TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及性能分析

趙旭凇 張新程 徐德平 張炎炎

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司 北京 100080）

1 概述

TD-LTE是下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)之一，2010年工信部研究院組織在北京進行了TD-LTE技術(shù)外場試驗，中國移動在上海建設(shè)了世博TD-LTE示范網(wǎng)，這些試驗網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)顯示TD-LTE產(chǎn)業(yè)鏈初步具備端到端產(chǎn)品能力。目前，工信部及中國移動計劃通過建設(shè)TD-LTE規(guī)模網(wǎng)絡(luò)試驗來進一步推進TD-LTE產(chǎn)業(yè)鏈尤其是終端產(chǎn)品盡快成熟，加速商用化進展，因此迫切需要對TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃技術(shù)進行深入研究。

2 TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程

TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程可以分成：需求分析、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模估算、站址規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)仿真、無線參數(shù)規(guī)劃等5個階段，具體流程圖如圖1所示。

在需求分析階段，首先應(yīng)明確建網(wǎng)策略，提出相應(yīng)的建網(wǎng)指標(biāo)，并搜集到準(zhǔn)確而豐富的現(xiàn)網(wǎng)GSM/TD-SCDMA基站數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)需求數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都是TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重要輸入。

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模估算主要是通過覆蓋和容量估算來確定網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基本規(guī)模，在進行覆蓋估算時首先應(yīng)了解當(dāng)?shù)氐膫鞑ツＰ?，然后通過鏈路預(yù)算來確定不同區(qū)域的小區(qū)覆蓋半徑，從而估算出滿足覆蓋需求的基站數(shù)量。容量估算則是分析在一定時隙及站型配置的條件下，TDLTE網(wǎng)絡(luò)可承載的系統(tǒng)容量，并計算是否可以滿足用戶的容量需求。

在站址規(guī)劃階段，主要工作是依據(jù)鏈路預(yù)算的建議值，結(jié)合目前網(wǎng)絡(luò)站址資源情況，進行站址布局工作，并在確定站點初步布局后，結(jié)合現(xiàn)有資料或現(xiàn)場勘測來進行站點可用性分析，確定目前覆蓋區(qū)域可用的共址站點和需新建的站點?？捎谜局分饕罁?jù)無線環(huán)境、傳輸資源、電源、機房條件、天面條件及工程可實施性等方面綜合確定。

圖1 TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程圖

完成初步的站址規(guī)劃后，需要進一步將站址規(guī)劃方案輸入到TD-LTE規(guī)劃仿真軟件中進行覆蓋及容量仿真分析，仿真分析流程包括規(guī)劃數(shù)據(jù)導(dǎo)入、傳播預(yù)測、鄰區(qū)規(guī)劃、時隙和頻率規(guī)劃、用戶和業(yè)務(wù)模型配置以及蒙特卡羅仿真，通過仿真分析輸出結(jié)果，可以進一步評估目前規(guī)劃方案是否可以滿足覆蓋及容量目標(biāo)，如存在部分區(qū)域不能滿足要求，則需要對規(guī)劃方案進行調(diào)整修改，使得規(guī)劃方案最終滿足規(guī)劃目標(biāo)。

在利用規(guī)劃軟件進行詳細(xì)規(guī)劃評估之后，就可以輸出詳細(xì)的無線參數(shù)，主要包括天線高度、方向角、下頃角等小區(qū)基本參數(shù)、鄰區(qū)規(guī)劃參數(shù)、頻率規(guī)劃參數(shù)、PCI參數(shù)等，同時根據(jù)具體情況進行TA規(guī)劃，這些參數(shù)最終將做為規(guī)劃方案輸出參數(shù)提交給后續(xù)的工程設(shè)計及優(yōu)化使用。

3 TD-LTE覆蓋性能分析

3.1 TD-LTE覆蓋特性

（1）目標(biāo)業(yè)務(wù)為一定速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，確定合理目標(biāo)速率是覆蓋規(guī)劃的基礎(chǔ)。

在TD-LTE中，不存在電路域業(yè)務(wù)，只有PS域業(yè)務(wù)。不同PS數(shù)據(jù)速率的覆蓋能力不同，在覆蓋規(guī)劃時，要首先確定邊緣用戶的數(shù)據(jù)速率目標(biāo)，如500 kbit/s、1Mbit/s、2Mbit/s等，不同的目標(biāo)數(shù)據(jù)速率的解調(diào)門限不同，導(dǎo)致覆蓋半徑也不同，因此確定合理的目標(biāo)速率是覆蓋規(guī)劃的基礎(chǔ)。

