李通,李坤江（中國移動通信集團公司，北京 100032）

基于業(yè)務(wù)感知和區(qū)域價值的4G網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃研究

李通,李坤江
（中國移動通信集團公司，北京 100032）

摘 要本文針對話音與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的對比，分析4G網(wǎng)絡(luò)僅僅考慮PRB利用率作為網(wǎng)絡(luò)擴容方案的局限性，繼而從真實用戶感知入手，制訂分類業(yè)務(wù)小區(qū)的感知評估方案，同時考慮4G網(wǎng)絡(luò)的整體性，提出基于簇的網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃方法滿足價值區(qū)域容量需求的研究思路。

關(guān)鍵詞容量規(guī)劃；PRB利用率；業(yè)務(wù)感知；簇

1　概述

1.14G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特征分析

4G網(wǎng)絡(luò)相比傳統(tǒng)2G/3G網(wǎng)絡(luò)，具有“高速率、低時延、容量大、全IP”等優(yōu)勢。隨著4G商用的快速發(fā)展，4G網(wǎng)絡(luò)承載將出現(xiàn)數(shù)量更多，內(nèi)容更加豐富的綜合型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用。由于智能手機的快速普及、用戶更加習(xí)慣使用4G網(wǎng)絡(luò)提供的高清圖片、高清視頻等多媒體應(yīng)用服務(wù)，但是，多樣化的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對4G網(wǎng)絡(luò)也提出了更高的體驗要求。相比2G/3G話音為主的網(wǎng)絡(luò)，4G承載更為復(fù)雜多樣的業(yè)務(wù)類型，單從PRB利用率的角度考慮擴容方案已經(jīng)不能滿足用戶感知要求。

1.24G網(wǎng)絡(luò)擴容方案影響因素分析

由于4G時代數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模型的多樣性和差異性，“PRB利用率”這個單一指標(biāo)，無法全面的表征4G網(wǎng)絡(luò)負荷水平，不能夠客觀反映網(wǎng)絡(luò)的忙閑程度，不能夠直接反映網(wǎng)絡(luò)的擁塞和呼損情況，也不能夠真實反映業(yè)務(wù)感知。除了PRB利用率指標(biāo)外，控制信道利用率，連接用戶數(shù)，用戶實際感知速率滿足度（如網(wǎng)頁/視頻時延、視頻清晰度/流暢度等）都是影響擴容方案的因素。比如，從理論分析，物理層的調(diào)度資源TTI、控制信道資源CCE、業(yè)務(wù)信道資源PRB由于調(diào)制方式、在用戶數(shù)較多時，都可能成為無線資源短板；同時，在不同的業(yè)務(wù)模型下，物理資源消耗又不相同，以小分組類業(yè)務(wù)為例，主要消耗上行PRB、CCE、TTI資源，而大分組業(yè)務(wù)主要消耗下行PRB、TTI資源。

同時，從無線組網(wǎng)角度分析，網(wǎng)絡(luò)是一個整體性，單個小區(qū)還受制于周圍的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、干擾、用戶及容量影響。所以，容量不僅基于小區(qū)的微觀考慮，還要兼顧宏觀整體網(wǎng)絡(luò)的范疇分析。

1.3主要問題及目標(biāo)

通過以上分析，影響4G擴容因素復(fù)雜，單一指標(biāo)很難衡量真實用戶感知，只有根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)模型，綜合考慮RRC連接數(shù)、小區(qū)吞吐量以及PRB信道利用率等因素，才能建立起更加科學(xué)的基于小區(qū)級的擴容標(biāo)準(zhǔn)體系。同時，考慮網(wǎng)絡(luò)的整體性，基于簇的網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃

方案更能保證用戶的感知需求。以4G用戶感知為基礎(chǔ)，建立基于簇的網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃方案需從以下方面入手：

