李得鹏

【摘 要】对LTE网络空中接口进行研究，从空中接口资源、空中接口信号质量等方面探索，分析影响网络速率下降的原因，并提出相应的优化建议。

【关键词】空中接口 网络速率 空口资源 空口信号质量

[Abstract] The network optimization of LTE network data service is an important work in 4G mobile wireless network， and the network rate is the most direct factor that affects the users perception.There are many factors affecting the LTE network speed， and the most important reason is the quality of air interface. Based on the research of the air interface of LTE network， this paper analyzes the air interface resources and the quality of air interface signal， analyzes the reasons for the decline of network speed， and puts forward some corresponding optimization suggestions.

[Key words]LTE Air interface Network Speed

1 引言

虽然LTE网络建设正在加速和逐步完善，VoLTE渐行渐近但尚未正式商用，LTE现网语音业务还是以回落到2G/3G网络的方案进行解决，提供的只有数据业务，则网络速率的快慢成为影响客户感知最直接的因素，从而LTE网络优化的工作重点之一即为小区低速率原因的定位和解决。在影响LTE速率的各方面因素之中，空中接口因素最为重要和复杂。

移动网络的无线环境复杂多变，如小区配置变更或硬件故障导致网内干扰，建筑物的拆建导致越区覆盖以及外网无线设备引起的干扰等，都会影响网络质量，这也为LTE网络优化带来复杂的变数。本文从影响LTE网络速率的各方面原因着手，提出相应的定位流程，而后对其中的无线空中接口质量进行重点研究，主要涉及空中接口资源和信号质量等方面因素，对影响网络速率的成因进行定位、分析，并提出相应的优化解决思路。

2 LTE网络低速率问题定位

要优化LTE网络低速率的问题，有两个关键点：一是如何定位出异常低率小区，二是如何定位出低速率产生的原因[1]。影响LTE网络速率的因素是多方面的，通过质量指标统计或测试查找出低速率小区后，需要对此类小区问题成因进行定位和分析。在各种低速率成因定位方式当中，比较成熟和实用的有灌包定位法。

灌包定位就是数据灌包，分为UDP数据灌包和TCP数据灌包。在数据通信协议当中，TCP基于连接，而UDP基于无连接[2]。由UDP协议当中不进行数据校验、不进行超时数据重传的特点可見，在应用中基于UDP协议的数据传输速率是明显高于TCP协议数据传送的。所以出现速率不达标情况时，可先进行UDP上下行灌包，检查UDP上下行流量可否达到峰值，如UDP流量无法达到峰值，TCP流量同样较难达到峰值。优先进行UDP速率不达标定位排查，如UDP灌包正常，则接着进行TCP灌包查看下载情况，如不能达标方进入TCP数据传送分析定位流程，定位流程图如图1所示：

3 空中接口对速率的影响

经过以上流程分析，可见影响LTE网络速率的因素主要集中在内容服务器、无线网络硬件设备、传输设备、用户终端和无线空中接口等方面。其中空中接口是较为主要且复杂的因素，下面通过对空中接口涉及的问题进行分析，定位导致网络速率异常的原因，并给出解决建议。空中接口问题主要涉及有空中接口资源、空中接口信号质量等，空口对速率影响的分析思路如图2所示：

3.1 空口资源对速率的影响

空口资源指的是移动通信系统当中，在无线基站与终端间的空中接口上传送的时频或时码资源，即无线资源。在LTE系统当中无线资源指的是时频资源，调度的资源从HSPA系统的时码变成时频[3]。

LTE空口资源调度分为上下行调度，基站掌控上下行资源调度，终端只是参与调度过程。下行资源调度，在1 ms的调度周期当中，eNodeB接收到终端发送的调度请求（SR，Scheduling Request）和信道质量指示（CQI）后，将服务小区的可用资源（即PDSCH资源）、功率资源信息、终端接收能力、上次调度情况等信息输入调度器，而后通过PDCCH信道发送生成的调度信息给终端，并在相应的PDSCH信道发送下行数据。终端通过监听PDCCH信道得到相应的调度信息，开始在PDSCH信道进行数据接收。上行资源调度，在初始接入时，UE在PUCCH发送SR（调度请求），用来请求少量数据的上行资源调度[4]。基站收到终端发送的SR后，分配出PUSCH信道和分配信息，通过PDCCH信道下发，而终端根据收到的分配信息，使用分配出来的PUSCH信道上报其缓冲区当中准备上传的数据量（即缓冲区状态报告，Buffer State Report）。

