校园LTE网络容量评估模型

闫天中，闫晶莹（中国联通太原分公司，山西太原030002）

0 引言

随着中国联通营销策略的变化，校园用户成为本市相对集中的客户群。校园市场在移动通信网络发展中已成为最具战略性的市场。学生群体追求时尚，品牌归属感强，是未来高端客户的潜在群体。要稳定校园网络用户，一张运行稳定的精品网是基础。而随着校园网络负荷的增大，提前预估网络需求也变得异常重要，基于用户感知速率，根据下行业务占空比、忙时用户激活率、平均单用户下载速率、用户数以及单小区吞吐率的值，确定需要的载波数，确定校园宿舍容量模型。

1 参数介绍

1.1 载波数

1个逻辑小区支持开多个载波，如L1800 20 MHz+L2100 20 MHz共2个载波，载波数越多，逻辑小区的吞吐率越高。

1.2 单小区吞吐率

1个20 MHz LTE小区的吞吐率理论在64QAM的情况下上限为150 Mbit/s，但当无线环境SINR较差时，UE无法使用较高的编码方式。常见的调制解调方式有（按编码效率）：QPSK、16QAM、64QAM、256QAM。在信号质量不好时一般会使用低编码效率的解调方式。

编码方式和SINR之间的关系如表1所示。

1.3 单层房间用户数

以典型的宿舍楼为例，1层楼约30个房间，每个房间平均按6人间计算，1层楼累计用户为180人。

1.4 中国联通用户数

中国联通用户数=总用户数×市场占比，如中国联通用户占比为30%～60%，对应1层楼的中国联通用户为54～108。

1.5 下行业务占空比

UE在进行数据业务时，并不是一直在与服务器进行数据交互，下行业务占空比=PDCP层与服务器进行数据交互的时长/整个数据业务持续的时长。

下行业务占空比与场景（宏站与室分）、业务特点（视频与图片）有关，通过统计，中国联通整网的下行业务占空比为15%左右。

1.6 忙时用户激活率

忙时用户激活率=忙时小区覆盖区域内在做数据业务的用户数/该小区内所有的中国联通用户数。

例如：宿舍楼一层楼一个小区，中国联通用户共100个，忙时有50个用户在上网，50在睡觉，那么这个小区的的忙时用户激活率为50%。

宿舍区：根据学校用户的活跃情况，忙时用户激活率为40%～50%。

教学楼：根据学校用户行为，忙时用户激活率为30%～40%。

体育场馆：忙时用户激活率为50%左右。

2 小区单用户下载速率模型

平均单用户下载速率=（载波数×单小区吞吐率）/总用户×市场占比×下行业务占空比×忙时用户激活率。

根据不同SINR环境下小区的吞吐率，不同区域中国联通用户市场占比，以及不同场景用户激活率可计算出该小区配置下单用户下载速率如表2所示。

表2 单用户下载速率计算结果

例如：当SINR为10 dB，小区内中国联通用户数为70时，1个20 MHz LTE小区内单用户下载速率大约为12.7 Mbit/s。

3 根据单用户保障速率计算小区需求

根据上述模型，输入需要保障的单用户下载速率、中国联通市场渗透率、忙时用户激活率即可得出该楼宇需要配置多少个小区，如表3所示。

该模型为同一物理场所但不同的无线环境、用户渗透率、忙时用户激活率下，不同的目标LTE用户平均速率所需要的载波数。例如在用户渗透率为50%，忙时用户激活率为30%，小区下行吞吐率为50 Mbit/s（由无线环境决定）时，为保障单用户下行速率达到5 Mbit/s，需要建设3个20 MHz载波。

4 模型实际测算

4.1 某校宿舍区8号楼

人数：某校8号宿舍楼，单层共66个房间，每间房住6人，每层总用户数为396人。

用户渗透率：分别按30%、40%、50%、60%共4个段位进行测算。

表3 楼宇需要配置的小区数计算结果

表4 8号楼理论忙时单用户下载速率

表5 8号宿舍楼小区级指标

20 MHz小区平均吞吐率。宿舍区内部整体平均SINR分布在5～10 dB，20 MHz单小区平均吞吐率在60～80 Mbit/s；综合取70 Mbit/s。

业务占空比：选为全网的典型经验值15%。

忙时用户激活率：针对该校区，宿舍忙时用户激活率取50%（全校忙时用户激活率为45%）。

载波数：目前8号宿舍楼由4个微站小区覆盖，2个L1800 20 MHz+2个L2100 15 MHz。由于L2100小区并非严格的20 MHz LTE小区，因此8号楼整体载波数为2+2×（15/20）=3.5个，均摊到单层楼，每层小区数为3.5/6=0.58个载波。

