高鐵場景網絡質量和用戶感知提升方法

梁松柏，郭穎悟，李新衛

（中國聯合網絡通信有限公司河南省分公司，河南 鄭州 450008）

1 引言

高鐵已成為我國最大規模的人口流動承載工具，最大限度提升高鐵用戶業務體驗和感知成為運營商塑造網絡口碑的一大挑戰。中部某省為“米”字型高鐵匯集區。該省成立專項組，每完成一條高鐵專網覆蓋，都按照集團技術規范和標準要求，采用路測加后臺分析方法發現問題，以及采取多RRU小區合并解決頻繁切換、多載波加低速用戶遷出解決容量等一系列高鐵網絡特性功能提升用戶感知。自京廣高鐵開通至今，6年時間下發14 000條問題調整工單，累計投入優化費用1 200多萬元，京廣等關鍵線路SINR≥0的比例僅為83.9%左右，無法從根本上解決SINR差、VoLTE掉話、上網慢、用戶體驗差、投訴多等問題。

本文以高鐵用戶質量和業務感知提升為目標，旨在構建一套干線優化理論體系，并提出與該理論匹配的、可變現的簡單操作方法，解決現有干線質量提升無系統性解決方案以及效果有限的困境，供運營商在所有交通干線場景快速復制和推廣。

2 優化原理

2.1 理論分析

造成高鐵SINR差、VoLTE掉話多、感知頻繁被人詬病的原因有很多，排除故障告警、斷站等運維因素，現有方法僅著眼于掉話、切換失敗、單個SINR差等表象問題；或依賴加載某項功能特性改善一類的問題；實際效果事倍功半。其根本原因是，問題根因定位不準，缺乏基于根因的體系化方法，具體為覆蓋控制不合理、干擾導致數據無法正常解調、容量厚度不夠。要徹底解決以上問題，需從其原理著手，并解決實施順序。

高鐵網絡和大網類似，需要優化解決覆蓋、質量和容量問題，最終實現用戶感知提升。

（1）移動網覆蓋，指終端接收到的網絡信號電平值高于某種基本業務的信號解調門限，是為終端提供基本網絡質量的第一位因素。反之則為弱覆蓋或無覆蓋。

（2）移動網質量，主要針對網絡或終端的接收機靈敏，接收機靈敏度包含接收信號的解調門限SNR，是指定的誤碼率下的信噪比。

其中，K是玻爾茲曼常數，T是絕對溫度，B是帶寬，NF是系統噪聲系數（一般為常數3～4 dB）。KT=-174 dBm；解調門限是基帶最低解調信噪比，是第二位的因素。

對于4G和5G網絡，主要通過信號與干擾加噪聲比（signal to interference plus noise ratio，SINR）衡量網絡質量高低，并可與解調門限進行比較。

其中，Signal為測量到的有用信號功率，主要測量的信號和信道包括RS、PDSCH；Noise為底噪，與具體測量帶寬和接收機噪聲系數有關，為式（1）中的10lg(KTB)+NF；Interference為測量到的干擾信號的功率，包括本系統其他小區的干擾以及異系統的干擾：對于同頻組網的4G和5G網絡，Interference信號可以簡寫為：

其中，RSRPn表示所有與服務小區同頻的、鄰區的信號強度之和。有用信號Signal為-80 dBm，所有鄰區信號和為80 dBm時，若不考慮本小區底噪，則該終端計算的小區SINR為0；可見，鄰區信號越與服務小區信號接近，影響越大。若SINR小于解調門限SNR，則數據無法解調。

（3）移動網容量，受頻率復用和同頻干擾控制等因素影響較大，需要在網絡覆蓋和質量的基礎上考慮。比如在4G和5G中，網絡或終端采用MCS方式，與SINR映射的CQI密切相關。