（2）LTE資源調(diào)度更復(fù)雜，覆蓋特性和資源分配緊密相關(guān)。

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)可以靈活的選擇用戶使用的RB資源和調(diào)制編碼方式進行組合，以應(yīng)對不同的覆蓋環(huán)境和規(guī)劃需求。在實際網(wǎng)絡(luò)中，用戶速率和MCS及占用的RB數(shù)量相關(guān)，而MCS取決于SINR值，RB占用數(shù)量會影響SINR值，所以MCS、占用RB數(shù)量、SINR值和用戶速率四者之間會相互影響，導(dǎo)致LTE網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法比較復(fù)雜。在進行覆蓋規(guī)劃時，很難模擬實際網(wǎng)絡(luò)這種復(fù)雜的調(diào)度算法，因此如何合理確定RB資源、調(diào)制編碼方式，使其選擇更符合實際網(wǎng)絡(luò)狀況是覆蓋規(guī)劃的一個難點。

（3）傳輸模式及天線類型選擇影響覆蓋規(guī)劃。

多天線技術(shù)是LTE最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，引入多天線技術(shù)后LTE網(wǎng)絡(luò)存在多種傳輸模式（目前有8種傳輸方式）和多種天線類型（基站側(cè)存在2天線和8天線等多種類型），選擇那種傳輸模式和天線類型對覆蓋性能影響較大。

（4）小區(qū)間干擾影響TD-LTE覆蓋性能。

TD-LTE系統(tǒng)引入了OFDMA技術(shù)，由于不同用戶間子載波頻率正交，使得同一小區(qū)內(nèi)不同用戶間的干擾幾乎可以忽略，但TD—LTE系統(tǒng)小區(qū)間的同頻干擾依然存在，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加，小區(qū)間干擾水平也會增加，使得用戶SINR值下降，傳輸速率也會相應(yīng)降低，呈現(xiàn)一定的呼吸效應(yīng)。另外，不同的干擾消除技術(shù)會產(chǎn)生不同的小區(qū)間業(yè)務(wù)信道干擾抑制效果，這也會影響TD-LTE邊緣覆蓋效果。因此如何評估小區(qū)間干擾抬升水平，也是TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃的一個難點。

3.2 TD-LTE鏈路預(yù)算關(guān)鍵參數(shù)取值

鏈路預(yù)算仍是評估TD-LTE無線通信系統(tǒng)覆蓋能力的主要方法，通過鏈路預(yù)算，可以估算出各種環(huán)境下的最大允許路徑損耗，從而估算出目標(biāo)區(qū)域需要的TDLTE覆蓋站數(shù)。在進行鏈路預(yù)算分析時，需確定一系列關(guān)鍵參數(shù)，主要包括基本配置參數(shù)、收發(fā)信機參數(shù)、附加損耗及傳播模型。

3.2.1 TD-LTE基本配置參數(shù)

基本配置參數(shù)主要包括TDD上下行時隙配置、特殊時隙配置、系統(tǒng)總帶寬、RB總數(shù)、分配RB數(shù)、發(fā)射天線數(shù)、接收天線數(shù)、天線使用方式等。具體說明如下：

（1） 上下行時隙及特殊時隙配置：目前通常選擇上下行采用2：2時隙配置，特殊子幀采用10：2：2配置。

（2） 系統(tǒng)總帶寬：LTE網(wǎng)絡(luò)可靈活選擇1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、20MHz等帶寬，目前通常選取20MHz帶寬。

（3） RB總數(shù)及分配RB數(shù)：20MHz帶寬RB總數(shù)為100個，考慮同時調(diào)度10個用戶，邊緣用戶分配RB數(shù)為10個。

（4） 天線數(shù)量及天線使用方式：根據(jù)目前技術(shù)發(fā)展情況，天線主要采用8陣元雙極化天線，邊緣用戶主要使用波束賦性方式。

3.2.2 收發(fā)信機參數(shù)

收發(fā)信機參數(shù)主要包括發(fā)射功率、天線增益、接頭及饋線損耗、多天線分集增益、波束賦性增益、熱噪聲密度、接收機噪聲系數(shù)、干擾余量、人體損耗、目標(biāo)SNR等，具體說明如下：

（1） 發(fā)射功率：下行方向，根據(jù)目前廠家設(shè)備的產(chǎn)品規(guī)劃，在系統(tǒng)帶寬為20MHz情況下取46dBm（主要有兩類產(chǎn)品2通道20W和8通道5W），上行方向，終端功率可取23dBm。

