WCDMA网络HSDPA速率低的优化

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本文摘自《移动通信》2013年3期。作者：   刘丽娴 樊学宝

【摘 要】在WCDMA网络中，HSDPA的性能指标直接影响着用户对3G网络数据服务的直观感知度和满意度。首先简述了HSDPA数据传输业务的基本流程；然后通过将整个流程分成终端设备和数据服务器部分、无线网络RAN部分、核心网部分这三个部分，对造成HSDPA速率低可能存在的问题进行分析并提出优化思路；最后以实际优化案例对优化思路进一步加以验证说明。
　　【关键词】WCDMA HSDPA 数据传输 优化
　　1 前言
　　随着无线网络的高速发展和人们需求的不断增长，数据业务成为了人们生活中不可或缺的一部分，为了更好地满足人们对数据业务的日益需求，HSDPA作为WCDMA网络中提高下行数据业务吞吐率的关键性技术在R5版本中被引入。
　　HSDPA即高速下行分组接入技术，是WCDMA网络的增强型技术，它在同样5MHz的带宽下，下行数据速率最高可以达到14.4Mbps，这大大地提高了系统的吞吐率，降低了数据的延迟。同时，HSDPA技术还使得更多用户能够同时享受高速数据业务，从而使现有频段应用更加充分，降低了网络的建设成本。另外，HSDPA不仅能有效地支持非实时业务，同样可以用于支持实时业务，还可以支持高速不对称数据服务。由此可见，HSDPA的性能指标直接影响着用户对WCDMA网络数据服务的直观感知度和满意度，对HSDPA性能指标的优化在整个WCDMA网络的优化中占有非常重要的地位。
　　2 WCDMA网络HSDPA数据传输的流程
　　数据的传输是一个端到端的过程，从便携手提到无线上网卡或UE，经过Uu空中接口、Node B、Iub接口、RNC、Iu接口、SGSN、Gn接口、GGSN、Gi接口、传输网络最后到服务器。在整个过程中，所涉及到的网元、接口的任何一个环节如果存在问题，都会影响到数据的传输，其表现为数据速率低或者数据速率不稳定，导致数据测试不达标。在WCDMA网络数据速率的优化过程中，如果想对HSDPA速率不达标的问题有个清晰明确的优化思路，必须先从整个流程上了解HSDPA数据传输的过程和所有设计到的网元、接口，以及在实际优化中需要重点关注的环节。
　　HSDPA数据业务的传输流程如图1所示。
　　其传输流程大致如下：
　　（1）便携机发起拨号连接请求，信令流程完成，业务承载建立成功，PDP上下文建立成功；
　　（2）便携机客户端软件发起TCP连接，报文抵达UE；
　　（3）UE NAS层将报文送至RLC层、MAC层，并经过物理层将数据送至Node B；
　　（4）Node B MAC PDU封装在FP帧里，并通过Iub传输将FP帧送给RNC；
　　（5）RNC解FP帧内容，递交至上层并完成RLC层确认，同时将报文通过GTP-U递交给CN；
　　（6）CN将数据传送至数据服务器，至此UE侧报文抵达了数据服务器；
　　（7）服务器通过TCP发送窗口往下发送数据报文，经过CN后抵达RNC，并存放在RLC Buffer里；
　　（8）Node B根据使用的HSDPA流控算法，考虑空口质量（CQI）、用户优先级等分配一定的流控带宽给RNC；
　　（9）RNC按此带宽将内容送至RLC发送窗口，并按照上面分配的带宽将数据递给下层，通过下行FP帧格式送给Node B；
　　（10）Node B完成HARQ功能，将数据通过下行数据层送给UE；
　　（11）UE接收到MAC-HS PDU后，解PDU再递交上层，并最终将数据通过USB/PPP送给便携机，完成下行数据传输过程。
　　3 HSDPA 速率低可能
　　存在的原因及优化思路