在定位网络速率异常时，首先结合以上LTE资源调度机制和实际网络参数配置，通过后台系统查看分析空口资源当中的各信道资源配置情况。如现网LTE FDD使用20 M的频率带宽，即有100个RB，每个调度块时长为1 ms，则每秒满调次数为1000次（此为理论值，去除开销后稍低），在RB资源一定的情况下，链接数量越多，每个UE调度次数随之下降，即速率也将随之下降。LTE对RB的调度没有拥塞的概念，但当后台统计的RB利用率达到80%以上时，伴随的后台统计出现感知低速率比例过高，现场实测速率过低。当然，虽空口资源不足会降低网络速率，但由于大多数的用户应用并不需要高速率，所以RB资源利用率过高不一定需要扩容。但若同时出现用户投诉或统计感知低速率比例超过经验阀值，则需进行扩容、话务分担或建站来解决问题。

3.2 空口信号质量对速率的影响

在空中资源一定的情况下，排除资源利用率过高的情况后，影响网络速率的主要原因就是空中接口的信号质量。下面通过分析LTE调度流程，定位影响空中接口质量的主要因素。在LTE的调度当中，主导的是eNodeB，UE主要是参与，主要流程如下：

首先，UE申請接入时，UE先测量并上报相应的CQI。LTE规范中没有明确定义CQI的测量方式，一般为在保证PDSCH的解码错误率（即BLER）小于10%时所使用的CQI值。也就是说，UE需要根据测量结果（比如RS-SINR，参考信号信噪干比，即参考信号质量）评估下行链路特性，并采用内部算法确定此SINR条件下所能获取的BLER值，并根据BLER<10%的限制，上报对应的CQI值[5]。从表1可见CQI取值0～15所对应的调制方式、编码率和调制效率。根据图2所示流程可知，UE在此过程当中，通过上报CQI序号告知eNodeB在满足BLER<10%的情况下，UE可支持的调制方式、编码率和调制效率。

eNode收到UE上报的CQI后，eNodeB需选择MCS下发给UE。但eNodeB选择调制阶数（modulation order）和TB size时，会保证对应的编码率（code rate）尽可能地接近UE上报CQI index指示的编码率。如果有多个“调制阶数和TB Size的组合”对应的码率同样接近CQI index指示的码率，则eNodeB会选择TB size最小的那个组合[6]。此处，码率与TB Size、调制阶数的关系可由公式（1）体现：

码率=传输块信息比特数量（TBS）÷物理信道总比特数量

=传输块信息比特数量÷（物理信道总符号数量×调制阶数）

=效率÷调制阶数 （1）

由以上流程可知，eNodeB自UE上报的CQI得知其可支持的调制方式和码率后，并未依据CQI下发调度信息，而是参考自CQI得知UE支持的码率，按调制阶数和TBS的组合对应接近的码率，查表后选择相应的MCS分配调度信息给终端。

基站和UE之间数据传送的码率将直接影响网络速率，综上所述可知，UE上报其能支持的码率在调度过程当中很重要。UE上报的码率等信息包含在CQI当中，CQI主要根据测量RS-SINR后进行测算得到。但需注意的是RS-SINR是过程指标，影响RS-SINR的因素有参考信号强度RSRP、噪声功率和干扰功率。另外，干扰的存在会影响BLER误码率，在外环功率控制当中动态调整MCS也将影响到网络速率。

（1）参考信号强度

参考信号强度RSRP是LTE网络覆盖指标[7]，主要用于评估网络信号覆盖情况，但其也是RS-SINR值的组成，在噪声和干扰功率一定的情况，RS-SINR和RSRP的关系可参考公式（2）：

（2）

其中，N代表噪声功率，I代表干扰功率。有公式可知决定RS-SINR的是参考信号强度RSRP，因为RSRP取决于基站覆盖，在网络建设保持稳定的情况下，实际网络当中主要发生变化的还是干扰，即干扰才是影响RS-SINR的主要因素。

（2）干扰和噪声

在公式（2）当中，如RSRP高N值10 dBm以上，N值可忽略不计。N值为接收机接收到的噪声，一般在-125 dBm左右（详见下文的计算）。现网LTE基站分布较密，正常情况下RSRP高于-115 dBm，即公式可简化为RS-SINR=RSRP/I。即干扰与RSRP一样成为影响空口质量的因素，且RSRP主要取决于站点覆盖，在未新增站点或无扇区覆盖区域变化的情况下，干扰成为影响空口质量的主要原因。

