4G网络的资源瓶颈分析

王月珍，尹珂，梁健生，陈宇



4G网络的资源瓶颈分析

王月珍，尹珂，梁健生，陈宇

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东广州 510630）

分析了LTE网络的技术能力，包括小区吞吐量，PDCCH、PHICH和PUCCH信道容量，接入容量，寻呼容量等，并基于技术能力分析了各种典型业务的PRB、PDCCH CCE、PUCCH、PRACH、寻呼、RRC连接等网络资源的消耗和占用情况，最后推导了限制LTE网络提供更多用户服务的瓶颈资源，提出了建设和运营优化时重点考察的瓶颈指标建议。

LTE；技术能力；典型流量模型；资源消耗；资源瓶颈

1 引言

经过近几年的建设部署，三大运营商的4G网络覆盖范围不断延伸和完善，开通4G服务的用户也呈现出规模化增长趋势。进入4G时代，哪些因素会成为限制网络为更多用户提供服务的能力瓶颈？由于4G网络采用的是LTE空口技术，与2G、3G技术存在质的不同，以往重点关注的Wash码资源、时隙占用率、ROT抬升等瓶颈因素将不再适用于4G网络，运营商在建设和运营过程中应该重点关注哪些瓶颈因素和指标？本文将围绕这些问题进行相关的分析。

2 4G网络的技术能力

网络的技术能力是分析资源瓶颈的前提，分析给出LTE系统的小区吞吐量，PDCCH、PHICH和PUCCH信道容量，接入容量，寻呼容量等能力数据。所有的分析基于20 MHz带宽，采用2×2 MIMO系统进行。

（1）小区吞吐量

根据3GPP标准组织提供的4G系统频谱效率指标和现场试验（对1 800 MHz频段、2.1 GHz频段分别进行试验测试，系统带宽为20 MHz）的测试数据，市区环境下LTE小区的平均吞吐量为：下行33.8 Mbit/s，上行14.7 Mbit/s。

（2）PDCCH和PHICH信道容量

PDCCH的主要作用是承载用户调度信息和寻呼指示，PHICH的作用是针对用户的PUSCH数据传送反馈ACK/NACK信息。PDCCH、PHICH的用户支持能力与参数、的配置相关，在=3、2×2 MIMO的典型配置下，为不同值时的PDCCH和PHICH用户支持能力见表1。

表1 PDCCH和PHICH用户支持能力

（注：每个用户的调度可以占用1、2、4、8个CCE（control channel element），当环境越差、速率越低时，占用的CCE数越多，通常情况下平均每个用户占用3个CCE。）

由表1可知，将配置为1.0是较优的选择，此时PDCCH支持的调度用户数为28个用户/ms，PHICH支持的用户数为104个用户/ms。且除了=1/6的情况外，PDCCH均会先于PHICH成为瓶颈。考虑到现网中不会把配置为1/6，后续的资源消耗和瓶颈分析将不再把PHICH能力作为考察对象。

（3）PUCCH信道容量

PUCCH用于传输上行控制信息，包括上行资源请求、周期性的CQI/PMI和RI、ACK/NACK，占用整个带宽边缘的RB（上边带和下边带RB成对占用）进行传送，占用多少个RB需要通过参数配置或者网络自适应配置。PUCCH分成1/1a/1b和2/2a/2b两种传输模式，由于处于激活态的用户CQI和ACK/NACK消息通常在PUSCH上传递，PUCCH的容量能力主要表现为可以支持的调度请求（SR）用户数。在1/1a/1b配置下，PUCCH通过循环移位长度为12的Zadoof-Chu（ZC）序列和3种正交扩频码进行用户消息复用，若以2为循环移位间隔，1个RB（resource block，资源块）可以支持3×12/2=18个用户，最小配置下（即=2时）可以支持18×2=36个用户/ms，在信道条件好的情况下，可以采用比2小的循环移位间隔，同时网络上行支持的调度用户数会更大一些。

（4）接入容量

LTE系统的用户接入分为竞争接入和非竞争接入，通常提前预留一定比例的资源用于非竞争接入，比例可以调整，非竞争接入不会成为限制因素。这里分析的是小区的竞争接入容量，即每秒支持的竞争接入次数，计算式为：

=(竞争前导数×每秒PRACH数量)×ln(1-) （1）

其中，为每秒支持的竞争接入次数，为接入成功率，每秒PRACH数与参数“PRACH Configuration Index”的设置相关。现网的默认配置是每秒PRACH的数量为100，每个PRACH最大可复用52个前缀（一共64个前缀，预留12个用于非竞争接入）。