CQI、MCS與編碼效率關系見表1，同樣采用64QAM調度，CQI=10和CQI=12編碼效率提升43%左右，以現網20 MHz帶寬的L1800網絡來說，CQI從10提升至12，容量提升幅度相當于建設一個10 MHz帶寬的基站。質量控制是用戶感知速率的保障基礎。

覆蓋電平高低影響業務基本保障門限；鄰區信號控制影響服務小區的SINR；而SINR高低又影響網絡容量；以上因素最終影響用戶感知。

2.2 優化理論及實現方法

基于以上分析，為控制手機在空閑態和連接態行為，確保手機和基站能夠正確解調出有用信號，提出了交通干線“覆蓋有主、重選合理、切換有序”的“切換鏈”優化理念。當網絡信號在接收機最低接收門限之上時，稱為有效覆蓋，而一個基站覆蓋范圍與其規劃設計目標相符，稱為覆蓋有主；重選合理，確保移動用戶在最合適的小區發起業務接入；切換有序，保障移動用戶正在使用的業務在最合適的小區順暢遷移。

為實現這個目標，又提出3種交通干線的優化方法，即“先覆蓋控制提質量，再參數優化穩質量，再特性加載保感知”的三層實踐優化模型，并匹配如下實際操作方法，實現高鐵網絡質量和用戶感知穩步快速提升。

2.2.1 第一步：覆蓋控制提質量

網絡覆蓋不合理、越區覆蓋或覆蓋不足，都與覆蓋有主相悖，會導致終端在空閑態選擇、重選以及接入網絡時出現問題；在業務態則會造成終端頻繁切換或乒乓切換、切換不及時、切換過早等問題。為實現覆蓋有主，解決辦法如下。

（1）空閑態、業務態DT，采集重選、切換數據，或采集MDT數據獲取空閑態和業務態網絡信息。

· 多終端多輪空閑態和業務態拉網測試獲取數據。規避單一終端、單次拉網數據帶來的隨機性和突變性。

· 基于MDT的數據采集方式，采集一定時間周期內，該線路所經終端上報的MR數據，反映網絡性能。

（2）基于拉線圖的覆蓋分析，發現覆蓋、重選、切換問題

借助路測分析軟件，拉線關聯分析功能，將空閑態和鏈接態數據關聯服務小區，快速發現網絡覆蓋問題。如圖1（b）所示，非專網基站南曹站越過其周邊第一圈鄰區，成為覆蓋該高鐵路段的大網小區，南曹基站為越區覆蓋。

表1 CQI、MCS與編碼效率關系

圖1 不同線型場景網絡覆蓋拉線圖舉例

同理，基于MDT數據的分析軟件也支持以上空閑態和鏈接態的覆蓋分析。但需注意選取具有高精度經緯度的MRO數據。

通過多終端測試數據的經緯度偏移設置對比分析，可快速發現空閑態和業務態的網絡覆蓋不一致問題。4個終端拉網測試數據在經緯度一定偏移的基礎上形成的采樣點覆蓋圖如圖2所示。

在永城芒山趙樓東電信（高鐵）F388附近，幾乎4個終端在該路段出現相鄰兩個小區互相深度交叉覆蓋的問題，說明該路段鐵定存在問題。同時不同終端在該路段兩個小區間存在4次切換問題，是典型的覆蓋不合理導致的頻繁切換和乒乓切換問題。

越區覆蓋的標準在業內暫無定論。但如果以移動無線網絡規劃建設為目的，就能得到很好的標準。做網絡規劃時，經常會對網絡進行補盲；基于視距傳播原理，補盲站一定要建設在補盲中心區域高點，解決該區域網絡覆蓋問題。其核心思想是：補盲站是解決該盲區的覆蓋問題。反之，若該補盲站覆蓋至其他非規劃區域，即意味其對該區域原有基站造成干擾。