（2） 天線增益：根據(jù)目前情況，8天線D頻段產(chǎn)品通常其增益為15～17dBi。

（3） 接頭及饋線損耗：對于BBU＋RRU產(chǎn)品，通常損耗在0.5～1dB之間。

（4） 多天線分集增益、波束賦性增益：選擇不同的發(fā)射模式，如發(fā)射分集或波束賦形，其增益有一些差異：

① 接收側(cè)：基站為8天線取7dB，終端為2天線取3dB。

② 發(fā)送側(cè)：

a) 終端為單天線發(fā)送，因此無發(fā)送分集增益；b) 基站業(yè)務(wù)信道：8天線，為波束賦性方式，增益取7dB；

c) 基站控制信道：8天線和2天線相同，為發(fā)送分集方式，增益取3dB。

（5） 熱噪聲密度 ：取 -117dBm/Hz。

（6） 接收機噪聲系數(shù)：基站側(cè)通常取2～3dB，終端側(cè)通常為7～9dB。

（7） 干擾余量：TD-LTE系統(tǒng)小區(qū)間的同頻干擾依然存在，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷上升，小區(qū)間的干擾也會相應(yīng)增加，從而影響TD-LTE邊緣覆蓋效果，在鏈路預(yù)算中通常采用干擾余量來反應(yīng)了這一特點，干擾余量可分為上行干擾余量和下行干擾余量，通常要借助干擾公式和系統(tǒng)仿真平臺得到。

（8） 人體損耗：對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)移動臺，可以不考慮人體損耗影響，即0 dB。

（9） 目標(biāo)SINR：在36.213-880規(guī)范中，定義了不同MCS、RB承載下的數(shù)據(jù)塊數(shù)量，根據(jù)邊緣速率，可以推導(dǎo)出數(shù)據(jù)塊數(shù)量，然后找到承載的RB數(shù)量，就可以方便的查找出對應(yīng)的MCS，并根據(jù)具體MCS 和SINR對應(yīng)表格得到SINR，MCS 和SINR對應(yīng)關(guān)系需通過鏈路仿真得到。

3.2.3 附加損耗

附加損耗主要包括設(shè)計規(guī)劃中應(yīng)考慮的其他損耗，主要有建筑物穿透損耗和陰影衰落余量：

（1） 穿透損耗：通常市區(qū)建筑物穿透損耗典型值可取15～20dB。

（2） 陰影衰落余量：在城區(qū)環(huán)境下，通常取為8.3dB。

3.3 TD-LTE鏈路預(yù)算結(jié)果

綜合考慮各種業(yè)務(wù)需求及LTE本身能力，目前初步定義的業(yè)務(wù)需求為空載時小區(qū)邊緣用戶可達到1Mbit/s/250kbit/s（下行/上行）?；谶@一業(yè)務(wù)需求，TD-LTE鏈路預(yù)算分析結(jié)果如下。

3.3.1 控制信道和業(yè)務(wù)信道覆蓋能力對比

控制信道和業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算結(jié)果對比如表1所示。

基于目前的覆蓋目標(biāo)（空載條件下，10用戶同時接入時，邊緣單用戶下行吞吐量大于1Mbit/s），系統(tǒng)最大允許的路徑損耗（不含穿透損耗）為145.6dB，與之相對應(yīng)的上行業(yè)務(wù)信道速率約為250kbit/s，而其他控制信道覆蓋能力均大于上述值，因此，可直接按照下行業(yè)務(wù)信道達到1Mbit/s的要求進行站址規(guī)劃。

3.3.2 滿足邊緣速率要求的鏈路預(yù)算結(jié)果

采用COST231-Hata模型（2.6GHz頻段），計算得到TD-LTE和TD-SCDMA密集市區(qū)、市區(qū)的小區(qū)覆蓋半徑如表2所示。

通過對比可知， TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)CS64業(yè)務(wù)覆蓋能力略強于LTE下行1Mbit/s要求的覆蓋能力，因此TD-LTE如果要達到鄰區(qū)空載、10用戶同時接入時、邊緣單用戶下行吞吐量大于1Mbit/s的覆蓋目標(biāo)，需要在TD-SCDMA現(xiàn)網(wǎng)站距的基礎(chǔ)上增加少量站點。