如果允许3次接入尝试，要求成功率为99%（即单次接入成功率为78.45%），根据式（1）可以计算出在默认配置下，单次的同时接入能力为1 261次/s，支持的接入容量为：（1 261×78.45%）/99% = 999个接入尝试用户/s。

（5）寻呼容量

LTE网络的寻呼容量与物理信道能力，寻呼拥塞率，寻呼对PDCCH、PDSCH信道资源的占用以及设备处理能力相关，通过综合分析（考虑到篇幅问题，这里不再列出具体过程），LTE小区寻呼能力主要受限于eNode B设备处理能力，目前商用设备基站的寻呼能力一般在400～600次寻呼/s。

综合上述分析，汇总LTE网络技术能力，见表2。

表2 LTE网络技术能力

根据以上分析可以看出，在通常的网络配置下，LTE信令层面主要的受限因素是PDCCH资源，相比于接入容量，寻呼容量更容易成为瓶颈。

3 网络资源瓶颈分析

为了进一步确定哪些资源是LTE网络的瓶颈资源，针对网页浏览、游戏、视频、即时通信、邮件等典型业务，分析每种业务对网络资源的消耗情况，推导出影响LTE网络容量的关键资源和瓶颈所在。

3.1 典型业务模型参数

依据业务特征的差异性，移动业务可划分为9类，具体见表3。

参考商用网络的4G业务特征，选取以下典型业务模型进行网络资源消耗分析，具体见表4。

不同的业务行为特征将导致网络资源需求的不同，通过计算各种业务对每种资源的消耗情况，就可以推导出相应的资源瓶颈。

表3 移动业务特征及归类

表4 典型业务模型

（注：由于移动用户的行为特征，每种业务被使用的概率（业务渗透率）不同，综合业务是按照表4中第二列的业务渗透率组合各种业务得到的模型数据。）

3.2 典型业务的资源消耗

根据表4的业务特征数据，结合第2节LTE网络技术能力的分析结果，给出以下设定条件。

•Ÿ RRC空闲休眠定时器设置为10 s。

•Ÿ VoIP语音激活因子为0.5。

•Ÿ 每小区支持的最大RRC连接数为1 200。

•Ÿ 小区的寻址能力为600次/s。

•Ÿ PDCCH CCE 5%的资源开销（用于寻呼）。

•Ÿ LTE网络采用三级寻呼（基站、TA、TA列表），假设每个TA列表平均包含5个TA，每TA平均包含60个小区，三级寻呼成功率分别为80%、85%和90%（总成功率>99%）。

•Ÿ LTE系统带宽20 MHz（业务可用RB数下行100个/ms，上行96个/ms）。

计算各种业务网络资源消耗和占用，具体步骤如下。

步骤1 根据业务模型，假设一个固定的用户数（如100），根据式（2）~式（9），计算每一种业务对网络资源的占用情况，分别计算出上/下行PRB资源利用率、上/下行体验用户占用率、PDCCH CCE占用率、PRACH占用率、寻呼负荷和RRC连接占用率：

上/下行体验用户占用率=小区调度缓存用户数/（小区平均吞吐量/业务） （2）

上/下行PRB资源利用率=用户数×[每会话传输数据量/平均分组长]×[平均分组长/每PRB平均传输数据量]/（PRB总数） （3）

其中，每PRB平均传输数据量需要根据小区吞吐量和PRB总数得到，即小区吞吐量/PRB总数。

RRC连接利用率=用户数×（每次会话数传时间+RRC空闲定时器时长）×会话次数/最大RRC连接数 （4）

PDCCH CCE占用率=用户数×（上行传输分组数量+下行传输分组数量）×3/（PDCCH CCE总数—开销CCE数量（5%,用于寻呼）） （5）

PUCCH占用率=用户数×上行传输数据分组数量/PUCCH信道容量 （6）

PRACH占有率=用户数×呼叫次数/接入容量（7）

寻呼负荷=用户数×被叫次数/小区寻呼容量（三级寻呼下） （8）

小区寻呼容量（三级寻呼下）=小区寻呼能力/3+（1-第一次寻呼成功率）×TA小区数+（1-第一次寻呼成功率）×（1-第二次寻呼成功率）×TA小区数×TA列表包含的TA数（9）

步骤2 不断增加用户数直到出现某个资源指标达到100%，此时的用户数为LTE网络支持该类业务的最大用户数。

步骤3 根据步骤2的用户数，重复步骤1，计算得出上/下行PRB资源利用率、上/下行体验用户占用率、PDCCH CCE占用率、PRACH占用率、寻呼负荷和RRC连接占用率，单一业务的LTE网络资源消耗和综合业务的LTE网络资源消耗分别如图1和图2所示。

