（2017年度“华苏杯”获奖论文三等奖）基于CQI的LTE网络容量与感知优化研究

周菊华 谷俊江 朱序均

中国联合网络通信集团有限公司苏州分公司

0 引言

现阶段的联通LTE网络已度过高速建设阶段，工作重点已从建设网络转移至经营网络，而如今现网指标越发趋于平稳，因此网络优化工作应从指标优化转移至提升用户感知。作为纯数据网络最能体现用户感知的指标为用户平均吞吐率，而其又与小区负荷、业务服务质量等息息相关，因此分析此间的相关性及其变化趋势，对如何提升用户感知有较大增益。

容量调整及用户感知提升都离不开基础网络质量的优化，小区负荷的抬升会引起用户感知和网络质量下降，同时业务质量的下降也会增加网络负荷、降低用户感知。基于基础网络质量的提升，分析用户感知差原因，寻找与质量、容量相关的感知拐点，为LTE网络精准把脉。

1 背景

业务质量、用户感知、小区负荷是LTE网络指标考核的三个基本维度，平均CQI即为小区服务质量、用户平均吞吐率反应了小区下用户的使用感知、而PRB利用率、业务量、承载用户数则体现小区业务负荷。

1.1 业务质量指标

LTE的PDSCH有三种编码方式（QPSK/16QAM/64QAM），其分别所需要的信道条件不同，编码效率越高（QPSK＜16QAM＜64QAM），对信道的条件要求就越高，PDSCH的调度由eNB决定，其作为发射方，并不清楚UE们的接收情况如何（即下行信道质量如何），所以需要UE来测量信道质量并反馈eNB作为信道编码的依据，协议把UE测量的信道质量量化为0至15的序列，称之为CQI。CQI的值越大，说明信道质量越好。

CQI上报以PUCCH的周期上报为主，以PUSCH的非周期上报为辅，CQI的上报周期（2ms、5ms、10ms、40ms）一般远大于调度周期，由于UE移动时大尺度衰落（路径损耗+阴影衰落）的影响，上报时刻的CQI与调度时刻的CQI可能已经差距比较大，即CQI调度算法要考虑补偿用户的大尺度衰落。

（1）CQI调度

CQI对调度的影响，在下行调度中，影响用户速率的主要有下面的几个因素：

1）终端能力级别：对应每个TTI能够传输的最大比特数和层数；

2）数据缓存和HARQ反馈（Ack/Nack）：RLC缓存影响了用户所需的RB数，ACK/NACK作为CQI调整算法输入决定用户的MCS；

3）Qos需求：调度考虑Qos参数，分配资源和调度优先级；

4）信道质量（CQI/PMI/RI）：下行调度器会根据下行信道质量等信息动态地为UE选择适合的RB资源（调制编码方式、RB分配类型、RB数）进行下行传输；

5）下行发射功率：在调度时会考虑小区可用功率，避免下行可用RB受限；其中，CQI主要影响了MCS的选择和分配RB的大小。

从原始的UE测量值，经过网络侧调整（eNodeB），最后给终端用户做MCS映射。网络CQI上报、调整、映射的流程如下图1所示：

图1 网络CQI上报、调整、映射流程图

表1 Itbs和Imcs的映射关系表

（2）CQI上报

CQI上报是CQI调整的前提，如果上报不准确，不能反映实际的信道质量，则经过CQI调整后也是不合理的，这会严重影响下行调度结果。CQI上报分为周期性CQI上报和非周期性CQI上报。

1）周期性CQI上报

MAC在周期定时器到达时，触发周期CQI上报；由于周期CQI上报在协议明确规定由PUCCH承载，所以直接选择PUCCH承载周期CQI上报信息，同时根据周期来决定上报周期CQI的PUCCH所对应的帧号和子帧号。

2）非周期CQI上报

MAC在接收到上行授权的CQI上报指示后，触发非周期CQI上报；非周期CQI上报在协议明确规定在PUSCH承载，所以直接选择PUSCH承载非周期CQI上报信息，非周期上报的帧号和子帧号是根据上行授权获得。对于非周期CQI上报，包括两种情况：一种是有数据一起发送时，CQI作为随路进行发送的，如果没有数据一起发送，CQI是单独进行发送的。