表1 控制信道和業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算結(jié)果對比表

表2 TD-LTE和TD-SCDMA小區(qū)覆蓋半徑對比表

3.3.3 站址規(guī)劃建議

綜上，在現(xiàn)網(wǎng)TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)CS64業(yè)務(wù)覆蓋良好的區(qū)域，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)基本可以采用直接疊加的方式進行規(guī)劃，建成后的LTE網(wǎng)絡(luò)可以滿足鄰區(qū)空載10用戶同時接入時邊緣單用戶下行吞吐量大于1Mbit/s的覆蓋目標(biāo)，但考慮到今后商用網(wǎng)絡(luò)的要求可能會有所提高，因此建議在具備條件的區(qū)域，可在TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加站點，以縮小LTE的站距，實現(xiàn)更高的邊緣速率，TD-LTE具體站間距建議為密集市區(qū)達到0.45～0.55km，一般市區(qū)達到0.55～0.7km。

4 TD-LTE系統(tǒng)容量分析

4.1 影響TD-LTE容量性能的主要因素

TD-LTE系統(tǒng)的容量由很多因素決定，首先是固定的配置和算法的性能，包括單扇區(qū)頻點帶寬、時隙配置方式、天線技術(shù)、頻率使用方式、小區(qū)間干擾消除技術(shù)、資源調(diào)度算法等；其次，實際網(wǎng)絡(luò)整體的信道環(huán)境和鏈路質(zhì)量會影響TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的資源分配和調(diào)制編碼方式選擇，因此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對TD-LTE的容量也有著至關(guān)重要的影響。

（1）單扇區(qū)頻點帶寬：TD-LTE支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz 帶寬的靈活配置，顯然采用更大的帶寬，網(wǎng)絡(luò)可用資源將更多，系統(tǒng)容量也將越大。

（2）時隙配置方式：TD-LTE采取TDD(時分雙工)的雙工方式，可以根據(jù)某地區(qū)上下行業(yè)務(wù)的不同比例，靈活配置上下行時隙配比，目前協(xié)議中定義了7種上下行時隙配置方式，這7種時隙配置方式中的特殊時隙又有9種方式可以選擇，而選擇不同的配置方式，其上下行吞吐量將會有明顯的差異。

（3）天線技術(shù)：TD—LTE采用了多天線技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)需要以及天線資源，實現(xiàn)單流分集、多流復(fù)用、復(fù)用與分集自適應(yīng)、單流波束賦形、多流波束賦性等，這些技術(shù)的使用場景不同，但是都會在一定程度上影響用戶容量。

（4）頻率使用方式：目前分析顯示TD-LTE網(wǎng)絡(luò)可以同頻組網(wǎng)，但單小區(qū)配置相同帶寬的同頻組網(wǎng)系統(tǒng)的容量性能會差于異頻組網(wǎng)系統(tǒng)，因此在實際運營時，應(yīng)綜合考慮頻率資源情況、容量需求等因素確定頻率使用方式。

（5）小區(qū)間干擾消除技術(shù)：TD-LTE系統(tǒng)由于OFDMA的特性，系統(tǒng)內(nèi)的干擾主要來自于同頻的其他小區(qū)。這些同頻干擾將降低用戶的信噪比，從而影響用戶容量，因此干擾消除技術(shù)的效果將會影響系統(tǒng)整體容量及小區(qū)邊緣用戶速率。

（6）資源調(diào)度算法：TD-LTE采用自適應(yīng)調(diào)制編碼方式，使得網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)信道質(zhì)量的實時檢測反饋，動態(tài)調(diào)整用戶數(shù)據(jù)的編碼方式以及占用的資源，從系統(tǒng)上做到性能最優(yōu)。因此，TD-LTE整體容量性能和資源調(diào)度算法的好壞密切相關(guān)，好的資源調(diào)度算法可以明顯提升系統(tǒng)容量及用戶速率。

（7）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：TD-LTE的用戶吞吐量取決于用戶所處環(huán)境的無線信道質(zhì)量，小區(qū)吞吐量取決于小區(qū)整體的信道環(huán)境，而小區(qū)整體信道環(huán)境最關(guān)鍵影響因素是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及小區(qū)覆蓋半徑。在TD-LTE規(guī)劃時應(yīng)比2G/3G系統(tǒng)更加關(guān)注網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格按照站距原則選擇站址，避免選擇高站及偏離蜂窩結(jié)構(gòu)較大的站點。

4.2 TD-LTE容量評估指標(biāo)

根據(jù)TD-LTE特性，其容量評估指標(biāo)主要有同時調(diào)度用戶數(shù)、同時在線(激活)用戶數(shù)、小區(qū)平均吞吐量、小區(qū)邊緣吞吐量及VoIP用戶數(shù)，下面對上述幾個指標(biāo)進行簡單說明：