針對不同業(yè)務(wù)，好的用戶體驗評估標(biāo)準(zhǔn)是什么；

根據(jù)不同業(yè)務(wù)的評估標(biāo)準(zhǔn)，如何制定混合業(yè)務(wù)的小區(qū)擴容門限；

如何以簇為單位，進行網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃方案。

2　基于用戶感知、以簇為單位的網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃體系研究

2.1用戶感知評估標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)調(diào)查，視頻和網(wǎng)頁瀏覽兩大業(yè)務(wù)在發(fā)達市場占據(jù)80%以上的數(shù)據(jù)流量，而業(yè)務(wù)的等待時間是人機交互中，用戶體驗的最關(guān)鍵指標(biāo)。

圖1為影響因素調(diào)查統(tǒng)計，其中，視頻業(yè)務(wù)影響用戶體驗的最關(guān)鍵因素之一是“初始緩沖時間”，即用戶點擊播放按鈕到第一幀畫面出現(xiàn)所需的時間； 網(wǎng)頁業(yè)務(wù)影響用戶體驗的最關(guān)鍵因素是“加載時間”，是指用戶輸入網(wǎng)址到網(wǎng)頁完全顯示所需的時間。

圖1　影響因素調(diào)查統(tǒng)計

視線追蹤技術(shù)是人因工程學(xué)在人機交互、視覺體驗研究領(lǐng)域中一項重要應(yīng)用，其采用瞳孔-角膜反射方法，攝像機的位置固定、屏幕（光源）的位置固定、眼球中心位置不變（見圖2所示），普爾欽斑（眼球角膜上的一個亮光點，進入瞳孔的光線在角膜外表面上反射而產(chǎn)生的亮點）的絕對位置不隨眼球的轉(zhuǎn)動而變化，但其相對于瞳孔的位置則是在不斷變化的，只要實時定位瞳孔和普爾欽斑的位置，計算出角膜反射向量，便能利用眼球成像及幾何模型，計算得到用戶的視線方向。

圖2　實驗原理

從用戶觸發(fā)業(yè)務(wù)一直到業(yè)務(wù)開始響應(yīng)，這期間的等待時間成為用戶體驗的最關(guān)鍵因素。通過大量的實驗研究來探明用戶耐心等待的時間：讓實驗者點擊視頻播放等待觀看，從點擊播放按鈕開始計時，用攝像機記錄實驗者的眼動狀態(tài)（眼球轉(zhuǎn)動和瞳孔大小變化），根據(jù)視覺行為學(xué)和生物心理學(xué)原理，分析眼動數(shù)據(jù)得到實驗者能夠保持耐心等待業(yè)務(wù)響應(yīng)的時間。

根據(jù)視覺行為學(xué)和生物心理學(xué)的原理，建立眼動和人的心理及行為對應(yīng)模型，根據(jù)被測試者眼動軌跡的變化確認(rèn)人的等待極限。分析結(jié)果表明：2 s之內(nèi)，95%以上的實驗者保持良好的注意力，3 s之后注意力開始分散；當(dāng)?shù)却龝r間超過5 s，70%的實驗者能保持良好的注意力；當(dāng)?shù)却龝r間超過9 s，僅剩下20%的實驗者能保持良好的注意力。

2.2基于小區(qū)級擴容門限研究

2.2.1 視頻業(yè)務(wù)

作為典型的大分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以視頻為例，視頻播放分為3個階段：初始緩沖階段、視頻播放階段、結(jié)束階段。如圖3所示，對感知影響最大的是初始緩沖階段的首屏顯示時延和視頻播放階段的卡頓頻率。

初始緩沖階段：總時延主要取決于RTT時延和交互次數(shù)，RTT時延主要和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相關(guān)，如果服務(wù)

器在本地，RTT時延在70 ms左右。交互次數(shù)主要和OTT服務(wù)器和視頻格式相關(guān)，一般為8～10次。視頻按照良好用戶體驗的標(biāo)準(zhǔn)，需要3 s內(nèi)完成業(yè)務(wù)緩沖，那么空口視頻緩沖時間在2 s左右。根據(jù)視頻格式的不同，視頻播放需要8 s左右的初始緩沖，以720 p為例，視頻碼率為1.5 Mbit/s，因此，初始緩沖階段需要在2 s時間內(nèi)完成12 Mbit/s數(shù)據(jù)量的緩沖。綜上，720 p視頻緩沖階段需要6 Mbit/s速率完成視頻緩沖。

