高職移動通信無線優化教學的疆與界

俞興明 周 燕 戴桂平 陶文林

蘇州市職業大學電子信息學院通信技術系

0 引言

在信息通信技術的發展中，移動通信技術是技術發展最快的領域之一，短短四十多年，移動通信技術從1G發展到現在的5G。在移動通信網絡中，除了核心網和承載網，其最主要的部分就是無線接入網。從1G到5G，都是由地面大量的基站發射和接收無線信號而構成的蜂窩式無線接入網。從1G時的低頻段大區制到5G頻段的厘米波宏基站乃至毫米波微基站皮基站，移動通信無線網絡正向越來越高的頻段、越來越小的基站覆蓋、越來越大的用戶容量等方向發展，無線網絡優化技術也越來越復雜、越來越精細。

移動通信無線網絡的質量最直接地影響著用戶的感知和體驗，一個片區的移動通信基站開通調測完成之后，無線網絡優化質量的好壞對用戶的體驗效果有巨大的差別。因此，移動通信各大營運商都分片區雇傭大量的優化隊伍從事無線網絡的全生命周期優化工作，由于該工作理論性和技術實踐性都較強，且經常要去野外測量，因此非常適合高等職業院校畢業生從事該工作。由于1G~3G移動通信網絡已經幾乎被淘汰，本研究就從高職院校教學的角度討論正在大量使用的4G/5G移動通信網絡優化工作，以及學生所需做所需掌握的技能。

1 4G和5G移動通信網絡的構成

移動通信技術從4G開始就成為一個全數字域IP通信的網絡。相比于前面幾代移動通信，從4G開始，為了提高傳輸速率和降低時延，網絡架構趨向于扁平化。5G更是一個全面云化的IT化網絡。圖1、圖2分別是4G移動通信典型的網絡架構。

圖1 4G移動通信系統架構圖

圖2 5G網絡結構

2 4G/5G移動通信無線優化涉及的內容

移動通信無線優化的實質是對基站和用戶終端發送/接收的空中無線信號的性能進行改善，使無線網絡在覆蓋、容量、質量間取得最佳平衡點。傳統無線優化的具體工作是通過數據采集（包括路測DT和撥打測試CQT）、性能分析、優化方案制定、優化方案實施等一系列步驟來完成。路測（DT）是最基礎性的工作，是剛學習無線網優后的高職學生首先要學會的技能，其具體工作包括：乘坐小汽車，打開筆記本電腦（或路測智能終端）中的路測軟件；路測手機、GPS、軟件加密狗等外圍設備的軟硬件連接；路測參數設置；路測腳本命令文件的編寫；啟動、記錄路測日志（log文件）等。在路測過程中除了專業路測軟件會把各種無線參數記錄在日志文件中之外，路測人員還需要隨時用紙和筆記下路測中發現的明顯異常情況。路測數據采集完成后，優化人員要從路測軟件中導出并在專業分析軟件中回放日志文件，找出無線網絡存在的各類問題和發生的區域，分析造成問題的原因，寫成優化分析報告，提出解決問題的方案，實施優化調整，最后進行復測驗收。上述優化的過程是循環的工作，直到對無線網絡的各項指標滿意為止。路測、分析、報告形成、方案實施等步驟可以是同一批人員進行，也可以由不同的人員執行，其中路測（DT）的技術含量比較低，高職通信專業畢業生稍加培訓即可勝任；日志文件分析、問題查找、優化方案提出及實施等工作，涉及到移動通信原理、信令分析、話務統計分析及配置參數修改等知識技能，一般需要有幾年實踐經驗的高職畢業生或本科及以上畢業生來完成。

移動通信無線優化工作中涉及到的優化問題大體有以下幾個方面。

（1）覆蓋優化。由于4G/5G都屬于地面覆蓋的蜂窩式移動通信技術，無線信號覆蓋是移動通信服務的最基本前提，因此覆蓋優化是移動通信無線網絡優化中最基礎的優化。除正常信號強度覆蓋外，無線覆蓋的問題有空洞覆蓋、弱覆蓋、越區覆蓋、超遠覆蓋、無主覆蓋等問題。因此要求學生不僅要掌握4G和5G正常覆蓋的信號強度指標，還能在實際路測結果中發現上述覆蓋問題，并能分析原因，提出優化措施。