N值计算过程：

N=Nrs+Nf （3）

其中Nrs为热噪声功率，Nf为设备噪声功率，终端和设备噪声功率为7 dBm左右。而Nrs可以由公式“Nrs=K×T×B”得到，K=1.38×10-23 J/K，T代表内阻的绝对温度，一般取16.85 ℃也就是290K（开尔文）[8]，B为带宽。在LTE使用20 MHz带宽时，设备也即载波的热噪声为：

Nrs=1.381.38×10-23×290×20×103

=8.004×10-14 W （4）

每子载波热噪声（20M带宽时有1200个子载波）为：

Nrs=8.004×10-14 W÷1200

=6.67×10-17 W

=10×lg6.67×10-14mW

=-131.9 dBm （4）

N=Nrs+Nf=-131.9+7=-124.9 dBm≈-125 dBm

（5）

要改善网络质量以提升网络速率，需解决干扰问题。要想解决干扰，首先就是要发现干扰[9]。对于受干扰小区的定位发现，可以通过周期统计小区上行RSSI进行判断，重点对≥-105 dBm且频繁出现干扰的小区进行排查。现网常见的网内干扰主要为过覆盖的基站引起的同频干扰和GPS故障等。因为现基站选址建设同址的情况较为常见，同时由于站址楼面或塔面空间资源有限，各家运营商的站点天线经常安装在一个相对狭小的空间之内，所以网间干扰主要来自2G基站。

另外，在现场测试时，对速率异常小区可查看邻区相关指标，要求邻区信号要低于服务小区信号10 dBm以上，否则可认为存在邻区干扰。

干扰源的查找重点：优先对站点或周边2G基站的天线近距对打、同址站点天线水平和垂直隔离度不足等引起的杂散干扰进行分析。

（3）误码率（BLER）

网络当中误码率的产生主要来自干扰，站点传输质量和设备故障也会导致误码率的上升。误码率对网络速率的影响体现在外环功率控制当中对MCS门限进行调整，从而影响到MCS取值。不同的MCS对应的是不同的数据传送调制编码方式，从而实现对速率的动态调整。

UE在计算CQI时BLER的目标值是10%，为及时获取最优的MCS，eNodeB会通过外环功率控制调整上报的CQI，对MCS门限值进行动态调整使BLER向目标值收敛。外环功率控制的基本思想是通过ACK/NACK译码结果来调整MCS，其中提高或降低MCS门限的步长由BLER决定：

在某个时刻给UE记一个调整值，表示为T，初始值为0，当收到ACK时，T=T-△Down，当收到NACK时，T=T+△Up，其中△Down和△Up满足公式（6）：

（6）

令△Up=K×△Down，则：

（7）

在LTE系统当中对数据信道要求BLER不超过10%，BLER为10%时，K=9。在调整MCS门限时，上调步长是下调频长的9倍[10]。注意，调整的是MCS门限而不是MCS值，门限值上升意味着将会选择低阶调制编码方式，门限值上升意味着将选择高阶调制编码方式，且对MCS门限值调整的思路快升慢降。由此可见，误码率BLER也是影响网络速率的重要因素，若为网络质量不理想的情况下影响更为明显。

4 结束语

数据业务作为LTE现网中唯一的业务，其速率成为LTE网络体验竞争中的最大影響因素。本文结合日常工作实践，通过对LTE网络空中接口进行研究，从空中接口资源、空中接口信号质量等方面探讨，分析影响网络速率下降的原因，并提出了相应的优化解决建议。

参考文献：

[1] 徐霖洲，孔令兴，卿春. LTE网络速率瓶颈快速定位系统的设计[J]. 移动通信， 2016，40（11）： 78-83.

[2] 赵毅. 剖析TCP和UDP协议[J]. 安顺学院学报， 2008（4）： 94.

[3] 孙宇彤. LTE教程：机制与流程[M]. 北京： 电子工业出版社， 2015： 64.

[4] 吕雪峰，王治国. 影响TD-LTE速率的原因探讨[J]. 山东通信技术， 2013，33（2）： 1.

[5] 梁晓洪. LTE系统CQI上报机制及作用分析[J]. 中国新通信， 2014（11）： 40.

[6] 温金辉. 深入理解LTE-A[EB/OL]. （2016-01-08）. http：//download.csdn.net/download/zhouxulong66/9396330.

[7] 孙宇彤. LTE教程：结构与实施[M].北京： 电子工业出版社， 2014： 51.

[8] 孙宇彤. LTE教程：原理与实现[M]. 北京： 电子工业出版社， 2014： 65.

[9] 朱斌. 基于实际网络的TD-LTE干扰定位及处理办法[J]. 移动通信， 2016，40（4）： 5.

[10] 赵先明，张建国，郝瑞晶，等. HSPA+无线网络性能与实践[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2011： 55.