圖3　視頻流程

視頻播放階段：空口速率=片源碼率×1.2=1.8 Mbit/s。結(jié)束階段3～5 s，不需要消耗網(wǎng)絡(luò)資源。按照初始緩沖階段時長占比10%，播放階段時長占比80%，結(jié)束階段占比10%計算，720 p視頻播放所需帶寬為2.1 Mbit/s。結(jié)合不同清晰度視頻的占比及高清視頻占比不斷提升的趨勢，為了保證視頻業(yè)務(wù)3s感知體驗，視頻綜合保障速率在3 Mbit/s以上。

現(xiàn)網(wǎng)測試結(jié)論：要保障720 P視頻的3 s初始緩沖時延感知，空口速率需要達到5.9 Mbit/s。

2.2.2 網(wǎng)頁瀏覽業(yè)務(wù)

作為典型的小分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，Web頁面越大帶寬對Web頁面顯示時延的提升越重要，而帶寬越低帶寬的增加對體驗提升越明顯。從圖4測試分析，可以看出帶寬小于2 Mbit/s時，帶寬的增加對Web體驗提升比較明顯，帶寬大于2.5 Mbit/s之后影響開始變小，對于小于2 MB且嵌入對象個數(shù)小于70的頁面來說，當(dāng)帶寬大于3.5 Mbit/s之后，帶寬對Web體驗的影響基本在100 ms以內(nèi)。經(jīng)研究分析，要保障好的感知要求，無線空口速率要求達到2.5 Mbit/s。

圖4　網(wǎng)頁業(yè)務(wù)帶寬需求測試

測試條件：RTT=67 ms下，上行帶寬不受限，下行帶寬有100 kbit/s逐步遞增至5 000 kbit/s。

2.2.3 VoLTE業(yè)務(wù)帶寬需求分析

由于當(dāng)前現(xiàn)網(wǎng)VoLTE業(yè)務(wù)很低，沒有現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)模型，杭州試驗網(wǎng)測試表明，單小區(qū)可以最大可接入280 個RRC用戶，暫取網(wǎng)絡(luò)能力50%為擴容門限，即140 個RRC用戶，待后續(xù)基于現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)模型進一步研究。

2.2.4 現(xiàn)網(wǎng)實際的業(yè)務(wù)帶寬需求分析

取現(xiàn)網(wǎng)平均e-RAB流量小于0.3 MB作為小分組類業(yè)務(wù)小區(qū)，大于1 MB作為大分組類業(yè)務(wù)小區(qū)，從現(xiàn)網(wǎng)分別獲取大分組業(yè)務(wù)和小分組業(yè)務(wù)集中的樣本進行分析。圖5為大小分組業(yè)務(wù)現(xiàn)網(wǎng)統(tǒng)計結(jié)果。

圖5　大小分組業(yè)務(wù)現(xiàn)網(wǎng)統(tǒng)計結(jié)果

綜上，以小分組業(yè)務(wù)為主的場景，20 MHz載波可以承載約40個有效RRC連接數(shù)，PRB利用率40%左右，之后隨著RRC用戶的增加，PRB利用率并沒有明顯上升趨勢，反映出用戶感知受到了壓制；以大分組業(yè)務(wù)為主的場景，從現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)看并未達到容量上限，網(wǎng)絡(luò)利用率隨有效RRC連接數(shù)上升，對應(yīng)的PRB利用率可以達到60%。

