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WCDMA网络无线资源利用率分析828

WCDMA网络无线资源利用率分析

摘要：

WCDMA容量增长、负荷增加，直接反映就是各种资源利用率上升、甚至出现拥塞。

本文从多业务情况下如何进行业务量合并、如何确定综合忙时入手，确定分析数据的提取时段，并从基站、RNC两个层面介绍资源利用率的分析方法、解决手段，为WCDMA网络容量分析提供一定指导作用。

关键词：

多业务折算、综合忙时、资源利用率、拥塞、扩容

1、研究目的

在网络规划和工程设计中，需要根据市场提出的容量需求，分析目前无线系统的多种资源利用情况等，综合判断网络是否能满足需求，然后根据需求规划新建基站、扩容已有基站（基站数量、载波数量、CE资源）等，从而完成容量规划。

对于提供单一话音业务为主的网络（如GSM网络），可以简单地认为单个基站提供的话音信道数是不变的。

在给定呼损率的情况下，查Erlang表就可以得出单扇区在这一呼损率下可以提供的Erlang数。

这样可以用目前承载话务除以单扇区可提供的话务，得到无线资源利用率，进而判断现有网络的承载能力。

WCDMA网络是多业务并存的网络，对小区容量的估算不能简单地用纯语音业务来估算。

不同业务的业务速率、所需的Eb/No、对空口资源的消耗均不同，对系统的影响也不相同。

基于WCDMA的多业务特性以及进行容量分析的需求，以下几个问题不可回避：

（1）如何将多业务折算为单一业务进行容量分析；

（2）多业务折算后，WCDMA网络存在语音忙时、数据忙时、综合忙时，分析资源利用率时采用哪个忙时；

（3）对WCDMA网的多种资源利用率如何进行分析，如何评判资源利用率的合理性；

（4）资源利用率扩容门限如何取定。

下面就针对上述四个问题展开研究。

2、多业务折算方法探讨

2.1、多业务折算的思路

多业务折算通常分为以下几个步骤：

Ø确定各种业务中，最主要的受限资源；

Ø确定单位资源下能支持的业务量；

Ø极限情况下，全部资源支持的单业务量；

Ø以某一业务为参照，确定折算系数。

主要计算过程见表2.1。

表2.1多业务折算计算过程表

项目

业务1

业务2

业务3

业务4

业务n

计算方法

忙时业务量

忙时资源消耗情况

单位资源支持的业务量

a/b

最大资源

单业务情况下极限容量

d*c

折算系数

f1/f2

f1/f3

f1/f4

f1/fn

以业务1为参照

2.2、基于功率的WCDMA折算方法

（1）折算方法

上面介绍了多业务折算的思路，对于WCDMA系统，考虑到承载的业务以中高速数据业务为主，下行负荷通常数倍于上行，下行功率资源通常首先受限，因此采用以占用下行发射功率相等为原则、以HSDPA业务为参照，得出折算系数。

经过系统仿真和计算，各种业务的折算系数如表2.2所示。

表2.2各种业务折算系数表

项目

单位

PS384

PS128

PS64

CS64

CS12.2

HSDPA

说明

（1）速率

Kbps/Erl

384

128

（2）每承载平均需要功率

2.91

0.98

0.53

0.6

0.18

实测值

（3）每瓦功率支持的速率或话务量（含软切换）

Kbps/Erl

132.1

130

120.3

1.7

5.6

（3）=

（1）/

（2）

（4）软切换比例

％

20%

30%

40%

30%

40%

（5）每瓦功率支持的速率或话务量（不含软切换）

Kbps/Erl

110.1

100

85.9

1.3

215.03

（5）=（3）/（1+（4））

（6）单业务情况下单载扇容量

Kbps/Erl

1321

1200

1031

2580.31

最大可使用功率按12W计。

（12*（5））

（7）折算系数

1.95

2.15

2.5

166.74

53.7

HSDPA（7）/其它业务（7）

通过折算系数，就可以将各种业务换算成统一的容量标准（即HSDPA标准），语音折算系数取定为53.7。

经过统计，目前数据业务95%以上承载在HSDPA上，所以通常计算R99数据业务可不考虑折算。

（2）外场测试验证

下面通过外场测试数据验证语音折算系数是否合理。

在小区的近点，可以发现数据业务吞吐率与下行功率存在线性关系，具体如下：

图2.1小区发射功率增量与吞吐量拟合关系图

通过测试分析，发现在不同上行ROT加载和不同用户情况下，下行功率与总的数据业务下行吞吐率之间有着良好的线性关系，通过研究发现每500kbps对应的功率消耗约为2.25~5.5%。

