基于大数据分析的无线网络优化识别隐性故障探讨

朱伟 石霄飞 马传项

中邮建技术有限公司

0 引言

对于无线网络优化，利用网管中的性能指标，结合大数据分析，精确定位由于天线问题导致的隐性故障，能够快速有效地发现问题，降低人力成本，提高优化效率，提升网络服务质量。

1 概述

空分复用是LTE（Long Term Evolution，长期演进）网络关键技术之一。它是指让同一个频段在不同的空间内得到重复利用，在移动通信中，其基本技术就是采用自适应阵列天线实现空间分割，在不同的用户方向上形成不同的波束，每个波束可提供一个无其他用户干扰的唯一信道，以此达到提高速率的目的。

1.1 原理介绍

依据MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多路输入多路输出）技术原理，UE（用户设备）测量的秩是主要影响因素。Rank（秩）即天线传输矩阵的秩，无线信号经过多径衰落，表示能够传送独立数据流的数量。当衰落增加，多径信号相关性变大，接收端无法通过相干检测分离出不同的信号，此时Rank将发生降阶，相反的，则可以升阶。RI（Rank Indicator）为1，则表示多条传输通路完全相关，所传送信号之间互相干扰概率较大，使得接收端难以准确解码。如果RI大于1，则表示有多条独立不相关信道，UE可以接收多个不同通路上的信号，并根据预编码规则独立或者联合解码，从而增加传输可靠性，提高信道容量。

1.1.1 秩的自适应性

在发射分集模式下，采用单码字进行发送，秩固定为1，层数与天线端口数相等。在空间复用模式下，信道的秩与层数相等，秩数不能超过收发侧最大天线端口数。例如4T2R（4 transmit 2 receive）系统中，发射端天线端口数为4个，接收端天线端口数为2个，则秩和层数最大只能为2。

3GPP（3rd Generation Partnerships Project） R8规范中定义的最大天线端口数为4，意味着层数不能大于4，因此2个码字可以映射到1～4个层上进行传输。R9规范中定义最大天线端口数为8，则层数不能大于8，因此2个码字可以映射到1～8个层上传输。

1.1.2 RI在下行调度中的应用

UE对下行传输信道进行测量，确定传输信道的秩，并上报给基站，用以辅助基站进行下行调度。同时，在任何传输模式下，UE都要上报CQI（信道质量指示），闭环空间分集模式下，UE还需要发送预编码矩阵索引（PMI）信息。

通常，空间复用模式下，基站根据UE上报的RI数来决定下行码字的数目，从而触发模式内转换过程。以2T2R为例，收发天线端口数都是2，则传输信道的最大秩不超过2。开环空间复用模式下，如果UE上报的RI为1，则表示信道相关性强，无法采用双流传输，因此只能使用发射分集方式，采用单码字进行发送。如果UE上报的RI为2，则表示信道相关性弱，可以采用双流传输，可以使用空间复用方式，提高系统容量。

1.1.3 RI的限制条件

UE上报的RI表示信道的秩，但是RI的上报和使用受一些条件的限制。某些条件下，信道间相关度低，UE测量到的RI为2，但是UE仍然只能上报1。

（1）UE类别为1时，UE上报的RI只能为1。

UE class 1所支持的最大层数为1，也即UE上报的RI只能为1，因此基站也只能发送一个码字，这意味着class1终端只能使用空间分集，无法使用空间复用。

（2）天线数小于2时，UE上报的RI只能为1。

如果物理天线损坏，导致可用天线数为1，则意味着只能采用单天线发送，此时相当于1T1R或者1T2R模式，因此传输信道的秩只能为1，UE上报的RI也只能为1。

（3）受码数限制而无法使用RI=2时，则只能使用RI=1。

对于传输模式TM3（传输模式3）、TM4、TM5与TM6，系统通过高层参数来限定UE所能使用的码数，通过比特位标定特定传输模式下的预编码码数是否能够使用。

4G网络除部分滴灌和室分外打，宏站均采用双流及以上天线，在无线环境良好的情况下，下行能够实现双流传输。广覆盖场景大都使用2T2R天线，部分农村场景使用2T4R天线。在无线环境良好的情况下，若天线存在问题，无法实现双流，则用户业务速率较双流传输时会有明显下降。

1.2 算法设计

UE根据测量下行信号上报不同的Rank值，上报Rank 1说明下行只能为单流传输，上报Rank 2说明可以使用双流传输。一个配置2T2R/2T4R的小区，如果收到的Rank2比例过低，可能存在两种情况：一是天线存在发射性能下降、鸳鸯接反、正负45°线序接错等问题，导致2路Tx（发射）无法同时发挥效能；二是小区边缘用户较多，大部分用户处于无线环境较差的区域，可能是弱覆盖或者重叠覆盖导致；三是基站参数配置错误，导致无法使用双流。

Tx分析方法的主要思路，是通过大数据分析，定义合理的算法和判决门限，精确筛选出可能存在问题天线的小区。需要说明的是2T2R的天线配置，每路Tx和Rx在物理上是合一的，定位出Tx存在问题，往往在排查过程中也能顺利发现Rx的问题。