圖2 4個終端高鐵同一路段覆蓋情況

因此，一般以目標基站與其周邊第一圈非共站鄰區覆蓋范圍為基準，合理覆蓋范圍應該為目標基站覆蓋距離不超過與其第一圈鄰區的2/3的距離為好。但無線電磁波傳播存在波動性，實際上這個標準比較苛刻且難以實現。因此可以定義為目標基站覆蓋范圍不能超過其非共站第一圈鄰區為優。這也就是拉線圖發現網絡覆蓋問題的理論依據。

以上問題的解決手段：建議天饋調整控制覆蓋。降功率、優參數等手段都是治標不治本的權宜之計。通過天饋調整，確保網絡有比較好的覆蓋結構，為網絡質量的保障打下基礎。

優化前后的覆蓋情況對比如圖3所示，小毛莊西南（高鐵）F附近與葛埠口鄉徐莊村（高鐵）北小區覆蓋不合理導致重疊交叉覆蓋，電平值相差2 dB內，引起同頻強干擾質差，SINR為3.299 dB，無法保證業務質量。通過天饋調整覆蓋后，SINR提升至9.899 dB，SINR提升近13 dB。

2.2.2 第二步：參數優化穩質量

（1）常規參數優化

覆蓋控制到位后，還需根據交通線快速移動特性對重選、切換、鄰區參數以及定時器等做有別于大網的調整和優化，進一步保障覆蓋控制效果，確保終端按照網絡策略在既定基站或小區之間有序移動，實現重選合理和切換有序的目的。高鐵場景部分可優化參數見表2。

圖3 優化前后的覆蓋情況對比

表2 高鐵場景部分可優化參數

高鐵場景與大網部分參數對比實例見表3。

（2）載波功率調整

下行功率富余能給單用戶提供更多的功率資源，支撐更高的速率。因此20 MHz帶寬載波功率可由20 W調整為30 W或者更高，主要用于解決100 m內弱覆蓋或小區功率擁塞問題。

該策略執行后，某高鐵路段實地驗證，整體下行感知速率由16.98 Mbit/s提升至18.99 Mbit/s，低于10 MHz帶寬小區占比由于12.76%下降至1.85%。20 MHz帶寬載波下行感知速率由22 Mbit/s提升至27 Mbit/s。

2.2.3 第三步：特性加載保感知

終端移動速度快產生的多普勒頻偏，可以采用糾偏技術降低頻偏影響；因公網用戶占用專網小區，影響小區承載容量，應用低速用戶遷出功能將公網用戶遷出高鐵專網；在低速小區開啟高速返回功能，可將高鐵用戶遷回至專網小區。120 km下非高鐵其他干線場景，因用戶高速移動特性、用戶集中度不明顯，則可忽略此步驟。

（1）多普勒頻移補償

當列車駛向基站，合成頻率增加，波長變短；當列車駛出基站時，合成頻率減小，波長變長；以列車經過基站軸線頻偏為0，可計算得出具體頻偏，見表4。

開啟頻率補償功能，修正上行頻率偏移，確保基站接收機具有更好的解調性能，實地驗證上行用戶速率提升6%左右。下行頻率糾偏補償，主要靠終端支持能力實現，目前，高通芯片終端對頻移補償糾錯能力為-1 000～500 Hz，500～1 000 Hz。另外，部分設備廠商可根據上行頻偏反饋，進行下行預糾偏補償，實地驗證用戶速率增益為6%～8%。

（2）高速用戶優先調度

算法實現的原理：首先，對高鐵專網終端，通過基帶測速功能判決高低速用戶，并在速度狀態跳變時上報給高層。高層對速度狀態發生跳變的NGBR業務進行QoS優先級的重配置，完成重配之后將重配信息下發給基帶執行。其次，基帶實時按照業務的QoS配置，進行QoS排序，當出現高速終端時，高速終端的NGBR業務承載調度優先級會比低速駐留用戶要高，調度的流量以及RB數明顯高于低速終端。

算法實現的前提：在保證高速用戶和低速用戶最低QoS需求的基礎上（即滿足GBR業務承載的GBR速率和Non-GBR承載的MinBR（下行）/PBR（上行）要求），將剩余資源絕對優先分配給高速用戶。