同时，语音业务接入后与功率的关系如下：

图2.2小区发射功率增量与语音业务拟合关系图

可以看出，语音与下行功率基本呈现非常好的线性关系，由于语音作为实时业务，业务速率固定，因此相应功率消耗较为固定，单用户在远点功率消耗值约为：

0.3%。

从上述两项测试结果可得出，单用户连续通话1小时产生1Erl话务量与50kbps下载1小时对功率的消耗基本相当，所以通过测试比对得出的折算系数为50kbps，与前面分析结果基本一致。

在后续分析中，为方便计算，语音折算系数取定为50kbps/Erl。

3、忙时定义及应用

容量分析过程中，经常会涉及到忙时概念，“忙时”，顾名思义就是最忙时段，对最忙时段的资源利用情况进行分析，能够保证网络配置满足需求，全天24个时段，哪个为最忙时段需要进一步统计、分析。

根据划分标准的不同，存在不同的忙时定义：

（1）以颗粒度划分，可分为：

整网忙时、区域（分场景）忙时、小区忙时。

1）整网忙时分析

整网分析一般是以业务区为单位、也可以是以MSC或者RNC管辖区域为单位进行分析，主要是为后续整网话务分析、RNC、MGW容量配置、网络测试时间段的取定等提供依据。

2）区域忙时分析

主要是针对场景划分。

考虑到不同功能区域用户构成、行为习惯存在差异性，导致不同场景下话音忙时、数据忙时与整网存在差异。

通过分析得出各场景忙时，在做容量分析、配置时，就可以充分考虑不同场景的特殊性。

图3.1不同场景语音、数据忙时分析图

3）小区忙时分析

从下图可以看出，不同小区忙时并不是完全一致，与其覆盖区域的功能特性有关系，找出小区真正忙时，这样才能对小区资源利用率、目前负荷情况进行准确分析，及时扩容。

图3.2小区忙时分布图

（2）以业务进行划分，可分为：

语音忙时、数据忙时、综合忙时。

对于WCDMA这种多业务网络，不能单单分析某一种业务的忙时，这样不全面、也不能准确反映网络资源的真实使用情况，这样就引入综合忙时的概念，就是通过前面的折算方法，将多业务合并，找出综合忙时进行分析。

图3.3业务量变化趋势图

上图为某地市0~23时，语音、数据、综合业务量变化趋势图。

从图中可看出：

三种业务在24个时段变化趋势各不相同，语音忙时为上午10点、数据忙时为晚上10点、综合忙时在上午10点、晚上22点出现两个峰值，但晚上22点稍大。

由于数据业务对资源消耗要远大于语音，所以可判断随着数据业务量的逐步加大，综合忙时将与数据忙时趋同。

图3.4业务量、资源利用率变化趋势图

从上图可看出，综合业务量、数据业务量、资源利用率变化趋势基本一致，业务量最大时，资源利用率也基本处于峰值，这也说明取综合忙时或数据忙时对应利用率进行分析，基本能反应小区的真实负荷。

