TD-LTE无线网络利用率评估体系探讨

焦燕鸿，赵旭凇

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 概述

随着TD-LTE网络建设的逐步展开，网络用户数和话务量将会持续、快速的增长，对TD-LTE网络资源的需求也越来越大。为了能够更好地衡量网络负载情况，需要指定无线利用率指标，用于有效合理地评估TD-LTE无线网络资源利用情况。与现有的其他无线通信系统不同，TD-LTE采用了更加高效动态和复杂的网络调度策略，无论控制信道还是业务信道，甚至控制信道中的某个参数的资源占用，都是根据网络实际接入用户及其发起的业务、信道质量等多方面的因素动态决定。TD-LTE无线利用率的取定需要考虑的内容和因素更加复杂。同时，为了维护方便，该指标又必须制定的简洁、明确、方便统计、易于理解。本文在充分分析TD-LTE物理层资源及其调度方法的基础上，提出评估思路，并结合设备厂家数据采集能力提出了无线网络利用率的评估标准和方法。在此基础上，讨论了以该指标为基础的扩容标准的制定。

2 TD-LTE技术特点及其无线网络利用率评估思路

TD-LTE物理层资源如图1所示，在LTE中定义了最小的时频资源单位RE（Resource Element），它在频域上占一个子载波（15 kHz)，时域上占一个OFDM符号。下行物理控制信道向资源映射时，通常以REG（Resource Element Group） 和 CCE（Control Channel Element）为单位，一个REG等于4个RE，一个CCE等于9个RE。上下行业务信道都以PRB为单位进行调度，它是LTE系统最常见的调度单位。在常规CP配置下，1个RB在频域上包含12个连续的子载波，在时域上包含7个连续的0FDM符号(在ExtendedCP的情况下为6个)，即频域宽度为180 kHz，时间长度为0.5 ms(1个时隙) 的物理资源，即7×12＝84个RE。

图1 TD-LTE物理层资源

LTE通过设置不同的子载波数目实现从1.4～20MHz的不同的系统带宽，更确切地说，可以映射为不同的资源块(PRB)数目。表1是LTE系统定义的6种不同的系统带宽与子载波数目以及PRB数目的对应关系。

表1 系统带宽与资源块个数

2.1 控制信道的资源映射

在TD-LTE系统中，规定了各种控制的资源占用方式，表2为物理层上下行控制信道与信号映射。

2.2 业务信道的资源调度

表2 物理层上下行控制信道与信号映射

上下行业务信道PUSCH和PDSCH位于上下行子帧中不用于传输控制信道的资源中。

物理资源的调研以PRB为单位，为了方便物理信道向空中接口时频域物理资源的映射，在物理资源块（PRB）的基础上，还定义了虚拟资源块（Virtual Resource Block，VRB）。虚拟资源块（VRB）的大小与物理资源块（PRB）是相同的。VRB设计的目的是为了实现在GSM系统中跳频的类似功能。协议规定了2种类型的虚拟资源块，分为集中式和分布式两种，VRB可以采用集中或分散方式映射到PRB上。集中方式（Localized VRB）即占用若干相邻的PRB，这种方式下，系统可以通过频域调度获得多用户增益。分布方式（Distributed VRB）即占用若干分散的PRB，这种方式下，系统可以获得频率分集增益。

图2为基于VRB的资源分配，通过上述的资源分配方式，用户业务被分配到不同的物理资源块PBR上。在TD-LTE网络中，资源调研的TTI周期是1 ms，目前系统网络监控可以采集到每个TTI中PRB占用数，因此建议使用无线资源（即PRB资源）占用率来评估TD-LTE无线网络资源利用情况。

根据TD-LTE网络特点，可提出无线网络综合利用率、PDCCH信道利用率、PDSCH信道利用率和上行信道利用率等共计4个指标用于评估TD-LTE网络资源利用情况。无线网络综合利用率用于考察全网资源的使用情况，为主要考核指标；PDCCH信道利用率用于评估分析下行控制信道使用情况，PDSCH信道利用率用于评估分析下行业务信道使用情况，上行信道利用率用于评估分析上行信道资源使用情况。