　　通过上面对整个HSDPA数据传输流程的描述，可将整个流程分成三个部分：终端设备（UE终端、PC电脑）和数据服务器部分（FTP服务器或其他数据服务器等）、无线网络RAN部分（Node B、RNC）、核心网部分（CN）。然后从这三部分所涉及到的网元及其之间的接口入手，以无线网络RAN部分为主，对可能影响HSDPA速率的原因进行分析，从而建立正确的HSDPA优化思路。
　　3.1 终端设备和数据服务器部分
　　HSDPA数据传输是一个端到端的过程，UE终端、PC电脑是其中的一个端，数据服务器是另外的一端。在实际WCDMA网络HSDPA的优化过程中，如果想要保证其速率达到希望的目标值，首先就要保证这两个端的设备正常而不成为整个数据传输过程中的瓶颈。
　　对于便携机和数据服务器，首先就要保证其硬件、软件均达到要求，如CPU、内存、硬盘缓冲存储等，这些依据目前的便携机主流配置均能满足，一般不会成为数据传输速率限制的瓶颈，而软件部分，如下载用的终端软件、UE终端及网卡的驱动程序、TCP Windows的设置、防病毒杀毒软件等往往是最容易被忽略的地方，在实际优化过程中也有过多次由于下载终端软件的线程设置错误、防病毒杀毒软件的限制，导致在HSDPA下载测试中造成速率低不达标的案例。因此，对终端便携机、数据服务器的检查是非常有必要的。
　　便携机和数据下载服务器的TCP Windows设置造成的速率限制，主要影响的是使用TCP协议的业务（如FTP业务），便携机（Client端）和服务器（Server端）的TCP窗口大小对这类业务的速率性能影响很大。对其设置的检查，可以到终端便携机和服务器的注册表中查询，查询路径为：HKEY_LOCAL_MACHINE＼SYSTEM＼CurrentControlSet＼Services＼Tcpip；关键字符串为：TcpWindowSize。为保证得到较好的性能，一般将窗口设置得尽量大，并且Client端与Server端的窗口大小一致，如均设置为64K（“TcpWindowSize”=“65535”）。

UE终端或者无线上网卡是数据传输的关键终端设备，其通过Uu空中接口与Node B联系。根据3GPP规范中的要求，UE终端的能力等级如表1所示。
　　由表1可知，UE终端的能力按支持的码道数大致可以分为5、10、15。要想达到理想的速率，UE终端必须支持足够大的并行码道数，并且UE还要支持2ms的TTI交织（保证Node B与UE之间进行的HARQ混合自动重传有更好的重传效率）及16QAM调制。也就是说在目前WCDMA网络中如果想接近7.2Mbps的HSDPA下载速率，UE终端或无线网卡必须达到Category 7或Category 8。目前国内市场上主流的WCDMA终端及无线网卡为Category 8，其支持的最大码道数为10，同时支持2ms的TTI交织及16QAM调制，最大理论下载速率可达到7.2Mbps。
　　具体的UE终端能力类别，可以在业务建立时信令流程中查询UE发给网络侧的RRC_CONNECT_SETUP_CMP消息，该消息中的信元HSDSCH_PHYSICAL_LAYER_CATEGORY标识了UE的能力类别，如图2所示。
　　如果UE上报的Category类别不能满足理论速率要求时，就需要更换能力更高的终端进行测试。
　　当UE的能力满足理论速率要求，但下载速率仅能接近384kbps时，通常可能的原因是小区的HSDPA业务没有激活或状态异常使得业务承载在DCH上，此时应该检查HSDPA小区的状态是否已经激活且处于可用状态。
　　3.2 无线网络RAN部分
　　无线网络RAN部分包括Node B、RNC、Uu接口（UE终端与Node B之间的接口）、Iub接口（Node B与RNC之间的接口）。这部分通常是HSDPA数据业务优化的主要部分，在实际网络中也是最容易导致数据传输速率不达标的地方，对RAN部分的优化和问题排查是HSDPA数据业务优化中的一个重点。下面将对这部分进行逐一分析排查。