（1）关键指标

提取某地市4G网络天级连续一周的RANK上报指标，如下表所示：

表1 某地市RANK指标统计

每天UE上报RANK1的上报次数达到110亿次，每天UE上报RANK2的上报次数达到440亿次，信息采集量非常大，更能准确地反映出网络的工作状态。如该指标出现异常，则网络存在问题的概率将会较高，但是也不排除是特殊无线环境导致该指标异常。

统计某地市连续半个月UE上报RANK2占比情况，如下表所示：

表2 某地市连续半月RANK占比统计

全网UE上报RANK2占比的平均值在80%左右，如低于该值需分析是否存在性能下降问题，进而制定优化方案。

（2）RANK2占比过低判定规则

RANK2占比=RANK2的上报次数÷（RANK1的上报次数+ RANK2的上报次数）

全网RANK2占比基本保持在80%以内，RANK2占比劣化门限暂定为80%，当连续7天RANK2占比小于80%，即定义为RANK劣化小区，需展开优化工作，提升RANK2占比。

统计分析大量的DT数据，RSRP（参考信号接收功率）以5db分段，SINR（信号干扰噪声比）以3db分段，参考统计结果制定出RANK2占比门限值。

RSRP各分段对应TM2（传输分集模式）和TM3（开环空分复用模式）占比情况如下表：

表3 RSRP分段TM2/3占比统计情况

由于采用的是DT数据，小于-105dbm的采样点数较少，所以可能会影响分析结果的准确性，建议剔除。通过上表可知，当RSRP小于-95dbm时，TM3的占比明显下降，也即会导致RANK2的占比明显下降。根据MR中考核大于-110dbm的占比，以大于-110dbm为参考点，此时TM3的占比为44.6%，也即RANK2的占比也是44.6%，故建议把RANK2占比门限设置为45%。

SINR各分段对应TM2和TM3占比情况如下表：

表4 SINR分段TM2/3占比统计情况

24～27 503 10889 4.42% 95.58%21～24 1256 16367 7.13% 92.87%18～21 2564 20045 11.34% 88.66%15～18 4817 19530 19.78% 80.22%12～15 5594 15804 26.14% 73.86%9～12 5309 10945 32.66% 67.34%6～9 4327 6770 38.99% 61.01%3～6 2923 3428 46.02% 53.98%0～3 1533 1472 51.01% 48.99%-3～，0 620 496 55.56% 44.44%-6～-3 188 145 56.46% 43.54%-9～-6 69 49 58.47% 41.53%-12～-9 12 15 44.44% 55.56%-15～-12 1 1 50.00% 50.00%

由于采用的是路测数据，小于-6db的采样点数较少，所以可能会影响分析结果的准确性，建议剔除。通过上表可知，当SINR小于6db时，TM3的占比明显下降，也即会导致RANK2的占比明显下降。日常优化中一般要求SINR大于-3db，此时TM3的占比为44.44%，也即RANK2的占比也是44.44%，故建议把RANK2占比门限设置为45%。

综合以上分析，RANK2占比的门限建议设置为45%，同时为防止采样数较少导致误判，需同时也满足每天的采样数大于10000。即满足硬件至少是2T2R，每天采样点数大于10000，且RANK2占比小于45%的小区定义为RANK2占比较低，建议进行隐性故障排查，同时提升RANK2占比。

2 效果验证

测试验证问题139个，主要分为6大类：驻波告警、鸳鸯接反、极化接错、电子下倾角不一致、天线接反、参数配置错误。

统计结果如下表：

表5 问题分类统计情况

2.1 驻波告警实例

分析发现“湖山路_50”小区的RANK2占比明显较低，仅1.8%，而且该小区支持两发两收，也即支持双流。分析话务量等指标，发现该小区用户数较少，且全天流量仅200MB，明显也较少。

分析周边无线，该小区位于城郊结合部，用户相对较少，结合周边站点分布情况，发现该小区主覆盖方向存在一片水面，推断可能存在水面反射，导致覆盖过远。提取MR（测量报告）指标分析，未发现覆盖过远问题，总体覆盖率也比较正常。

（1）告警分析

查询当前告警，发现从2017年6月20日开始，出现驻波告警。但是通过分析流量和用户数，发现虽然存在驻波告警，但是该小区还是能做业务，只是覆盖性能有所下降，推断是由于驻波告警导致该小区2个通道出现不平衡，进而导致UE无法上报RANK2。

（2）现场测试

现场测试，在无线环境（RSRP=-81dbm，SINR=18）较好的情况下，占用的却是TM2。此时UE上报的RANK为2，那么传输模式应为TM3。

统计2个天线之间的电平差值，如下表：

表6 手机2天线接收电平平均差值

两个天线之间电平的平均差值达到2.84db，根据经验判断2个通道RSRP相差3db以上，会导致占用的TM3的比例下降，相差5db以上基本上就无法占用TM3。

对差值进行分段统计，如下表：

表7 手机2天线接收电平分段差值

两个天线接收到的信号强度相差在5db以上的比例在26.76%以上，根据以往经验，双通道相差5db以上会导致无法占用双流。

图1 通道0/通道1覆盖能力对比

综合以上分析，建议排查两个通道的平衡性。

该小区当前配置为2T2R，计划轮流闭塞2个通道，对比在同一地点收到的2个通道的电平差值，以确定是否真的存在双通道不平衡问题。

分析发现在相同地点UE接收到2个通道的电平相差6db，基本可以确定该小区存在双通道不平衡问题，导致RANK2占比较低。

（3）问题解决

通过监控告警信息，发现7月24日出现驻波告警，驻波告警在7月24日当天恢复。向维护人员询问，被告知当天进行了更换天线的操作。同时观察RANK2占比指标，7月24日后该指标基本恢复正常，由之前的2.8%提升到80%以上。