表3 高鐵場景與大網部分參數對比實例

表4 高鐵場景不同時速下的頻偏情況

由于要求保障低速用戶最低QoS需求，意味著不能采取ARP中的強制方式。即不能使能搶占能力（pre-emptioncapability）和被搶占能力（pre-emptionvulnerability）兩個參數。

（3）低速用戶遷出

原理為列車高速運動會導致接收端接收的信號頻率發生變化，根據多普勒頻移，反向求出列車速度，做低速用戶判決，然后通過切換手段將低速公網用戶“趕出”高鐵專網。

假設高鐵由1 650和375頻點雙頻組網，由1 506頻點（與高鐵專網共站址）橋接公網1 650和375頻點，如圖4所示。

相關策略舉例如下。

· 高鐵專網，高鐵375載波和1 650載波采用平行組網，切換啟動門限-114 dBm，重選啟動門限-116 dBm。

· 低遷策略：高鐵375載波和1650載波單向低遷至1506大網載波，設置1 506載波為低優先級，高鐵375載波和1 650載波內部為同優先級。低速用戶低遷至1 506載波，高速用戶駐留在1 650載波或375載波，當覆蓋和質量不滿足需求時，高速用戶優先駐留高鐵1 650載波或375載波。1506載波不配置通往共站的高鐵1 650載波和375載波鄰區。

· 低遷載波出口：異頻切換啟動門限設置為-109 dBm，重選啟動門限設置為-116 dBm，與大網1 650載波和375載波做雙向重選和切換。

綜上所述，執行以上3步舉措，即可實現“覆蓋有主、重選合理、切換有序”的優化目標。

3 應用效果

該系統方法論先后在鄭徐高鐵開封段、京廣高鐵新鄉段進行全面推廣應用。徐蘭高鐵開封段里程60 km，4G專網小區66個。京廣高鐵新鄉段里程80 km，4G專網小區119個。累計調整大、專網4G小區天線289個，完成覆蓋及切換帶優化，實現公專網覆蓋分離，半年時間內高鐵網絡質量穩步快速提升。

（1）覆蓋控制優化網絡結構，提升網絡質量，SINR＞0的比例由83.89%提升至92.90%，提升絕對值達10%。與之匹配的CQI質差小區從最初的33%降低至3.35%，如圖5所示。

（2）參數功能適配最優，挖掘網絡潛能。通過參數核查和最優適配，20 MHz帶寬載波的功率由20 W提升至30 W，下行感知速率提升7 Mbit/s。前臺測試指標MOS均值由3.37提升至3.87，MOS＞3.0的占比由73.74%提升至93.33%。

（3）用戶感知速率提升明顯。用戶速率從最初的10 Mbit/s提升至20 Mbit/s以上，低于5 Mbit/s小區占比由24.76%下降至0，處于全省前列，如圖6所示。

該系統方法論（前兩步）還成功應用于某省18個地市城區120 km以下慢速道路場景，取得良好效果。經過優化，4G用戶感知速率均值提升7 Mbit/s，SINR均值從15 dB提升至17 dB，遠超集團達標線。

圖4 公網、高鐵專網組網

圖5 SINR改善趨勢（SNR≥0 dB的比例）

圖6 高鐵小區用戶感知速率及低速小區占比

4 結束語

本文針對現有高鐵網絡質量提升存在的問題，探索并提出了以“覆蓋有主、重選合理、切換有序”為核心思想的切換鏈優化理論，并匹配了“先覆蓋控制、后參數優化，再特性加載”的三層優化實踐模型，形成了高鐵網絡質量提升系統方法。該方法體系在鄭徐、京廣高鐵進行實際應用，取得理想效果。該方法簡單易學，可“標本兼治”解決交通干線網絡質量問題，且易于快速推廣和復制至全國所有交通道路場景。