　　（1）告警的检查
　　当测试中发现HSDPA数据速率不达标时，首先要检查的就是告警，后台查看RNC、Node B是否存在告警，对告警的检查往往有助于快速地发现并定位问题。网络的时钟异常告警、传输误码、设备异常等告警均有可能影响数据传输的速率，如存在诸如此类告警，则要先对其进行排除。
　　（2）小区状态的检查
　　检查小区是否正常建立，HSDPA是否配置并激活、小区Iub下行拥塞状态、小区码资源拥塞状况等。
　　（3）小区基本配置数据的检查
　　在RNC侧检查逻辑小区数据是否配置完善；Node B侧本地小区的配置情况，并检查与RNC侧的配置数据是否一致。
　　（4）小区导频功率配置的检查
　　检查小区导频功率配置是否正确，一般导频功率占整个小区功率的10%，当小区的总功率为43dBm（20W）时，导频功率通常配置为33dBm，在一些测试中容易出现导频配置过低导致CQI上报异常或者导频配置过高导致功率受限的情况。另外还要检查小区配置的HSDPA最大功率是否正确，一般配置HSDPA最大功率和小区最大功率保持一致。
　　（5）小区资源的检查
　　检查站点的License配置情况，最大上行CE、最大下行CE、是否支持HSDPA功能、最大HSDPA用户数、最大HS-PDSCH码字数、HS-SCCH码个数等。
　　（6）站点物理板件能力的检查
　　检查站点WBBP板件物理上能支持的业务能力，包括物理上支持的上下行CE数及HSDPA的码道能力。当站点的板件物理支持的业务能力和License均能达到HSDPA业务的需求时，才能保证站点在CE及HS-PDSCH码道上不致成为影响HSDPA数据速率的瓶颈。
　　（7）传输资源的检查
　　一个站点的传输带宽配置情况直接决定了该站点下所有小区数据业务的传输速率，因此对于站点传输配置情况的检查是非常有必要的。检查站点E1配置的情况和FE配置的情况，并查询每条链路的运行状态是否正常。
　　（8）HSDPA测试中的CQI情况
　　当发现数据业务测试中UE下行速率比较低时，需要检查测试软件中UE上报的CQI值是否偏低，同时查看当前小区的PCPICH的RSCP和Ec/Io。一般影响CQI值的情况有：小区覆盖比较差，导致UE上报CQI比较低，对此类问题只能通过RF优化或者增加站点改善UE上报的CQI值；小区干扰比较大、导频污染等，UE上报的CQI比较低，对此可以通过RF优化调整天线方向角和下倾角，提供主导服务小区；HSDPA用户服务小区频繁变更时，由于惩罚导致UE上报CQI值低，可以通过RF优化调整天线方向角和下倾角或者增加站点，避免频繁切换。
　　3.3 核心网部分
　　（1）核心网设备告警的检查
　　对于核心网侧的检查，首先需要检查SGSN、GGSN、LANSWITCH、ROUTER和FIREWALL等网元的告警，排除由于设备告警的原因影响HSDPA的速率。
　　（2）用户开户速率的检查
　　对USIM用户的开户速率情况进行检查，可以通过核心网侧HLR查询，也可以通过信令监控的方式得到用户的签约速率。图3为通过信令监控的方式查询到用户的签约速率，排除由于USIM卡的原因导致HSPDA速率低不达标。
　　在实际HSDPA速率优化过程中，如果HSDPA速率稳定在384kbps、128kbps等情况下，并且排除了RAN侧的问题，则可以通过信令来查询用户的开户签约速率。
　　4 案例说明
　　4.1 现象