表8 告警恢复前后指标对比

2.2 鸳鸯接反实例

鸳鸯接反多见于RRU（射频拉远单元）安装在机房的站点，由于与天线距离较远，在跳线的布放过程中，施工人员容易操作失误，将某一小区的两路Tx跳线接在不同的天线上，导致在同一个覆盖方向，UE只能接收到一路Tx信号。

分析RANK2占比低小区，“御马汽车的2、3”小区的RANK2占比仅有23%，“御马汽车的1”小区的RANK2占比89%，明显优于其他2个小区。核查告警和常见参数等，未发现异常，推断存在鸳鸯接反问题。

图2 鸳鸯接反影响速率的示意图

鸳鸯接反影响速率的原因如下图所示：

在“御马汽车的2、3”扇区主瓣方向分别测试，能同时接收到2、3扇区的信号，并且RSRP相近，下行传输存在单流，因此判断该小区的2、3扇区天线鸳鸯接反。

2.3 极化接错实例

现网中正负45°线序接错的情况可能会较多，这一类问题出现在2T4R天线上，需要上塔解决。

图3 2T4R天线端口

两副发射天线，必须一路接+45°接口，一路接-45°接口，才能最大程度减少2路TX的相关性，避免互相干扰。施工过程中如果误将2副发射天线接在相同极化的端口，会导致单流问题。

2.4 电子下倾角不一致实例

2T4R天线内置2副天线，因此需要配置2副电调，如果2副电调的下倾角设置不一致，使2副天线覆盖范围不一致，那么在小区的覆盖边缘区域就容易出现单流的情况。导致电子下倾角不一致的，除了人工操作的因素之外，2副电调中的1副电调出现故障，对应天线的电子下倾角将会自动设置到最大值，也会造成单流。

此外，2T4R天线的电调配置错误或配置不完整，也会导致单流。2副电调设备只有1副接线，另外一副闲置，造成两幅天线的电子下倾角出现差异。

对“大丰电信支局”进行现场测试，该站的3个扇区在CQT（定点测试）测试时正常，但在DT（路测）测试时发现随着距离的增加，开始逐渐出现单流问题。

登录网管查看，发现“大丰电信支局_1”扇区配置2副电调天线，但电子下倾角设置不一致。电子下倾角调整为一致，现场测试正常，跟踪观察RANK2占比情况也恢复正常。

图4 近距离测试正常

图5 远距离测试异常

2.5 天线接反实例

天线接反是指两个扇区间的RRU，两个T/R共用口与相邻扇区天线全部错接。

分析发现“通州正场农校北2、3”小区的RANK2占比仅为35%，明显存在问题。对“通州正场农校北2、3”扇区测试发现，在该站2扇区的主覆盖方向收到的信号为3扇区信号，而3扇区的主覆盖方向收到的信号为2扇区信号。

导致这种情况的原因主要有两个：（1）天线接反；（2）PCI实际配置与工参不一致。登录基站网管进行确认，发现PCI的实际配置与工参吻合，因此可推断原因较大可能为天线接反。

上塔排查，发现确实为天线接反。整改后复测，扇区覆盖方向已修正。

2.6 参数配置错误实例

分析发现“无锡中医医院（中南路）_52”小区的RANK2占比为零，明显存在问题。分析用户数和流量等指标，未发现异常。同时对比同站其他小区，其他小区RANK2占比指标正常。而且该小区配置为两发两收，可以支持RANK2。查询历史告警和当前告警，未发现异常。

（1）发射通道状态核查

通过核查该小区2个通道的状态，发现发射通道1的“发射通道物理开关”处于关闭状态，也即该小区虽然配置了双通道，但是目前只能正常使用1个通道。

（2）现场测试验证

8月11日现场测试情况，在无线环境极好（RSRP=-79dbm，SINR=28dbm）的情况下，UE只上报RANK1，传输模式只能使用TM1，说明确实只有一个通道可以正常使用，下载速率仅41Mbps。

现场联系维护工程师打开发射通道2，UE可以正常上报RANK2，占用TM3模式，下载速率达到85Mbps。

3 总结

本方法直接采集现网性能数据，无需增加额外成本。利用大数据分析精确定位低速率小区，现场验证准确率86.73%。天线隐患如无告警，原先只能通过用户申告或DT/CQT被动发现，此方法可主动发现天线隐患，改善用户感知，提升运营商品牌形象。能够缩短优化流程及隐患发现周期，减少人力成本，提升优化效率。