TD-LTE 無線網絡規劃若干問題探討

胡恒杰 趙旭凇 徐德平 張華 張炎炎

（中國移動通信集團設計院有限公司 北京 100080）

在TD-LTE無線網絡規劃中，頻率使用策略、多天線方案選擇、調度算法在仿真中的實現以及基站傳輸帶寬需求等幾個問題對網絡部署具有很重要的意義。本文對上述4個關鍵問題進行了分析和探討，并給出了現階段條件下的應用策略和建議。

1 TD-LTE頻率使用方案

TD-LTE的頻率使用策略在TD-LTE網絡建設中具有至關重要的作用，它直接影響著網絡建設規模、網絡建設方式、主設備及天線等設備形態和選型、終端產品開發及進程等多個關鍵環節。

現階段能夠供TD-LTE系統使用的頻段和使用場景如下：

（1） F頻段（1880～1900MHz，預計今后可使用1880～1920MHz）：室內外場景均可使用；

（2） E頻段（2320～2350MHz）：只能在室內場景應用；

（3） D頻段（2570～2620MHz）：室內外場景均可使用。

1.1 各頻段覆蓋差異

無線信號頻段不同，由于空間傳播的衰減程度以及穿透損耗等方面的差異造成覆蓋能力不同。

TD-LTE系統在室外可采用F、D兩個頻段，以COST 231密集市區傳播環境為例說明兩頻段的差異情況。通過計算得出，F頻段覆蓋半徑為D頻段1.64倍。按照覆蓋相同面積原則，將相對半徑關系進行折算，F頻段需要站點數僅為D頻段站點數的43%。

與D頻段相比，F頻段傳播損耗、穿透損耗相對較小，可節省一半以上的基站數，因此，能夠節省大量資金投入、極大降低建設難度。

1.2 各頻段與TD-SCDMA共站差異

通過TD-LTE基站與TD-SCDMA基站覆蓋對比，得到如下主要結論：

TD-LTE采用D頻段覆蓋：與TD-SCDMA共站不能連續覆蓋，需要增加站址密度，由于目前正面臨選址難的現實問題，因此，采用D頻段連續覆蓋僅僅通過增加投資尚不能完全解決，會嚴重影響工程建設進度，后續很可能將帶來一定的網絡質量問題；

TD-LTE采用F頻段覆蓋：與現有TD-SCDMA共站下覆蓋較好，即工程實施中與TD-SCDMA共站建設，基本不需額外新選站址。同時，F頻段覆蓋能力明顯強于D頻段，覆蓋半徑可增加約40%，節省投資。

1.3 各頻段干擾共存條件

（1） F 頻段（1880～ 1920MHz）。

可實現與GSM、DCS、WCDMA、cdma2000、TDSCDMA 等系統共存、共址；

與TD-SCDMA系統鄰頻共存時，在保證上下行時隙同步時，可實現共存、共址；

低端被DCS干擾，通過分析和實際測試，1890MHz往上使用干擾很小，可以忽略；

高端對cdma2000系統造成干擾，需要F頻段退5MHz使用。

（2） D頻段（2570～2620MHz）：可實現與其他通信系統共存。

（3） E 頻段（2570～ 2620MHz）。

由于TD-LTE與TD-SCDMA共用2320～2370MHz頻段，與TD-SCDMA系統上下行時隙同步時，可以實現共存、共址。

與WLAN的干擾情況較為嚴重，網絡建設中可采用WLAN末端合路、提高濾波精度、限制設備參數的方式規避。

1.4 主設備支持情況

由于LTE系統取消了RNC，因此，無線系統的主設備僅包括BBU、RRU兩部分：

（1）BBU設備：目前F、E、D頻段主設備均已支持；F、E頻段支持在現有TD-SCDMA設備上軟件升級實現。

（2）RRU設備：存在以下幾種情況：

F頻段：支持在現有TD-SCDMA設備上軟件升級實現；

E頻段：支持在現有TD-SCDMA設備上軟件升級實現；

D頻段：由于目前正在評估F/A/D寬頻天線性能，考慮到其技術上的實際困難和可能帶來的性能損失，初步建議D頻段采用獨立天饋方式部署，同時，建議D頻段采用獨立RRU設備。