3 TD-LTE无线网络利用率评估指标与评估方法

3.1 PDSCH下行业务信道资源利用率计算公式

根据是否区分普通时隙和特殊时隙资源的不同，PDSCH存在两种方案。

图2 基于VRB的资源分配

方案1：根据网络实际占用的资源与全部可用资源的比值来标识无线网络利用率。PDSCH下行业务信道资源利用率=下行实际使用的PRB数/下行可使用的PRB数×100%

其中以20Mbit/s带宽为例，每个TTI（1 ms）周期内，下行可使用PRB资源为100个PRB对。统计周期以无线子帧（1 ms）为统计周期1 ms。下行实际使用PRB数：被调度用于传输PDSCH业务的PRB对个数。

方案2：由于不同特殊配置下，特殊时隙承载网络资源是不同的，为了体现公平性，区分普通时隙和特殊时隙，计算无线资源时，特殊时隙资源按照比例系数T进行折算，T的取值取决于特殊时隙的格式。

下行资源利用率＝（忙时下行实际占用的普通时隙RB＋特殊时隙RB×T）/（系统普通时隙RB数＋特殊时隙全部RB×T）

由于特殊子帧以10ms为周期出现，因此统计周期以无线帧（10 ms）为统计周期。

根据分析，采用方案一作为推荐方案，主要有以下几方面的原因：

目前各厂家在网管统计利用率时，均无法实现对常规时隙和特殊时隙的区分；

无线资源调度算法设计主要考虑信道质量和用户公平性，无法刻意将无线资源承载在普通时隙或特殊时隙，因此可规避将数据集中在特殊时隙发送而造成的无线利用率偏高的情况；

方案1的数据采集、统计、计算方法简便，便于操作和管理。

3.2 PDCCH下行控制信道资源利用率计算公式

下行物理信道采用了“控制在前，数据在后”的设计方式，如图3所示，允许终端先接收和处理控制信令，而后根据控制信令中包含的调度信息（例如数据的调制编码方式、资源位置等）处理下行数据信号，有效地降低了调度和处理延时。

图3 下行物理信道分配

PDCCH承载下行控制信息（DCI，Downlink Control Information），包括用于下行和上行数据传输的调度信息和上行功率控制信息等。根据动态调度用户的需求，每个子帧中控制区域占用的OFDM符号数是动态可变的（1～3个），并由当前子帧中PCFICH信道指示。

PDCCH CCE利用率 ＝ 实际使用的CCE数/可以使用的CCE数×100%

其中：下行可使用的CCE数：根据实际的网络配置，单个TTI包含的CCE资源。

可以采用CCE个数：按照3个OFDM符号取定。统计周期取定为一个无线子帧（1 ms）。

3.3 上行信道资源利用率计算公式

根据协议规定，PUCCH和PRACH信道根据实际网络需求分配资源，随着PUCCH和PRACH资源的增加会减少PUSCH的资源，因此计算上行利用率时则需要综合统计PUCCHPRACHPUSCH 3者的占用情况，才能客观的反映资源占用情况。此方法存在的弊端是，在用户没有传输业务的情况下，网络的利用率不为0，但是考虑到PUCCH和PRACH信道占用的资源较少，随着用户业务量的增加，占比也随之递减，因此，在评估上行资源利用情况时，仍综合统计PRACH、PUCCH、PUSCH信道的资源占用情况。PRACH可以在特殊时隙中传输也可在普通时隙中传输。

根据目前厂家是否可灵活配置PUCCH和PRACH的资源，可分为两种方案。

方案1：根据协议规定，PUCCH和PRACH信道根据实际需求分配资源，随着PUCCH和PRACH资源的增加会减少PUSCH的资源，因此如果设备已实现资源动态配置的话，则计算上行利用率时则需要考虑PUCCHPRACHPUSCH 3者的占用情况。

上行利用率＝（PUCCH占用的PRB数＋PRACH占用的PRB数＋PUSCH占用的PRB数）/上行总PRB数。

其中上下行可用PRB数：（上/下行）全部可用PRB数与系统带宽有关，以20 Mbit/s带宽为例，每个TTI（1 ms）周期内，上/下行可使用PRB资源为100个PRB对。