（3）CQI调整算法

其本质的作用就是：如果eNB直接使用UE上报的CQI，那么达到的IBLER值是x%，而系统在IBLER目标值y%时达到小区吞吐率的最大值或者是用户平均时延的最优化结果，所以需要CQI调整算法，把上报CQI值进行调整，从而使用户数传时的IBLER接近于IBLER目标值。

（4）MCS映射

需要将CQI映射到Itbs，然后映射到Imcs。基于Itbs，剩余功率及用户缓存等输入， 计算可分配的RB资源。下图为Itbs和Imcs的映射关系，如表1所示：

因此，小区平均CQI反应了小区干扰程度及其所能提供业务的服务质量，高阶调度下频谱资源利用效率较高，用户也感知较好。

1.2 小区负荷指标

PRB即物理资源块（Physical Resource Block），为空中接口物理资源分配的单位，其利用率（使用个数/可用个数）反应了小区资源使用情况；PRB利用率和用户的行为关系比较大，比如用户数目多，则eNodeB调度的用户数越多，调度难度比较大，出现调度“缝隙”的几率就比较大，影响PRB的利用率，另外如果用户使用的业务不是类似best effort的连续大数据量业务，而是比较零碎的小包业务，时断时续的，那么PRB的分配也不会很充分。

PRB利用率某些程度上也能标准频谱资源利用率效率。频谱效率（Spectrum Effectiveness）又称频带利用率，用来衡量系统的有效性。它定义为单位带宽传输频道上每秒可传输的比特数，单位是 bps/Hz。它是单位带宽通过的数据量的度量，由此衡量一个信号传输技术对带宽资源的利用率，可以通过单位时间内传输的比特数除以单位时间内占用的RB数进行计算。消耗相同的RB用户获得更高的速率，则资源利用效率也高。

而小区平均用户数、流量又是小区承载情况的体现，PRB利用率随着小区内用户数、流量的增加而上升。因此PRB利用率及小区承载用户数和流量体现了小区负荷情况。

1.3 用户感知指标

用户平均吞吐率为小区下用户单位时间内平均速率，用户吞吐率越高，该用户使用网络感知就越好，因此用户平均吞吐率可表征小区内用户平均感知优劣程度。网络承载业务的不同对速率要求也存在差异，一般以视频业务要求速率要求作为判断用户感知标准。

码率（Bitrate）是影响视频体验的一个关键指标，如公式（1）所示：

其中，FileSize表示文件大小，duration表示持续时间；Resolution表示分辨率，Subsample表示采样，FPS表示每秒帧率，CompressionRatio表示压缩率。

观看视频要求速率必须大于码率，华为实验室根据现网测试获取的国内优酷大数据样本的分析，发现当速率为码率的1.4、1.7、1.9倍时，分别能保证90%、95%、98%左右的无卡顿率，播放1080P视频时要求目标速率为10Mbps。不同分辨率的视频速率需求如图2所示：

图2 不同分辨率的视频速率需求图

2 数据分析

对小区PRB利用率、CQI、用户平均吞吐率、用户数、流量之间相关性分析，有助于了解小区实际服务性能，研究其关联性及变化趋势有助于提升网络整体服务质量。

2.1 整体相关性分析

统计对比PRB利用率与用户平均吞吐率、平均CQI数据，随着PRB利用率提高单用户速率下降明显、平均CQI在PRB利用率超过30%后降幅趋于平缓，变化趋势如图3所示：

图3 PRB利用率与用户平均吞吐率、平均CQI关联对比图

小区业务负荷指标线性关系明显，随着小区平均用户数增加、流量的增多PRB利用率也随之升高，如图4所示。其中，数据基于苏州全网LTE小区一周自忙时平均数据。

图4 PRB利用率与用户平均用户数、流量关联对比图

2.2 基于用户感知分析

相同PRB利用率在不同CQI下获得的用户速率，可以表征在不同业务质量下用户获得的感知优劣程度。在CQI较好的场景下，用户可获得更高的单用户速率，感知较好；而在CQI较差时感知则抑制明显，如图5所示：