图1和图2所示为每种业务达到其最大容量对网络资源的消耗和占用情况，具体的资源占用包括：上/下行PRB资源利用率、上/下行体验用户占用率、PDCCH CCE占用率、PRACH占用率、寻呼负荷和RRC连接占用率。

其中，上/下行体验用户占用率是一个与目标体验速率以及小区吞吐量相关的指标，在既定体验速率下，上/下行体验用户占用率本质上反映的是小区的上/下行吞吐量资源的占用。

Ÿ• 根据计算结果，总结各种业务的资源消耗规律如下。

Ÿ• 网页浏览、游戏和社交网络业务消耗最多的是PDCCH CCE资源。

•Ÿ 视频流、文件传送业务消耗最多的是下行PRB资源和小区下行吞吐量资源。

Ÿ• 邮件业务消耗最多的是小区上行吞吐量资源。

•Ÿ VoIP业务消耗最多的是PDCCH CCE资源。

•Ÿ 即时消息（IM）类业务消耗最多的是寻呼资源。

•Ÿ 综合业务情况下，消耗最多的是小区下行吞吐量资源和下行PRB资源。

3.3 资源瓶颈分析

基于第3.2节的资源消耗分析，步骤2计算出的用户数为某个资源达到100%时的用户数，即消耗最多的资源占用达到100%时的综合业务和各种单一业务的容量能力（用户数/h），结果如图3所示。

对于单业务而言，视频流和游戏类业务的容量最小，而根据第3.2节的资源消耗分析，这两类业务消耗最多的资源是PDCCH CCE资源、下行PRB资源和小区下行吞吐量资源。在最终网络运营时，应重点关注在综合业务情况下，网络的用户支持能力和资源消耗情况。在表4所示的综合业务模型下，小区下行吞吐量和下行PRB资源受限决定了最终的用户容量。

在进行网络的运营优化时，通常会把网络资源分为用户面和信令面分别进行考察，根据图1~图3，不难得出以下两条结论。

•Ÿ 对于用户面而言，下行PRB利用率和下行体验用户占用率是关键的瓶颈，应作为重点考察指标。

•Ÿ 对于信令面而言，PDCCH CCE资源是占用最多的资源，应把PDCCH CCE占有率作为信令面的重点考察指标。

4 结束语

本文基于LTE网络的技术能力，选取典型的业务模型，进行了不同业务对各种LTE网络资源的消耗和占用分析。通过分析得出，下行PRB资源、PDCCH CCE资源是LTE网络的关键资源，限制LTE网络提供更多用户服务的能力瓶颈在于下行PRB利用率、业务的目标体验速率和小区下行吞吐量。在进行LTE网络的建设和运营优化中，重点关注相应的能力瓶颈指标，并采取针对性的扩容和优化手段，可实现资源的有效投放，进一步提升网络的服务能力。

[1] 3GPP. Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); physical channels and modulation: TS36.211[S]. 2013.

[2] 3GPP. Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); physical layer procedures: TS36.213[S]. 2014.

[3] 3GPP. Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); measurements: TS36.314[S]. 2011.

[4] 3GPP. Feasibility study for evolved universal terrestrial radio access (UTRA) and universal terrestrial radio access network (UTRAN): TR25.912[S]. 2011.

Analysis of resource bottleneck in 4G network

WANG Yuezhen, YIN Ke, LIANG Jiansheng, CHEN Yu

Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China

The technical capability of LTE network was analyzed, which included cell throughput, channel capacity of PDCCH , PHICH and PUCCH, random access capacity, paging capacity and so on. Then, based on the technical ability, the consumption and occupancy of network resources such as PRB, PDCCH CCE, PUCCH, PRACH, paging, RRC connection were analyzed. Finally, the bottleneck resources which restrict the LTE network to provide more customer service were deduced, and the bottleneck index proposal which focuses on the construction and operation optimization was put forward.

LTE, technical capability, classic traffic model, resource consumption, resource bottleneck

TN929.53

A

10.11959/j.issn.1000−0801.2017131

2017−03−08；

2017−05−08

王月珍（1974−），女，中国电信股份有限公司广州研究院高级工程师，主要从事移动通信系统技术、物联网技术的研究和项目管理工作。

尹珂（1969−），男，中国电信股份有限公司广州研究院高级工程师、移动通信研究部技术总监，主要从事广东移动通信网络高级技术支持、移动通信技术研究等工作。

梁健生（1976−），男，中国电信股份有限公司广州研究院工程师，主要从事LTE、NB-IoT、4G+等移动通信新技术研究与试验、移动通信网络规划建设、网络优化等方面的研究工作。

陈宇（1988−），男，中国电信股份有限公司广州研究院工程师，主要从事移动通信相关工作。