（1）同時調(diào)度用戶數(shù)：指系統(tǒng)每TTI可調(diào)度的用戶數(shù)。

（2）同時在線(激活)用戶數(shù)：指系統(tǒng)保持連接狀態(tài)的用戶數(shù)。

（3）小區(qū)平均吞吐量：指用戶按照一定規(guī)律分布時，整個小區(qū)的平均吞吐量＝所有小區(qū)吞吐量之和/小區(qū)數(shù)。

（4）小區(qū)邊緣吞吐量：指分布在小區(qū)邊緣的用戶吞吐量，在系統(tǒng)仿真時，邊緣用戶定義為對網(wǎng)絡(luò)中所有用戶按照用戶吞吐量的大小降序排列，取5%處的那個用戶。

（5）VoIP用戶數(shù)：小區(qū)中容納的VoIP用戶總數(shù)。VoIP用戶數(shù)和帶寬配置、控制信道資源和VolP調(diào)度算法相關(guān)。

4.3 TD-LTE容量分析結(jié)果

4.3.1 TD-LTE調(diào)度用戶數(shù)

TD-LTE調(diào)度用戶數(shù)主要取決于上、下行控制信道的容量。上行調(diào)度用戶數(shù)主要受限于PRACH（物理隨機接入信道）、PUCCH（物理上行控制信道）、SRS（探測用參考信號），下行調(diào)度用戶數(shù)主要受限于PCFICH信道、PHICH信道和PDCCH信道容量，綜合各個控制信道容量分析結(jié)果，TD-LTE在20MHz帶寬下，最大可支持的調(diào)度用戶數(shù)約為80個，但考慮到初期單用戶速率需求較高且用戶數(shù)不多，初期網(wǎng)絡(luò)實際調(diào)度用戶數(shù)在10～20個較為合適。

4.3.2 TD-LTE在線(激活)用戶數(shù)

由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具有非持續(xù)性的突發(fā)特性，因此在線用戶不需要每幀都進行調(diào)度，動態(tài)調(diào)度算法會保證在線用戶在需要數(shù)據(jù)傳輸時及時地為用戶分配實際的空口傳輸資源，同時在線用戶數(shù)主要由業(yè)務(wù)特征及設(shè)備能力決定。從設(shè)備能力的范疇，TD-LTE在20MHz帶寬內(nèi)，單小區(qū)提供不低于1200個用戶同時在線的能力。

4.3.3 小區(qū)平均吞吐量及邊緣吞吐量

從仿真結(jié)果分析，各廠家系統(tǒng)仿真的結(jié)果還是差異較大的，在2.6GHz 頻段、20MHz帶寬、站距500m、每小區(qū)10個用戶均勻分布的情況下，綜合多個廠家的仿真結(jié)果平均值為：

2天線情況下，小區(qū)平均吞吐量為7.8Mbit/s/16.4Mbit/s（上行/下行），邊緣用戶吞吐量為0.2Mbit/s/0.4Mbit/s（上行/下行）；

8天線情況下，容量性能有所提升，小區(qū)平均吞吐量為11.7Mbit/s/21.4 Mbit/s（上行/下行），邊緣用戶吞吐量為0.5Mbit/s/0.7Mbit/s（上行/下行）。

4.3.4 VoIP用戶數(shù)

VoIP容量定義為：某用戶在使用VoIP進行語音通信過程中，若98%的VoIP數(shù)據(jù)包的L2時延在50ms以內(nèi)，則認(rèn)為該用戶是滿意的。如果小區(qū)內(nèi)95%的用戶是滿意的，則此時該小區(qū)中容納的VoIP用戶總數(shù)就是該小區(qū)的VoIP容量。

假設(shè)VoIP用戶采用半靜態(tài)調(diào)度，不考慮控制信道限制，綜合分析上下行信道，得到20MHz帶寬下，VoIP用戶最大容量為600個左右。

5 結(jié)束語

本文基于目前已有的研究成果及掌握的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析了TD-LTE覆蓋及容量特性，得到了初步的覆蓋規(guī)劃建議及容量性能分析結(jié)果，但由于TD-LTE技術(shù)仍處于不斷發(fā)展的進程中，這些性能分析結(jié)果還需要實際網(wǎng)絡(luò)的進一步驗證。

[1]趙旭凇, 張炎炎. TD-LTE覆蓋性能分析. 中國移動通信集團設(shè)計院2009年科研專業(yè)項目成果報告

[2]張新程, 孟繁麗. LTE系統(tǒng)容量分析. 中國移動通信集團設(shè)計院2009年科研專業(yè)項目成果報告

[3]李新. TD—LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋特性淺析. 電信科學(xué), 2009, (1)

[4]曲嘉杰, 龍紫薇. TD—LTE容量特性及影響因素. 電信科學(xué),2009, (1)