这也回答了研究目的中提出的第二个问题，容量分析要采用综合忙时。

4、WCDMA容量分析方法

WCDMA容量分析，提取原始话统数据后首先要对多业务量进行折算、合并，然后根据折算后业务量找到真正的业务忙时，为后续分析提供数据支撑，这也是前面两节介绍的内容。

容量增长导致网络负荷增加，直接反映就是各种资源利用率上升、甚至出现拥塞，所以容量分析其实就是资源利用情况的分析。

下面就针对综合忙时对应的业务量、各种资源利用率介绍分析方法、解决方法并确定扩容门限，主要从基站、RNC两个层面进行介绍。

4.1、基站容量分析方法

对基站进行容量分析，主要是依据小区级数据，涉及到资源包括：

license资源、CE资源、码资源、功率资源、传输资源等，下面进行详细介绍。

4.1.1、各种资源利用定义

（1）license资源利用率

license资源主要包括两种指标：

HSPA同时调度用户数（初始配置为32）、HS码资源（宏站初始配置为10）

license资源利用率定义：

Ø忙时HSPA平均同时用户数/HSPA同时调度用户数

Ø忙时HS码字平均占用数/HS码资源配置数

（2）CE资源利用率

CE指信道单元，是基带处理板的一个逻辑单元。

CE资源属于整个基站，不同扇区共享CE资源。

不同业务上下行均需占用CE资源（HSDPA不占用CE资源），但占用数量不同。

同样承载，上行占用要大于下行，所以CE资源基本是上行受限。

CE资源利用率主要指业务态时对CE资源的占用情况，以站为单位，分为上下行两种，分别定义为：

Ø上（下）行CE资源利用率=上（下）忙时使用的CE数/上（下）行系统配置数

（3）码资源利用率

WCDMA使用正交可变扩频因子（OVSF）进行扩频，扩频码就是一系列的码片，扩频因子即SF（SpreadingFactor），可使用的码字是SF为4~512的码字，SF越小支持的数据速率越高。

WCDMA下行每个载扇都有256个正交码，每个信道都会占用1个或多个正交码，当正交码全部被使用后，该小区将无法建立新的业务。

正交码资源与软硬件无关，当出现拥塞时，只能通过分裂该载扇（如增加载频）来提升正交码资源。

码资源利用率统计以载扇为单位，分为：

R99码资源利用率、码资源利用率两种。

ØR99码资源利用率=R99业务占用码资源/（256-公共信道占用码资源-HSPA占用码资源）

Ø码资源利用率=码树占用情况（归一化为SF=256）/256

（4）功率资源利用率

功率资源是指各种业务所能使用的最大功率，主要包括R99CS、R99PS、HSPA业务，公共信道所占用功率是预先设置、固定的。

功率资源利用率以载扇为单位，同样分为R99功率资源利用率、功率资源利用率两种。

ØR99功率资源利用率=R99业务使用功率/小区总功率

Ø功率资源利用率=所有业务使用功率/小区总功率

（5）传输资源利用率

传输资源主要指WCDMA网络中不同接口配置的链路带宽，在这里重点讨论Iub接口用户面的利用率。

ØIub用户面利用率=忙时用户面的数据流量/用户面的配置带宽

4.1.2、资源利用率分析方法

资源利用率的分析方法基本一致，主要有：

分阈值分析、TOPN分析、能效分析、RAB拥塞分析、扩容门限分析，下面进行详细介绍。

（1）分阈值分析：

这个是常规分析方法，就是将利用率、拥塞率值分段统计，主要是看利用率总体分布情况，一定程度上反应网络整体负荷。

下面是一个统计实例，可看出该网络整体负荷较低、上行CE利用率均值在20%上下。

图4.1宏站忙时上行CE利用率分布图

（2）TOPN分析：

TOPN分析主要是找出在一定区域内最高或最低的N个小区，在后续制定容量方案时重点考虑。

需要说明的是，该分析方法适用于比较单一的覆盖场景，如果涵盖场景较多，如包括城区、郊区、农村等，也就失去比较的意义。

与TOPN分析思路一致的分析方法还有均值法、定位法。

1）均值法

对区域内所有小区资源利用率取均值，找出利用率高于或低于均值20%（可人为设定）的小区，进行分析。

2）定位法

将资源利用率、拥塞率等信息地理化呈现，从地图上判断以下问题：

a）与相邻小区相比，明显异常的小区；

b）异常小区在地理上有无聚集的现象。

（3）能效分析：

能效分析主要是考量小区资源使用效率情况。

将业务量与资源利用率结合起来分析，主要是考量在同等业务量下，各种资源利用率是否合理，是否与业务量有不匹配的现象，就是利用率虚高现象。

表4.1码资源利用率分布表

区间

10%~20%

20%~30%

30%~40%

40%~50%

50%~60%

60%~70%

70%~80%

80%~100%

数量

104

上表为综合业务量在10~20时，码资源利用率的分布情况。

可看出70%的利用率分布在40%~60%之间，对不在这个区间的小区，在分析时就应重点关注，是否存在资源分配不合理的问题。

能效分析就是针对上面这种现象，基于统计理论，对大量业务量、资源利用率数据进行统计分析，找出某一业务量下对应利用率的均值，对利用率大于均值20%（该数值可根据实际情况调整）以上的小区，可认为是低能效小区。