将上述参数代入模型，结果如表4所示，计算得出理论忙时单用户下载速率为：2.27～4.54 Mbit/s。

提取现网8号宿舍楼小区级指标如表5所示。

实际忙时单用户下载速率为：2.3～4.8 Mbit/s，平均值为3.5 Mbit/s

4.2 教学楼

人数：教学办公区域，学生上课时人流量大，整栋楼可容纳用户5 000人。

用户渗透率：分别按30%、40%、50%、60%共4个段位进行测算。

20 MHz小区平均吞吐率：综合取70 Mbit/s。

业务占空比：选为全网的典型经验值15%。

忙时用户激活率：针对该校园，教学楼忙时用户激活率取40%（全校忙时用户激活率为45%）。

载波数：目前教学楼由2个宏站小区（通达微波的1小区和4小区）覆盖，1个L1800 20 MHz+1个L2100 15 MHz。由于L2100小区并非严格的20 MHz LTE小区，因此教学楼载波数为1+1×（15/20）=1.75个。将以上参数带入模型，结果如表6所示。

表6 教学楼单用户下载速率（理论值）

教学楼忙时平均单用户下载速率为：1.13～2.27 Mbit/s。

提取现网指标，该教学楼实际忙时用户下载速率为1.66～1.76 Mbit/s，平均值为1.70 Mbit/s。

5 模型测算与实际对比

模型测算和实际对比结果如表7所示，模型计算单用户下载速率与现网值较为接近。

误差影响因素分析如下。

a）用户渗透率。不同楼宇内部中国联通用户渗透率不同，有的30%，有的可能有70%。

b）SINR分布。不同楼宇小站内部、小站与宏站之间可能存在干扰，SINR越低，小区吞吐率越低，实际单用户下载速率越低。

c）用户激活率。跟学校环境、场景有关。如重点大学总体比专业技校偏小，同环境下，教学楼较宿舍区偏小。该参数根据不同学校、场景需要修正。

表7 模型测算和实际对比结果（单位：Mbit/s）

6 模型测算与实际小区规划

6.1 宿舍区8号楼

某校8号楼通过模型预测，当前小区配置下（2个L1800+2个L2100），单用户理论下载速率为2.27～4.54 Mbit/s（见表 4）。

本次该校8号楼设计方案中Lampsite规划LTE小区配置为S111111，频段为L1800 20 MHz，初期不开L1800带内10 MHz，计划室外只开L2100 15 MHz，与室内Lampsite进行异频组网，那么整栋楼载波数为：6+2×（15/20）=7.5，平均每层楼均摊7.5/6=1.25个载波，代入模型可测算出，按照当前Lampsite S111111配置，室外S11配置情况下，单用户下载速率为：4.86～9.72 Mbit/s（见表 8）。

表8 8号楼初期规划理论单用户下载速率

考虑用户体验及网络负荷，后期考虑开启带内L1800带内10 MHz，开启带内后，总载波数为7.5+3=10.5个，单层楼均摊载波数：10.5/6=1.75，代入模型测算出，单用户下载速率为：6.81～13.61 Mbit/s，根据最低的保障用户速率可进行灵活调整（见表9）。

6.2 教学楼

表9 8号楼后期规划理论单用户下载速率

该校教学楼通过模型预测，当前小区配置下（1个L1800+1个L2100），单用户理论下载速率为1.13～2.27 Mbit/s（见表5）。

本次教学楼设计方案中Lampsite规划LTE小区配置为S1111，频段为L1800 20 MHz，初期不开L1800带内10 MHz，与室外宏站进行异频组网，那么整栋楼载波数为：4+1×（15/20）=4.75，代入模型可测算出，按照当前Lampsite S1111配置，单用户下载速率为：3.08～6.16 Mbit/s（见表10）。

表10 教学楼初期规划理论单用户下载速率

由于该教学楼容纳学生数多，考虑用户体验及网络负荷，后期考虑从S111扩容至S11111111，扩容后总载波数为8.75个，代入模型测算出，单用户下载速为：5.67～11.34 Mbit/s，根据最低的保障用户速率可进行灵活调整（见表11）。

为做到频率资源利用率最大化，干扰最小化，宏站、微站、Lampsite的频谱规划按以下原则进行配置。

a）室内Lampsite优先开L1800 20 MHz，初期不开带内，小区优先级调高。

b）室外优先开L2100 15 MHz，可与室内Lampsite进行异频组网。

表11 教学楼后期规划理论单用户下载速率

c）宏站主要承载U2100 3G语音，覆盖校园内部的小区，根据室内负荷情况开L1800 10 MHz，争取与室内L1800 20 MHz互不干扰。

7 结束语

本文依托现网大数据分析和多重理论公式推导，从流量价值和用户价值2个方面进行考量，构建一种校园LTE容量研究方法体系。根据现网实际情况，对校园用户感知速率建模，并将理论值与实际值进行比对，结果吻合。根据上述模型，输入需要保障的单用户下载速率、中国联通市场渗透率、忙时用户激活率即可得出该楼宇需规划载波数，为LTE容量规划提供一种新思路。