（2）信干噪比（SINR）優化。在移動通信中，良好的無線信號強度覆蓋只是用戶體驗好的必要條件而非充分條件。在4G和5G移動通信中，要用戶下載速率高、用戶體驗好、網絡吞吐量大，還必須使接收信號中的有用信號功率與干擾和噪聲功率之和的比（信干噪比SINR）要高。因此要求學生明白信干噪比（SINR）的定義，信號中干擾的原因和噪聲的來源。4G和5G的每個無線小區都有CPI碼，要讓高職學生明白PCI碼與小區參考信號（RS）之間或同步信號塊（SSB）的關系，懂得如何配置各個相鄰小區的PCI碼才能使相鄰小區間的RS信號或SSB信號干擾最小。需要會分析系統內干擾、不同制式移動系統之間干擾和系統外干擾。碰到疑難干擾問題時還要借助路測掃頻測試結果和后臺話務統計進行分析。

（3）接入優化。用戶有時會碰到信息發不出去或很慢發出去的情況，這就是接入成功率低的問題。接入成功率低，涉及到用戶終端（UE）發射信號功率低、無線環境復雜、干擾大、基站無線資源不足等原因。作為高職學生學習移動通信無線優化，必須要了解用戶終端隨機接入移動通信網絡的信令流程，能通過專業的測試軟件捕捉和分析信令流程走到哪一步時出錯，中高級分析人員還要會分析信令中包含的各種參數，從中找到隨機接入設備的根本原因。

（4）切換優化。移動通信與固定無線通信（如WiFi等）的根本區別是前者能夠切換，即UE在移動的過程中無線接入點能從一個無線小區切換到相鄰的無線小區，而保持通信的連續性。移動通信的切換是一個復雜的轉接過程，涉及到用戶終端和基站之間的信令交互流程，也可能涉及到核心網（EPC或NGC）。4G和5G都屬于硬切換，即“先斷后接”，接的過程與是非競爭性隨機接入過程。一次成功的切換要經過在源基站和目標基站甚至核心網之間幾十條無線信令的交互，其中某一條信令接收解碼的差錯就會導致切換的失敗。因此，要查找切換成功率低的原因，高職學生必須了解切換的信令流程，會運用專業軟件分析信令流程，會查找并分析信令中包含的各種參數。

（5）掉話優化。在移動數據網絡中，掉話又稱掉線。無線掉線率等于（基站請求釋放上下文數-正常的基站請求釋放上下文數）/初始上下文建立成功次數，它反映了系統的業務通訊保持能力，也反映了系統的穩定性和可靠性，是用戶直接感受的重要性能指標之一。掉線的原因可能是由于無線信號弱、無線干擾、切換的不成功、基站過載、小區阻塞、甚至與核心網的S1鏈路失敗等原因。掉話分析要從信令上著手逐步檢查關鍵原因。

（6）速率優化。理論上4G用戶的速率最大可達100 Mbps，5G用戶的最大速率可達1 Gbps，但實際有很多地方達不到上述速率，甚至相差甚遠，這就需要進行專門的速率優化。速率優化不同于前面三者的優化，接入、切換和掉線本質上都屬于信令面的問題，而業務速率低屬于用戶面的問題，因此，傳統的指標監控、信令跟蹤等數據在分析速率問題時作用就很有限，所以在分析低速率問題時，需要前臺測試結合數據包抓包等多種手段綜合分析。由于從業務服務器到用戶終端（UE）要經過很多網元設備，不僅僅是無線空口，因此，要從事速率優化，高職學生必須懂得4G/5G端到端數傳架構及整體處理思路，懂得基本的數據網絡通信TCP/IP協議原理，會使用一些軟件工具如FTP下載和TCP灌包抓包工具軟件，并具有對數據包進行分析的能力。

對于上述移動通信中無線網絡優化的問題，涉及到很多無線參數的設置和實測數據的問題，表1以4G（LTE）系統為例列出了上述無線優化問題的一些主要關注的參數。5G基本參數與4G類似，但由于有NSA和SA組網兩種方式，NSA中又有多種架構，還涉及到4G與5G之間的互操作問題，情況更加復雜。

表1 4G無線優化問題有關主要參數

3 高職學校學生需掌握的無線網絡優化技能

為了適應移動通信無線網絡優化工作，高職院校通信技術專業的應屆畢業生應具有一定的移動通信網絡理論知識，并具有較好的無線優化實際操作技能，具體體現在以下兩個方面。

一是熟悉移動通信系統的原理。包括：（1）熟悉4G/5G移動通信系統的網絡架構組成，包括各個網元設備的功能、設備接口及連接關系。（2）熟悉各網元設備接口通信的協議原理，特別是無線空口的協議原理。（3）初步熟悉無線空口的各類事件的高層信令流程，包括能解析和分析信令中主要參數的含義。這部分知識學生掌握的好壞，將決定著學生能在無線網絡優化的崗位走到那一層次。（4）熟悉4G/5G移動通信網絡常見的一些KPI指標的含義及要求。（5）了解數據通信TCP/IP協議原理，能對端到端數據傳輸問題進行分析。