　　在某市WCDMA网络优化过程中，测试发现某室分站点的HSDPA速率保持在3.5Mbps左右，经过多次测试速率一直无法达到预期的目标值，但速率表现平稳。根据以往对数据业务的优化经验，首先在维护台查询告警情况，但基站侧及传输侧均未发现任何告警显示。然后通过RNC维护台对小区和用户实时跟踪监控，发现小区的下行功率、码资源等均未受限，检查小区的基本数据配置并未发现错误，HSDPA的数据配置完整并且处于激活状态；查询站点的E1传输配置情况，显示该站点配置4条E1（8M带宽），且4条E1均正常，并非传输资源导致速率受限。

  4.2 分析
　　经过以上对该站点小区的检查和跟踪，并未发现异常。RAN侧数据配置也完全正确，由于测试时HSDPA的速率能达到3.5Mbps左右，可见PDP正常激活并且建立在HS-PDSCH信道上，通过跟踪监控，小区的下行功率、码资源并未受限，检查站点的License情况也未发现错误，咨询现场测试人员测试时的CQI值，反馈为26，按此速率应该不止为3.5Mbps。进一步分析，在多次测试中，HSDPA的速率虽然偏低，但一直比较稳定，因此怀疑是否由于USIM卡的开户速率限制导致HSDPA数据速率一直无法达到要求，于是通过信令跟踪检查USIM卡的开户速率，经过对RANAP_RAB_ASSIGNMENT_REQ和HSDSCH_PHYSICAL_LAYER_CATEGORY信令的查询发现UE用户的开卡速率正常，下行最大速率为7Mbps，上行最大速率为5.7Mbps，并且UE的类别为CAT8。至此再对传输资源进行检查，发现RNC和Node侧配置均为4条E1，并且运行正常，然后通过后台查询发现6条AAL2PATH状态均正常，最后检查AAL2PATH的配置是否正确以及是否符合规范，发现流控配置存在问题，如图4所示。
　　通过上面对流控索引信息的对比，发现该站点的流控数据配置成了2E1，即4M的带宽；2E1的流控峰值带宽为3.8M，因此造成了H业务速率总是在3.5Mbps左右，至此终于找到问题的所在，为流控数据配置错误导致HSDPA数据速率无法达到预期的目标值。
　　4.3 处理
　　咨询RNC侧配置数据人员后得知，该站点最开始调试开通时，传输只配置了2E1，后由于该站点的规划为4E1，所以站点调试开通后再次去扩容，但物理传输资源扩容后RNC侧人员做相应的数据配置修改时忘记修改流控数据，才导致HSDPA数据一直无法达到预期的目标值。于是在RNC维护台通过MML命令MOD AAL2PATH，修改该站点的流控数据，配置成4E1的流控7.6M。再次测试，HSDPA数据业务正常，平均速率达到5.2Mbps，峰值速率达到5.6Mbps，问题得到解决。
　　4.4 结论
　　当测试发现站点的HSDPA数据速率偏低时，要仔细观察测试的各种现象，如本案例，下载速率偏低但稳定在某一个数值时，往往是由于USIM卡开户速率或者数据配置错误造成，特别是要检查传输侧的各项与速率相关的PATH数据、小区数据和流控数据的配置。
　　5 总结
　　通过以上对WCDMA网络中造成HSDPA数据速率低可能原因的分析以及实际优化案例的说明可以看出，在整个HSDPA数据传输的流程中，任何一个环节出现问题都会影响到数据业务下载的速率。在进行优化过程中，首先要对小区的基本配置数据在RNC和Node B两侧均进行检查，确保无误后再通过后台监控、信令跟踪等方式进一步分析排查。另外，还要仔细观察测试中发生的各种现象，这往往会有助于对问题的发现和定位。
　　参考文献：
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　　[2] 赵绍刚，周兴围，任树林，等. HSDPA技术及其演进——HSUPA与HSPA+[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2007.
　　[3] 张长钢，李猛. WCDMA/HSDPA无线网络优化原理与实践[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2007.★