上行实际使用PRB数：被调度传输PUCCH、PRACH、PUSCH的PRB对个数。

统计周期为无线子帧（1 ms）。

方案2：目前设备厂家实现方式不一致，有些厂家对PUCCH/PRACH资源是配死的，因此这种情况下，利用率统计也可只统计PUSCH的利用率。

上行利用率＝（PUSCH占用的PRB数）/上行总PRB数统计周期为无线子帧（1 ms）。

建网初期，如果现网设备均统一设置固定的PUCCH和PRACH资源分配方式，则可以采用方案2。 但随着技术发展和设备的成熟，当实现PUCCH和PRACH的动态配置后，为体现公平性，建议采用方案1。

推荐采用方案1，可促进厂家实现信道的动态配置，提高无线资源利用有效性。

3.4 无线网络综合资源利用率

结合上述信道的评估方法，可以提出无线综合资源利用率。

无线综合资源利用率=网络实际占用PRB资源/总PRB资源

其中网络实际占用PRB资源包含PDSCH、PUCCH、PRACH、PUSCH信道占用资源：上下行可用PRB数：（上/下行）全部可用PRB数与系统带宽有关，以20 Mbit/s带宽为例，每个TTI（1ms）周期内，上/下行可使用PRB资源为100个PRB对。

4 统计要求

每TTI周期（1 ms）采样1次；每15 min上报一次占用PRB数的统计平均值；占用PRB数每小时的值，对4次15 min的值取平均；占用PRB数每日平均值指对每小时的值求平均；每日峰值（忙时）指对当日每小时的值取峰值；忙时月均值指对当月每日峰值取平均；忙时月峰值指对当月每日峰值取峰值。

5 TD-LTE无线网络扩容方案

在分析无线网络扩容方案中，首先需分析网络受限因素。无线信道分为受限和不受限两种情况。

不受限信道包括以下几种：

（1）PSS/SSS, PBCH, PCFICH：占用固定的时频位置和资源，属于广播性质的信道，不需考虑容量问题，也不需要考虑与其他信道的制约关系。

（2）PHICH,PRACH,PUCCH,SRS：可通过信道本身配置实现其容量的增减，因此不存在容量受限情况，但会制约其他信道的可用时频资源。

受限信道包括以下几种：

（1）PDCCH：可用的时频资源来自于PCFICH和PHICH分配后的剩余资源；随着控制信息和用户数的增加，会出现信道容量受限。

（2）PDSCH：传输下行业务信息，随着业务量的增加会出现容量受限。

（3）PUSCH：可用的时频资源来自于PUCCH和PRACH分配后的剩余资源；传输上行业务信息，随着业务量的增加会出现容量受限。

根据上述情况，扩容标准主要基于PDCCH、PDSCH、PUSCH制定：

（1）PDSCH：忙时PDSCH无线利用率超过x%的小区。

（2）上行无线利用率：忙时无线利用率超过y%的小区。

x、y的取定：系统在满足接入成功率，掉话率、拥塞率等网络考核指标的情况下，可承载的最大无线利用率。该值的取定需通过仿真、实际网络测试等手段取定。建网初期可暂取定为同频组网门限为75%，异频组网门限为80%）。

（3）PDCCH：综合考虑资源利用和用户数情况见表3和表4。

信道资源利用率：占用3个符号情况下， PDCCH CCE利用率大于等于门限值（如同频组网门限为70%，异频组网门限为80%）的时候，建议扩容 。

最大可支持用户数：取决于可用CCE数目和网络实际聚合等级。网络聚合等级经验值需通过仿真或网络实测获得。

表3 不同场景综合考虑资源利用率和用户数情况

表4 PDCCH聚集级别

6 总结

本文主要探讨了TD-LTE无线网络利用率评估体系，包括评估指标、评估算法及其未来网络扩容标准等内容。目前该评估体系已下发各设备厂家，共大家交流改进，并促进设备对算法的支持。

[1]3GPP TS 36.201 physical layer; General description[S].

[2]3GPP TS 36.211 Physical channels and modulation[S].

[3]3GPP TS 36.212 Multiplexing and channel coding[S].

[4]3GPP TS 36.213 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical layer procedures(Release 8)[S].

[5]3GPP TS 36.214 Physical layer－Measurements[S].