二是掌握移動通信無線優化常用的軟硬件工具使用方法。包括：（1）熟練掌握無線路測軟件，如華為Probe、中興Axon10 Pro、珠海鼎利Pioneer、或大唐Outum、ETG等路測軟件的操作方法。（2）熟練掌握專業分析軟件的操作方法，能通過對路測日志文件的回放發現無線網絡存在的各種問題，能提出優化方法和措施。（3）初步能讀懂路測軟件捕捉到的無線信令，并能判斷其中的參數設置是否合理。（4）掌握射頻優化的方法，如借助羅盤、方位儀等工具，對天線高度、方位角、下傾角等做出調整。（5）初步能對基站設置的無線參數進行分析和優化。

移動通信無線網絡優化的技能可分為初級、中級和高級技能，各級技能的要求如表2所示。對于高職院校通信技術專業的新畢業生，大部分應該要求具備移動通信無線優化的初級技能，少數優秀的學生掌握中級技能。高職學生經過幾年實踐工作的學習和鍛煉，力爭達到中級甚至高級的技能水平。

表2 移動通信無線優化技能等級要求

針對上述技能要求，高職通信技術專業應首先設置簡化版的“信號與系統”和“通信原理”專業基礎課程，使學生首先理解通信信號的帶寬、頻譜、時頻關系互換的概念，了解數字信號的各種載波調制方式、香農公式、傳輸可靠性與有效性的關系、基本的檢錯糾錯原理、HARQ的基本知識等。然后開設“移動通信原理”課程，主要講授4G/5G移動通信網絡架構組成、簡要介紹OFDM和MIMO等關鍵技術原理、主要接口、協議原理、無線幀結構、主要過程的信令流程等；針對現代移動通信網絡實際上是一個有線和無線混合的IP化數據通信網絡的特點，高職通信技術專業還應開設“數據通信基礎”或“計算機網絡基礎”課程，使學生懂得OSI、TCP/IP協議基本原理、IP數據包傳輸基本原理，掌握規劃設置網絡通信設備IP地址等基本技能；接下來要開設“移動通信基站的安裝與調測”課程，使學生懂得基站設備的硬件安裝要求、基站設備的開通流程、要設置哪些參數等；最后開設“移動通信無線網絡優化技術”課程，重點講授移動通信的無線頻段分配、無線信號傳播模型、天線輻射特性、無線網絡KPI指標、路測（DT）技能、RF覆蓋優化、干擾優化、接入優化、切換優化、速率優化等專題優化的工作技能。學生對這些課程的理解和掌握程度，決定了他能達到的從事移動通信無線優化的技能等級。

這里需要指出的是，5G的無線信號由于頻率比4G高得多，覆蓋半徑比4G小很多，無線環境更復雜，還有宏基站、微基站、皮基站、飛基站等多類型基站覆蓋，5G的無線優化技術要比4G復雜得多。隨著無線優化技術的發展，5G無線優化正向采用大數據、智能化、自動化方向發展。對于5G移動無線網絡來說，以智能運營平臺為依托，將來可做到NSA優化、SA優化、聯合優化三位一體；以質量數據為反饋，可以以網絡質量的變化證明方案的優劣和對錯，進行試錯調優；以KPI、MR、全信令等全量端到端的網絡數據為依據，產生精細優化方案；以專項優化為維度，從網絡質量和技術研究角度迭代開展場景差異化優化工作；對重點場景，要進行覆蓋評估、質量分析、指標監控、參數優化、多網協同優化。因此，為了迎接未來的技術發展，高職通信技術專業也要開設大數據和人工智能類專業拓展課程。

4 結束語

對于高等職業院校通信專業的畢業生來講，畢業后常見的崗位有移動通信基站安裝調測、無線優化、工程督導、數通網絡、光纖網絡、寬帶接入等。隨著5G建設的不斷推進，需要大量的無線優化人才。然而，移動通信無線優化崗位技術入門容易但學精難。高職院校通信專業的畢業生，只有經過前面安裝到調測等崗位的鍛煉，堅持相應新技術的學習，再轉到無線優化崗位，才有學好學精無線優化技術、從初級到中級到高級崗位的潛力。