基于MR大數(shù)據(jù)挖掘技術的無源分布系統(tǒng)隱性故障分析方法研究

陸 璐 錢國寶 吳兆俊

1.中國移動通信集團江蘇有限公司鹽城分公司；2.杭州東信網(wǎng)絡技術有限公司

0 引言

為了更好地實現(xiàn)資源復用，避免投資浪費，現(xiàn)網(wǎng)5G（5th Generation，第五代移動通信系統(tǒng)）室分部署方案大部分在存量4G（4th Generation，第四代移動通信系統(tǒng)）室分無源分布系統(tǒng)基礎上進行了深入地改造與升級，并結合現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務量進行分類方案部署。5G室分部署方案主要包含三類：第一類是基于4G室分的雙路改造方案；第二類是新建5G傳統(tǒng)室分系統(tǒng)方案；第三類是新型室分部署方案。這三類方案的投資成本呈現(xiàn)逐級成倍上升，就投資成本而言，基于4G室分的雙路改造方案相對現(xiàn)網(wǎng)改動最小，造價最經(jīng)濟，且適用于政府、企事業(yè)單位等VIP（Very Important Person，貴賓）場景的業(yè)務需求，因而第一類方案在現(xiàn)網(wǎng)中得到了廣泛的應用。

隨著5G傳統(tǒng)室分的建設規(guī)模不斷擴大，第一類方案在現(xiàn)網(wǎng)中的占比也逐漸擴大，達到了90%以上。隨之而來的新建5G室分信號輸出異常等問題時有發(fā)生，為了避免因存量4G網(wǎng)絡結構問題而影響新建5G信號覆蓋，對無源分布系統(tǒng)性能的跟蹤與監(jiān)控十分必要，只有這樣才能及時有效地解決無源分布系統(tǒng)中存在的隱患。本文針對頻段差異、系統(tǒng)差異進行了深入研究分析，提出了一種基于MR（Measurement Report，測量報告）大數(shù)據(jù)挖掘技術的無源分布系統(tǒng)隱性故障分析方法。該方法有助于對傳統(tǒng)室分無源分布系統(tǒng)隱性問題的識別與定位，降低隱性故障造成的用戶滿意度下降風險，支撐用戶滿意度目標的提升。

1 數(shù)據(jù)源

本文所用數(shù)據(jù)源來自OMC（Operation and Maintenance Center，操作維護中心），圖1為數(shù)據(jù)收集的整體流程圖。這些數(shù)據(jù)由運營商提供，數(shù)據(jù)共包含10000多個5G小區(qū)。

圖1 數(shù)據(jù)收集的整體流程圖

如圖1所示，MRO（Measurement Report Original，測量報告原件）從OMC中收集，提供諸如TA（Timing Adavance，時間提前量）、RSRP（Reference Signal Received Power，參考信號接收功率）、SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信號與干擾加噪聲比）等UE（User Equipment，用戶設備）側測量上報的信息。該數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，UE每5秒上報一條數(shù)據(jù)記錄，所采集的數(shù)據(jù)量與用戶規(guī)模關系密切，每一條都可實際反映出用戶的真實電磁環(huán)境。某運營商YC市現(xiàn)有5G用戶約90萬，MR數(shù)據(jù)每小時預計32.4億條，平均每天約777.6億條。

配置數(shù)據(jù)同樣從OMC中收集，提供諸如4G小區(qū)的頻點、帶寬、參考信號功率、發(fā)射通道數(shù)、PB（4G的一個固定參數(shù)，指有PBCH信道的符號功率相對于無PBCH信道的符號功率偏置，該參數(shù)值越大其覆蓋能力越好）等參數(shù)信息；5G小區(qū)的頻點、帶寬、子載波間隔、發(fā)射通道數(shù)、最大發(fā)射功率等參數(shù)信息。該數(shù)據(jù)為小區(qū)的配置數(shù)據(jù)，每個小區(qū)有一個參數(shù)集合。某運營商YC市現(xiàn)有4G小區(qū)配置數(shù)據(jù)4萬多條、5G小區(qū)配置數(shù)據(jù)1萬多條，合計數(shù)據(jù)量約5萬多條。

2 基本原理

本文提出的基于MR大數(shù)據(jù)挖掘技術的無源分布系統(tǒng)隱性故障分析方法，其基本原理是電磁波在自由空間中的傳播損耗。該方法的基本假設是在同一個傳輸系統(tǒng)這一基本框架中，不同頻率的電磁波傳播損耗差異只與頻率有關，因此能夠僅通過對比不同頻率下的損耗差異定位系統(tǒng)的隱性故障。

電磁波在穿透任何介質的時候都會有損耗，而自由空間損耗則描述了電磁波在空氣中傳播時的能量損耗。自由空間損耗L，如公式1：

其中，L為路損，F(xiàn)為頻率，D為距離。

為了描述兩個頻率的路損差異，設頻率1為f1、頻率2為f2，則f1和f2的路損差為，如公式2：

在4G網(wǎng)絡中，實際路損為小區(qū)實際配置的參考信號功率和UE測量的平均RSRP功率之差，同時考慮發(fā)射通道數(shù)、子載波數(shù)等的限制。如公式3：