1.5 小結

根據TD-LTE可用頻譜、不同頻段的覆蓋能力、干擾分析以及設備支持情況等多方面進行了研究，得出了現階段TD-LTE的頻率使用方案和組網建議：

（1）室內采用E頻段組網，與TD-SCDMA共用2320～2370Hz頻段；

（2）室外采用D頻段，積極探討F頻段在后續網絡建設中的應用；

（3）在實際的網絡部署中，建議采用20MHz帶寬同頻組網。

2 TD-LTE系統中多天線方案比較

多天線技術能夠有效的提高系統吞吐量，增加頻譜效率，提升用戶體驗，因而成為TD-LTE系統中重要的關鍵技術之一。但是，由于多天線技術的多樣化和不同技術所使用的場景不同，標準中規定了多種的天線技術的傳輸模式。在運營商進行設備選擇時，就需要選擇合適的傳輸模式以保證投資回報比最高。

TD-LTE R9協議中規定了8種多天線傳輸方式，但是通過分析可知，頻譜效率較高且更易于實際應用的傳輸方式主要有3種，即：傳輸方式4（主傳輸方式為閉環空間復用），傳輸方式7（基于專用導頻的單流波束賦形）和傳輸方式8（基于雙端口導頻的雙流波束賦形）。下面將針對這3種傳輸方式進行性能分析，并對現階段網絡建設提出相關建議。

2.1 仿真比較

為了仿真的公平性，在進行仿真之前，需要首先進行仿真參數的校準。本次仿真使用的主要參數如下：仿真場景選擇了密集市區和一般城區。采用六邊形小區、19個站址57個小區的模型，載波頻率為2.6GHz，穿透損耗模型為經過重新校準的COST 231模型，穿透損耗20dB。不考慮使用ICIC算法，即小區頻率復用因子為1，10用戶均勻分布。其余細節仿真參數不在此詳述。

仿真中所考慮的場景較多，本文僅列出密集城區仿真結果中的下行頻譜效率增益進行對比。

圖1 各廠家密集城區下行小區頻譜效率8天線性能增益對比

圖1給出了3個不同廠商設備在密集城區環境中下行小區頻譜效率的仿真結果，其中柱1表示兩天線仿真結果，柱2表示8天線單流仿真結果，柱3表示8天線雙流仿真結果。由圖可知，其中圖（1）和（3）的仿真結果顯示8天線單流波束賦形較2天線傳輸方式4的性能略有下降，而8天線雙流波束賦形則會有一定提升，但提升效果不明顯。但圖（2）則顯示8天線性能較2天線有較明顯的提升，其中雙流波束賦形的性能增益幾乎可以達到雙天線性能的2倍。

圖2 各廠家密集城區下行小區邊緣用戶頻譜效率8天線性能增益對比

圖2給出了3個不同廠商設備在密集城區環境中下行小區邊緣用戶頻譜效率的仿真結果，其中柱1表示兩天線仿真結果，柱2表示八天線單流仿真結果，柱3表示八天線雙流仿真結果。由圖可知，其中圖（1）和（2）的仿真結果均顯示8天線波束賦形較2天線傳輸方式4在小區邊緣用戶的性能上有明顯的提升，其頻譜效率的提升達到100%～150%。但圖（3）則給出了不同的結論，即8天線較2天線性能提升有限，僅能達到15%～24%。

2.2 小結

通過以上分析，由仿真性能比較可知，在進行仿真條件校準的前提下，各廠商設備在8天線設備較2天線設備的性能增益上表現有較大差異。因此，現階段需要針對2/8天線性能進行專項對比測試，進一步研究確定其對組網性能的影響。

3 調度算法在TD-LTE仿真中的應用

與TD-SCDMA相比，TD-LTE在實現技術上有很大改進，如鄰區干擾消除、MIMIO技術和業務調度的引入。因此，在LTE規劃仿真中，業務調度是必不可少的一部分功能，同時也是LTE規劃仿真的核心技術；從規劃仿真技術角度看，LTE規劃仿真中業務調度的地位等同于CDMA規劃仿真中的功率控制。