2.3基于簇的網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃方法研究

4G網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)高度集中的特點，高價值區(qū)域，流量集中，明星終端集中，高價值用戶集中，因此，資源精準(zhǔn)投放，優(yōu)先保障價值區(qū)域的卓越網(wǎng)絡(luò)體驗就顯得格外重要，高價值區(qū)域“簇”需要提供更好的感知。另外，一個簇內(nèi)基站的負荷相對均衡，小區(qū)間的覆蓋和容量具有互補性，這對按簇分場景確立感知標(biāo)準(zhǔn)、確立擴容標(biāo)準(zhǔn)、實施連片擴容提供了條件。圖6為按簇劃分的基站流量分布。

圖6　按簇劃分的基站流量分布

2.4按簇進行規(guī)劃的必要性

由于相鄰站點在業(yè)務(wù)模型上有極強的相似性，單純對單個小區(qū)進行調(diào)整，往往不能達到系統(tǒng)整體性能提升的目標(biāo)。在實際的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作中，一般需要將覆蓋連續(xù)、話務(wù)、質(zhì)量相關(guān)的若干個基站組成簇，利用簇內(nèi)基站在覆蓋和容量上的互補性，施行簇優(yōu)化，開通一片，優(yōu)化一片，有利于保證工程進度和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

2.5按簇進行規(guī)劃的整體思路

如圖7所示，一般將簇的規(guī)?？刂圃跇?biāo)準(zhǔn)蜂窩結(jié)構(gòu)

中幾層基站（3層約19個基站）之內(nèi)，具體到實際的網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)無線傳播環(huán)境、站點分布、業(yè)務(wù)需求和前期發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)問題等進行基站簇的劃分。

圖7　簇規(guī)劃整體思路

News美國Verizon宣布5G網(wǎng)絡(luò)明年試用2017年商用

9月7日，美國移動運營商Verizon無線公司宣布，將從明年開始試用5G網(wǎng)絡(luò)，2017年在美國部分城市全面商用。

Verizon介紹說，5G網(wǎng)絡(luò)下，手機上網(wǎng)速度將比4G快五十倍。通訊延遲將減少到10 ms。另外，5G網(wǎng)絡(luò)也可以支持更多的上網(wǎng)和通信設(shè)備，尤其是支持各種內(nèi)置上網(wǎng)裝置的物聯(lián)網(wǎng)和智能家居產(chǎn)品。

Verizon表示，該公司目前已經(jīng)在馬薩諸塞州的Waltham，以及加州舊金山的公司實驗室中試驗5G網(wǎng)絡(luò)。未來，該公司將會邀請大批移動通信設(shè)備制造商，研發(fā)相關(guān)的5G技術(shù)，其中包括阿爾卡特朗訊、三星電子、高通、諾基亞、愛立信、思科等。

（摘自：騰訊科技 作者：晨曦）

3　總結(jié)

以用戶感知為基礎(chǔ)，就是要從用戶對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的真實感知出發(fā)，通過等待時延與空口之間的速率匹配關(guān)系，確立關(guān)鍵的制約因素，從而科學(xué)分析出用戶數(shù)、流量和PRB利用率3者之間的關(guān)系，精準(zhǔn)指導(dǎo)小區(qū)的擴容門限。

而建立基于簇的網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃方案，就是從網(wǎng)絡(luò)整體性出發(fā)，對網(wǎng)絡(luò)容量的變化進行科學(xué)分析預(yù)測，從而提升整個網(wǎng)絡(luò)資源使用效率，預(yù)防容量爆發(fā)對用戶感知影響的風(fēng)險。

Research on 4G network capacity planning based on service perception and value region

LI Tong, LI Kun-jiang
(China Mobile Group Co., Ltd., Beijing 100032, China)

AbstractIn this paper, the contrast of voice and data services, the 4G network is considered as the limitation of network expansion scheme, and then the perception evaluation scheme of classifi ed business district is formulated by using real user perception, and the 4G network is considered as a whole, and the capacity planning method based on cluster is put forward.

Keywordscapacity planning； PRB utilization ratio； service perception； cluster

收稿日期：2015-08-25

中圖分類號TN929.5

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1008-5599（2015）09-0011-05