆蓋邊緣。小區RS功率與路損PL之差即為用戶接收信號強度，路損結合站間距、TA區間分布能確定小區實際覆蓋情況。由于位于小區邊緣，用戶感知會較差，此類用戶過多也會明顯拉低小區平均CQI。

提升邊緣用戶感知，合理的站址及小區規劃是必須條件，輔以RF調整，改善CQI、提升資源利用率效率。邊緣用戶為相對概念，需結合路損、站間距、TA區間及CQI和用戶感知來具體分析、優化。

優化案例：統計小區路損、TA、CQI指標，結合站間距（排除越區原因）篩選CQI差、路損高小區。在同一區域以下2個小區“旭寶高爾夫_FL_B_1、莊里_FL_C_1”存在明顯邊緣用戶情況：路損區間6-10比例在74%以上、小區平均CQI僅7.5、無越區情況。詳細指標如表4所示：

表4 小區路損PL及TA區指標表

上述2個站間距僅390米，2個質差小區下70%用戶位于小區覆蓋邊緣，且重疊覆蓋嚴重，明顯的存在站址選擇不合理的情況。經實地勘察后將“莊里基站機房_FL_BBU”向南搬遷1Km，并進行區域優化后，2個站點的邊緣用戶比例改善明顯。調整后站點指標如表5所示，站點搬遷如圖13所示：

站址調整后邊緣用戶占比下降明顯，小區平均CQI均有不同程度提升，區域內用戶感知改善明顯。

表5 調整后站點路損PL及TA區指標表

圖13 站點搬遷示意圖

4 總結

CQI的惡化將降低資源使用效率及用戶感知，在相同的PRB利用率下能承載的業務及用戶也隨之降低；同時隨著業務增加PRB利用率升高，小區CQI也隨之降低。通過上述幾個性能指標相關性分析，可以得出全網忙時PRB利用率、CQI、用戶平均速率間平衡標準。根據關鍵指標的變化趨勢總結相關性、尋找感知拐點，形成“二維四象”分析法，為后期網絡評估、優化提供參考依據。