其中，RSpower4g為參考信號功率，Txnum為發(fā)射通道數(shù)，UE RSRP為用戶終端測量到的參考信號接收功率，L4g為4G路損。

在5G網(wǎng)絡中，實際路損為該參考信號基準功率和UE測量的平均RSRP功率之差，同時需要考慮發(fā)射通道數(shù)、子載波數(shù)等的限制。與4G不同的是，5G小區(qū)配置的最大發(fā)射功率需轉換后，獲得參考信號基準功率。如公式4：

其中，MaxTransmitPower為最大發(fā)射功率，RB為無線資源塊數(shù)，Txnum為發(fā)射通道數(shù)，UE RSRP為用戶終端測量到的參考信號接收功率，L5g為5G路損。

如圖2所示，描述4/5G小區(qū)的無源分布系統(tǒng)組成，以及可能信號輸入、輸出的參考點。

圖2 射頻信號傳播損耗示意圖

無源分布系統(tǒng)由合路器、饋線、耦合器、功分器、天線構成，相對于宏站天面組成更為復雜，可能的故障點也相對較多，故障幾率更大。表1針對現(xiàn)網(wǎng)的4/5G共覆蓋情況做了詳細的路損計算，即4/5G小區(qū)間的自由空間損耗的總差異應保持在總計路損范圍內。

表1 4/5G各頻段間路損差異表

序號 網(wǎng)絡 頻段 中心頻率GHz頻率差異dB發(fā)射通道數(shù)發(fā)射差異dB接收通道數(shù)接收差異dB差異余量dB總計路損dB 2 4G B40 2.33 0.83 1 3 2 3 3 9.83 5G n41 2.565 2 4 3 4G B40 2.33 6.37 2 0 2 3 3 12.37 5G n49 4.85 2 4 4 4G B40 2.33 6.37 1 3 2 3 3 15.37 5G n49 4.85 2 4

如表1所示，序號1為現(xiàn)網(wǎng)常規(guī)配置，為B40+n41組合（均為2Tx模式），總計損耗差異約6.83dB，即理論允許路損差異為6.83dB。其余組合為非常規(guī)配置。

3 方案設計

參考基本原理，利用Python語言快速開發(fā)能力，開發(fā)數(shù)據(jù)挖掘與分析程序。程序流程。如圖3所示，該隱患識別流程首先完成4/5G共覆蓋小區(qū)對的路損計算，然后根據(jù)樣本點數(shù)、4/5G路損差和4/5G路損進行判斷分析，可以識別出分布式系統(tǒng)存在的頻率選擇性衰落、損耗過大的問題。最后根據(jù)分析的原因給出排查思路，并對分布式系統(tǒng)的性能進行評估，判斷問題是否得到解決。詳細步驟如下：

圖3 4/5G共分布系統(tǒng)隱性故障識別流程圖

（1）MR數(shù)據(jù)挖掘

通過編寫Python程序，首先完成MR原始數(shù)據(jù)的自動下載，解析獲取格式化數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的清洗，得到MR解析后數(shù)據(jù)。然后結合工參數(shù)據(jù)，完成4/5G共覆蓋關系數(shù)據(jù)的挖掘，由此得到共覆蓋小區(qū)的平均覆蓋電平強度，為路損計算提供數(shù)據(jù)參考。

圖4是對MR解析后數(shù)據(jù)和工參數(shù)據(jù)的協(xié)同數(shù)據(jù)挖掘流程的詳細描述。其中，MR解析后數(shù)據(jù)是由FTP（File Transfer Protocol，文件傳輸協(xié)議）平臺的MR原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)解析、清洗后獲得；工參數(shù)據(jù)是從網(wǎng)絡建設維護中記錄的數(shù)據(jù)表中獲得；最后輸出數(shù)據(jù)為共覆蓋數(shù)據(jù)和電平差異數(shù)據(jù)兩項關鍵性數(shù)據(jù)。

圖4 MR數(shù)據(jù)挖掘流程圖

（2）MML配置分析

從OMC獲取MML查詢數(shù)據(jù)，并利用Python進行數(shù)據(jù)分析，從而獲取4/5G小區(qū)的參考信號功率，為路損計算提供數(shù)據(jù)參考。

從OMC中提取的4G原始數(shù)據(jù)表有CELLOP、CNOPERATORTA、CELL、CELLPHYTOPO、ENODEBFUNCTION、存量數(shù)據(jù)表。經(jīng)過4G MML數(shù)據(jù)解析，得到小區(qū)eCGI、eARFCN、PCI、關聯(lián)RRU、小區(qū)發(fā)射功率等詳細數(shù)據(jù)。

從OMC中提取的5G原始數(shù)據(jù)表有NRDUCELL、GNBTRACKINGAREA、NRCELL、NRDUCELLANTENNA、GNODEBFUNCTION、存量數(shù)據(jù)表。經(jīng)過5G MML數(shù)據(jù)解析，得到小區(qū)nCGI、nARFCN、PCI、關聯(lián)RRU、小區(qū)發(fā)射功率等詳細數(shù)據(jù)。