图5 相同PRB利用率在不同CQI下的用户速率对比图

在不同CQI下满足相同用户感知速率时所能承载的业务负荷也不同，CQI较好时小区能承载用户更多。以单用户速率10Mbps为例，CQI好点（＞=10）能承载142个用户、CQI中点（7-9）能承载85个用户、CQI差点（0-7）仅能承载18个用户，如图6所示：

图6 相同平均用户速率下小区承载用户数对比图

2.3 资源利用效率分析

分析小区PRB利用率在不同CQI下所承载的流量，可以表征在不同业务质量下消耗相同的小区资源获得的业务量情况，反映了小区资源利用效率。在CQI好点PRB利用率与流量线性关系较好，在CQI差点则流量压制明显，如图7所示：

图7 相同PRB利用率下不同CQI下小区承载流量对比图

在同一负荷下，不同业务质量所能承载的用户也不同。在CQI较好时，随着用户的增加PRB利用上升较为缓慢，资源利用效率较高；而CQI较差时，PRB利用率抬升更快，承载相同的用户数时小区负荷更高，资源利用效率较差，如图8所示：

图8 相同PRB利用率下不同CQI下小区承载用户数对比图

从上分析可以得出，在CQI好点消耗相同的资源情况下可承载更多业务量和用户，资源利用效率也较高。

2.4 感知拐点分析

由于视频业务已成为4G网络流量主要贡献者，将以视频业务目标优秀速率10Mbps（基于国内主流OTT视频业务特征统计）作为感知好坏的判决条件。统计现网各小区自忙时平均数据，要满足用户速率为10Mbps，此时对应的PRB利用为60%、CQI为9，如图9所示：

图9 10Mbps用户速率时的PRB利用率及平均CQI对比图

现网自忙时话务模型中，小区PRB利用在60%以下、平均CQI在9以上时才能保证用户获得良好的业务感知。因此，用户速率10Mbps、PRB利用率60%、CQI为9即为网络感知拐点。

2.5 小结

通过统计分析“负荷、质量、感知”即PRB利用率、CQI、用户平均吞吐率间相关性，可总结归纳以下几点：

1）PRB利用率越高、用户平均吞吐率越低、CQI越低，PRB利用率与用户平均吞吐率线性关系明显，CQI在PRB利用率超过30%后降幅趋于平缓；

2）负荷相同的小区、不同的CQI场景下的用户感知不同，CQI越高用户感知越好；

3）相同用户速率情况下，CQI越高能承载的用户越多；

4）小区同等负荷下，较好的CQI能承载较多的业务量与用户，小区资源利用率较高；CQI越高PRB利用率与流量线性关系较好，在CQI差点则流量压制明显；

5）感知拐点：满足用户速率10mbps，CQI要求在9以上、PRB利用率在60%以上，可形成“二维四象”图进行分类优化。

想要获得较好的用户感知，需提升小区平均CQI；同时CQI也直接影响小区资源使用效率，在CQI较差PRB利用较高时，提升CQI也能降低小区负荷。因此小区业务质量的提升即CQI优化，是提升用户速率、提高资源利用率的关键。