对该部分小区要重点分析，优先采用优化手段解决。

图4.2码资源利用率、业务量散点图

为简化分析难度，分析时也可将业务量替换为无线资源利用率（网优平台可取得该参数），将两个利用率相减，定义差值门限，将差值大于门限的即可认为是能效异常小区。

无线资源利用率=（语音业务量+数据业务量*重传系数+信令开销）/网络能够提供业务能力

（4）RAB拥塞分析：

RAB拥塞，包括上述各种资源的拥塞，分析的内容包括小区、资源两个层面：

Ø找出高拥塞小区

Ø造成RAB拥塞的主要原因

表4.2拥塞率区间分布表

拥塞率分布

0~2%

2%~5%

5%~10%

10%~20%

20%~50%

50%~100%

合计

小区数

8372

8431

占比

99.30%

0.42%

0.12%

0.11%

0.02%

0.04%

100.00%

上表为拥塞小区分布，从表中数值可看出，整网拥塞小区较少，重点关注0.7%的拥塞率大于2%的小区。

表4.3拥塞原因分布表

拥塞原因

码资源拥塞

上行CE拥塞

下行CE拥塞

功率拥塞

Iub拥塞

合计

次数

52523

24014

824

373

113152

190886

占比

27.52%

12.58%

0.43%

0.20%

59.28%

100.00%

上表为拥塞原因的分析，整网忙时发生拥塞次数为190886次，排在前两位的为Iub拥塞、码资源拥塞，占总拥塞次数的87%，要重点关注。

表4.4拥塞率≥2%小区拥塞原因分布表

拥塞原因

码资源拥塞

上行CE拥塞

下行CE拥塞

功率拥塞

Iub拥塞

合计

次数

50986

16949

805

179

111001

179920

占比

28.34%

9.42%

0.45%

0.10%

61.69%

100.00%

上表对拥塞率≥2%的小区进行单独分析，0.7%的小区，忙时产生拥塞次数的占比达到94%，拥塞原因排在前两位同样为为Iub拥塞、码资源拥塞。

（4）扩容门限分析：

扩容门限分析不能算作资源利用率分析的方法，但对资源利用率的分析，最终肯定要有一个门限值，作为是否扩容的评判，所以下面对扩容门限的取定进行介绍。

扩容门限的取定一般有三种途径：

Ø常规取定，一般取70%

Ø厂家建议

Ø统计分析，在可接受的无线环境、拥塞率的基础上，利用率可达到的最大值。

下面按照第三种方法的思路，举例说明CE资源利用率的扩容门限取定方法。

图4.3CE资源利用率、拥塞率散点图

表4.4CE资源利用率、拥塞率对照表

区间

0~10%

10%~

20%

20%~

30%

30%~

40%

40%~

50%

50%~

60%

60%~

70%

70%~

80%

80%~

100%

合计

小区数量

6647

1452

1001

519

316

178

133

113

10359

拥塞率>2%的数量

247

占比（%）

0.00

0.84

0.48

1.10

2.70

5.06

13.48

43.61

53.98

2.38

结合图、表可看出，该网络当资源利用率超过60%时，拥塞率大于2%的小区占比超过10%，建议扩容门限定义在50%~60%之间。

4.1.3、解决方法

（1）license资源

Ølicense资源扩容门限一般取定为70%；

ØHSPA同时调度用户数（初始配置为32）最大可扩到96；

ØHS码资源（宏站初始配置为10），最大可扩到15，室分站初始配置即为15，不能扩license。

（2）CE资源

CE资源率高有多种解决办法，主要如下：

Ø扩lisence

Ø扩CE板卡

Ø基站间调配

Ø扩载波

上述方法适用于不同的场景，下面举例说明。

表4.1爱立信部分站型CE硬软件配置统计表

爱立信

上行

上行处理板:

上行

下行

下行处理板:

下行

站型

CELicense

RAX

CE硬件数

CELicense

CE硬件数

室外S11高

160

256

384

室外S11中

128

384

室外S11低

128

384

室外S111高

240

256

144

384

室外S111中

144

256

384

室外S111低

112

128

384

从上表可看出，对于每种站型均有CE硬件数、License数两种指标，硬件数量要大于License数量。

该站型最大可使用CE数量与License数量一致，需要扩CE资源时，分为两种情况：

Ø扩License数量，最大可与硬件配置数量相当（室外S111高、室外S111低基本无扩容空间）；

Ø当第一种方法不满足要求时，可同时扩硬、软件数量，比如从中配扩到高配。

上面案例介绍了扩License、扩硬件的解决方法。

基站间调配方法与这两种方法思路一致，不同的是后者资源来自其它基站、不需从厂家购买。

对于最后一种扩载波方式，适用于多种资源均不足时采取的手段。

（3）码资源

1）优化调整

通过优化调整，降低码资源利用率主要有以下手段：

Ø限制R99128、384等高速率业务的接入，这些业务对码资源都消耗极大；

Ø减少小区允许配置的HS-PDSCH数量；

Ø如果是多载波可调整载波间业务分配策略。

前两种方法都会降低用户感知，一般不建议使用，下面简单介绍一下第三种方法。

下面是不同策略下码资源利用率对比图：

图负荷分担码资源利用率分布区间图

图业务分担码资源利用率分布区间图

从上图可得出如下结论：

Ø采用业务分担，由于数据业务对资源占用比较多，所以二载波码资源利用率要高于负荷分担；

Ø将业务分担调整为负荷分担，可降低二载波码资源利用率。

2）扩载波

如果通过优化调整无法解决，可采用扩载波的方式。

（4）功率资源

对功率资源过高解决的方法，同样可通过优化调整、扩载波，与码资源一样，这里不再赘述。

解决功率资源利用率过高的问题，还可以通过功率提升方式，该方式属于软扩容，在厂家硬件支持情况下提高功放功率等级，目前一般最高可提高到80W。

该方式一般不建议在城区等基站密度高的区域使用。

（5）传输资源

目前绝大部基站的传输采用E1+IP（通过MSTPE1绑定成IP）的方式，当E1数量不足或IP绑定E1带宽不够，会造成平均传输资源利用率过高甚至传输拥塞的现象。

对于传输资源利用率过高问题，唯一解决办法就是提高传输配置。

4.2、RNC扩容分析方法

对RNC进行扩容分析，首先要对RNC现网配置、管辖的基站和载扇数量、管辖区域进行充分了解，其次要了解RNC受限因素及门限，最后对RNC各受限因素进行分析，并根据工程建设规模、业务预测，综合考虑RNC设置原则，最终形成扩容方案。

4.2.1、现网RNC配置及管辖范围分析

（1）现网RNC配置分析

通过对现网各RNC的设备厂家、管辖基站数、载扇数、软硬件容量、机柜配置以及管辖区域等的调研统计，初步了解现有RNC的网络支持能力，为扩容方案提供最基本的依据。

（2）现网RNC管辖范围分析

RNC的管辖范围可根据从属于该RNC的小区的覆盖范围来确定。

由于每一小区的覆盖范围通过网络规划已经确定，当确定各个小区从属于的RNC后，该RNC区的覆盖范围也就确定了。

4.2.2、RNC系统主要受限条件分析

（1）管理基站受限分析

1）管理基站门限

RNC带站、带载扇能力受限于Iub接口硬件处理能力，不同的Iub接口硬件处理能力所支持的基站数和载扇数不同。

另外，RNC设备厂家和配置不同，对现网基站和载扇的管理能力有差异。

例如爱立信RNC3820单机柜配置最大管理768个基站和2304个载扇，而中兴ZXWRRNC单机柜配置最大管理240个基站和720个载扇。

综合考虑网络安全、RNC系统能力以及运行经验，建议RNC管理的基站数量及载扇数量应保持在合理的水平。

通常考虑30%的余量，使RNC带站负荷不超过70%。

下面列举几种RNC设备的基站管理能力及安全门限。

厂家

设备型号

配置

基站管理能力

安全门限（考虑30%余量）

管理基站数

管理载扇数

管理基站数

管理载扇数

爱立信

RNC3820

单机柜配置

768

2304

538

1613

RNC3810

单机柜配置

768

2304

538

1613

中兴

ZXWRRNC

单机柜配置

240

720

168

504

ZXWRRNC

双机柜配置

1080

3240

756

2268

ZXWRRNC

满配置机柜

1920

5760

1344

4032

华为

RNC6810

单机柜配置

800

2400

560

1680

双机柜配置

1700

5100

1190

3570

诺西

RNCIPA

单机柜配置

1440

1008

双机柜配置

2800

1960

满配置机柜

2800

1960

贝尔

9370RNC

单机柜配置

4800

3360

单机框配置

2400

1680

2）基站受限分析

分析现网RNC管理基站受限情况，首先要根据现网各RNC管理的基站数和载扇数、RNC管辖范围等信息，在不新增RNC情况下，预测建设完成后各RNC下挂的基站数和载扇数；其次要结合现网RNC设备配置情况计算出RNC管理基站负荷及RNC管理载扇负荷（RNC管理基站负荷=建设完成后RNC管辖基站数/RNC基站管理能力；RNC管理载扇负荷=建设完成后RNC管辖载扇数/RNC载扇管理能力）。

最后根据

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