（3）隱患識別

隱患識別參照基本原理設計，根據(jù)4/5G共覆蓋數(shù)據(jù)、MR挖掘數(shù)據(jù)、MML解析數(shù)據(jù)進行深度分析處理，從而識別出網(wǎng)絡隱性故障。

如圖5所示，4G路損為4G RRU輸出功率與4G UE測量電平值的差值；5G路損為5G RRU輸出功率與5G UE測量電平值的差值。當4G路損和5G路損差值超過門限值時（參見表1），識別為分布系統(tǒng)頻率選擇性衰落——造成這種衰落的原因主要為器件老化、超過器件頻率范圍使用。當4G路損和5G路損都大于門限值時（MAPL=112.24dB[3], Maximum Allowed Path Loss，最大允許路損），識別為分布系統(tǒng)衰減過大——造成這種衰落的原因主要為器件老化、接口松動、饋線破損、接口進水等。

圖5 隱患識別圖

4 方案驗證

（1）鴻基玄武飯店傳統(tǒng)室分4/5G路損差異大

根據(jù)采集到的真實MR數(shù)據(jù)和網(wǎng)管配置數(shù)據(jù)，計算得到如下信息：

如表2所示，4/5G的路損差異較大，達到17.51dB，疑似存在頻率選擇性衰落問題。

表2 路損差異數(shù)據(jù)表

經(jīng)核實，4G小區(qū)為RRU3161-fae、5G小區(qū)為RRU5150-d，均采用錯層覆蓋、2Tx配置方式。頻率損耗差異，E、D差異20*log10(2.575/2.33)≈0.9dB；發(fā)射增益，均為雙通道，4/5G差異為0dB；接收增益，4G為2Rx、5G為4Rx，4/5G接收損耗差異為3dB；器件、接頭等物理特性匹配方面，允許損耗差異3dB（預估），總計分布系統(tǒng)允許損耗差異應不超過0.9+3+3=6.9dB。

現(xiàn)場核實鹽城-亭湖-鴻基玄武飯店傳統(tǒng)室分-H5M-2661小區(qū)僅覆蓋3、4層客房部，其內部客流量較少。5G信號相對4G信號強10dB左右，未發(fā)現(xiàn)信號差異更大的區(qū)域位置，現(xiàn)場測試情況如下：

如圖6所示，5G SS_RSRP = -71dBm、4G CRS_RSRP = -88dBm，現(xiàn)場損耗差異17dB。MR路損差異17.51dB，分布系統(tǒng)允許損耗的6.9dB，超額路損10.61dB，方案判定結果和現(xiàn)場損耗差異（10dB）基本一致。

圖6 現(xiàn)場測試截圖

（2）八佰伴傳統(tǒng)室分4/5G覆蓋能力偏弱

根據(jù)采集到的真實MR數(shù)據(jù)和網(wǎng)管配置數(shù)據(jù)，計算得到如下信息：

如表3所示，4/5G的路損差異4.39dB，狀態(tài)良好，但總路損在110dB左右，疑似存在末端弱覆蓋問題。

表3 路損差異數(shù)據(jù)表

經(jīng)核實，4/5G小區(qū)共RRU，均為RRU5152-fad，采用錯層覆蓋、2Tx配置方式。頻率損耗差異，均為D頻段，差異0dB；發(fā)射增益，均為雙通道，4/5G差異為0dB；接收增益，4G為2Rx、5G為4Rx，4/5G接收損耗差異為3dB；器件、接頭等物理特性匹配方面，允許損耗差異3dB（預估），總計分布系統(tǒng)允許損耗差異應不超過0+0+3=3dB。

現(xiàn)場鹽城-亭湖-先鋒島八佰伴-H5M-H5M-2661小區(qū)僅覆蓋2、3層東部區(qū)域，其內部客流量較小，4/5G覆蓋信號偏弱（均在室分弱覆蓋門限附近），中庭、衛(wèi)生間附近存在信號弱覆蓋情況?，F(xiàn)場測試情況如圖7所示，5G SS_RSRP = -98dBm、4G CRS_RSRP = -99dBm，現(xiàn)場損耗差異1dB，小于預估損耗的3dB，邊緣覆蓋能力弱，現(xiàn)場情況和方案判定結果基本一致。

圖7 現(xiàn)場測試截圖

（3）小結

通過上述方案驗證，該方法的結果和實際驗證結果一致，可以識別出無源分布系統(tǒng)的頻率選擇性衰落、覆蓋弱的隱性故障。對于室內信號覆蓋能力具有檢測、監(jiān)視和預測能力，達到預期目標，效果良好。

5 結束語

本文提出的一種基于MR大數(shù)據(jù)挖掘技術的無源分布系統(tǒng)隱性故障分析方法，通過分析制式間的無源分布系統(tǒng)中的路損大小和差異，可以有效發(fā)現(xiàn)4/5G共室分場景中的隱性故障。對提高網(wǎng)絡生產能力、服務質量具有極高的現(xiàn)實價值，對高價值場景的用戶滿意度下降具有一定的預防性。