3 感知优化提升方案

3.1 二维四象评估方案

分析各小区PRB利用及平均CQI，根据感知拐点可形成“二维四象”图，可直接评估各小区下用户平均感知度，如图10所示：

“二维四象”4类区域详细分析见表2：

通过对比可以发现：

1）平均CQI高、PRB利用率高：质量良好、负荷较高，这类为高业务量引起的质差小区，建议扩容解决；

2）平均CQI高、PRB利用率低：小区业务质量较好、负荷不高、用户感知好，此类小区为非质差小区，无需优化调整；

3）平均CQI低、PRB利用率低：低业务承载小区、平均CQI不高，此类质差小区存在采样点少、受用户行为影响较大，存在一定偶然性，建议优化CQI，提升用户感知；

4）平均CQI低、PRB利用率高：小区高负荷是由于CQI较差引起资源使用效率低导致，此类小区业务量负荷不低、干扰严重、资源利用低、用户感知差，应重点优化解决。

图10 二维四象分析示意图

表2 “二维四象”小区分析表

3.2 高负荷小区优化

“区域A”高负荷感知差小区优化即可小区扩容解决，LTE扩容有多种解决方案，可通过对高负荷小区指标分析，结合现场实际需求，择优实施。具体扩容方案分析如表3所示：

表3 高负荷小区扩容方案表

3.3 CQI优化提升

“区域C、D”感知差小区优化实则为CQI提升，引起CQI差原因大致可分为以下两个方面：

1）越区、重叠覆盖、弱覆盖、模三等无线环境差引起的干扰，导致PRB利用率“虚高”，资源利用效率较差；

2）用户处于小区边缘导致的低CQI，往往涉及站址规划合理性及用户迁移等原因。

（1）无线环境优化

CQI指数与无线信号质量直接强相关，提升现场无线信号质量，对CQI提升有明显改善作用。优化此类问题以RF优化为主、参数调整为辅，RF调整时需关注减少弱覆盖、越区覆盖、重叠覆盖、模三干扰等常见问题，尽量避免PCI相同小区对打。在日常问题分析中需结合TA分布来查看用户接入距离，确定小区覆盖半径，为RF调整提供参考。

优化案例：“璜泾荡茜_FL_A_1”自忙时平均CQI为6.9、PRB利用率61%属于“二维四象”D区域的质差小区，用户平均吞吐率为9Mbps左右、64QAM调制占比仅为14%。小区越区严重，TA区间5（2Km）以上的比例在38%，越区严重需RF优化控制覆盖。

经现场优化调整后各项指标也改善明显，小区自忙时平均CQI提升至10.7、用户平均吞吐率提升至33Mbps、64QAM调制比例提升至68%，由于覆盖收缩小区业务量略有下降；区域整体指标亦改善明显，区域整体CQI从7.3提升至9.2、用户平均速率从13.5Mbps提升16Mbps、64QAM调制占比从19.3%提升至42.2%，区域业务量则无明显变化。优化前后指标对比如图11所示：

图11 优化前后指标变化趋势图

调整后区域测试SINR也有明显改善，DT测试 对比图如图12所示：

图12 优化前后区域SINR对比图

（2）边缘用户评估

边缘用户可以以路损指标“L.Traff i c.User.PL0～L.Traff i c.User.PL14”来定义，即在路损区间内发生业务的用户数，路损越大表示用户越处于小区覆盖边缘。小区RS功率与路损PL之差即为用户接收信号强度，路损结合站间距、TA区间分布能确定小区实际覆盖情况。由于位于小区边缘，用户感知会较差，此类用户过多也会明显拉低小区平均CQI。

提升边缘用户感知，合理的站址及小区规划是必须条件，辅以RF调整，改善CQI、提升资源利用率效率。边缘用户为相对概念，需结合路损、站间距、TA区间及CQI和用户感知来具体分析、优化。

优化案例：统计小区路损、TA、CQI指标，结合站间距（排除越区原因）筛选CQI差、路损高小区。在同一区域以下2个小区“旭宝高尔夫_FL_B_1、庄里_FL_C_1”存在明显边缘用户情况：路损区间6-10比例在74%以上、小区平均CQI仅7.5、无越区情况。详细指标如表4所示：

表4 小区路损PL及TA区指标表

上述2个站间距仅390米，2个质差小区下70%用户位于小区覆盖边缘，且重叠覆盖严重，明显的存在站址选择不合理的情况。经实地勘察后将“庄里基站机房_FL_BBU”向南搬迁1Km，并进行区域优化后，2个站点的边缘用户比例改善明显。调整后站点指标如表5所示，站点搬迁如图13所示：

站址调整后边缘用户占比下降明显，小区平均CQI均有不同程度提升，区域内用户感知改善明显。

表5 调整后站点路损PL及TA区指标表

图13 站点搬迁示意图

4 总结

CQI的恶化将降低资源使用效率及用户感知，在相同的PRB利用率下能承载的业务及用户也随之降低；同时随着业务增加PRB利用率升高，小区CQI也随之降低。通过上述几个性能指标相关性分析，可以得出全网忙时PRB利用率、CQI、用户平均速率间平衡标准。根据关键指标的变化趋势总结相关性、寻找感知拐点，形成“二维四象”分析法，为后期网络评估、优化提供参考依据。