3.1 調度算法在LTE系統中的作用

LTE系統eNode B負責管理上行和下行鏈路的資源調度。其目標是在滿足盡可能多的用戶條件下，同時盡量滿足業務服務質量需求（QoS）。

通常調度算法需要信道狀態信息和業務測量信息作為依據，這些信息eNode B直接測量得到，也可以通過反饋信令。信令反饋通常會更準確的反映信道狀態和業務信息；另一方面則需要一定的資源開銷。

3.2 規劃仿真的多用戶調度實現

目前常用的多用戶調度算法分為兩類：（1）最大速率調度。 （2）比例公平調度。最大速率調度是指只有擁有信道條件的用戶才被調度，但缺乏用戶的公平性。通常調度算法會采用比例公平方式，這種調度方式是在考慮了用戶間調度的公平性的基礎上，提升小區的吞吐量。

調度算法會影響小區的吞吐量，小區吞吐量是也LTE規劃仿真的重要輸出指標。為保證仿真結果的可靠性和可信性，LTE規劃仿真必須引入多用戶的調度。經過大量研究和驗證，本文提出適于規劃仿真實現的如圖3調度算法和流程。

圖3 調度算法流程圖

如圖3中所示，首先要進行調度預處理，也稱為調度預熱。因為第一次調度沒有歷史信息，需要進行預處理用于生成正式調度所需的歷史流量和SINR。預處理的具體方式是進行N次迭代處理，其結果即可作為正式調度前所需的數據；然后進行上/下行業務調度。上下行的調度方式相同；調度流程為：優先級排序-〉RB資源分配-〉記錄調度結果-〉收斂判決。

3.3 基于時間調度的收斂判決方法

容量仿真是規劃仿真的重要組成部分，是評估網絡性能的重要指標。容量仿真采用蒙特卡羅仿真方法，通過一定的規則不斷迭代使其達到平穩分布，作為最終的輸出結果。現有3G各制式均基于CDMA技術，CDMA系統以功率控制為核心，在CDMA無線網絡規劃仿真中，使用蒙特卡羅仿真收斂的判決條件是系統中各網元發射功率達到穩定狀態。

LTE系統以調度為核心，經過大量研究和驗證，本文提出在LTE無線網絡規劃仿真中，使用蒙特卡羅仿真收斂的判決條件是所有小區吞吐量和小區邊緣吞吐量達到穩定狀態。只有穩定狀態的仿真結果才能夠真實的反映當前狀態下LTE網絡容量。

具體方法為：將區域內所有小區均收斂作為一次快照的輸出結果，為得到網絡平均性能，蒙特卡羅仿真是以統計多次快照的平均結果作為網絡性能。判斷小區收斂有兩個條件：（1）小區整體吞吐量收斂；（2）小區邊緣吞吐量收斂。而小區邊緣吞吐量和小區吞吐量收斂判決流程相同，區別在于計算吞吐量時，只考慮邊緣用戶。

3.4 小結

LTE規劃仿真中，采用本文提出的多用戶調度算法及基于調度機制吞吐量的變化率作為仿真收斂的依據，能夠真實的反映給定條件下的LTE網絡性能。

4 TD-LTE基站傳輸帶寬需求

在北京懷柔以及上海世博的TD-LTE試驗網的測試中，TD-LTE的峰值速率均可以達到每小區80Mbit/s左右的理論傳輸速率。更高的傳輸速率決定了無線基站所需要的傳輸帶寬要求更高，而無線基站傳輸帶寬要求的不同，也決定了對傳輸網絡規劃建設要求的不同。

4.1 峰值傳輸帶寬計算

根據TD-LTE的網絡架構可以看到，eNode B基站的總傳輸帶寬需求包括S1用戶平面的業務數據帶寬需求、S1控制平面的信令傳輸帶寬需求、X2用戶平面的業務數據帶寬需求和X2控制平面的信令傳輸帶寬需求幾部分。

具體計算公式為：

eNode B總帶寬需求=（S1用戶平面帶寬需求+X2用戶平面帶寬需求）×扇區數＋S1控制平面帶寬需求+ X2控制平面帶寬需求＋其他開銷帶寬

從上面的公式可知，要計算基站的峰值傳輸帶寬，需要計算單小區的峰值速率。目前，單小區峰值速率計算有兩種方法。

方法一是采用單時隙承載的bit數進行計算。首先分別計算一定帶寬和調制方式下的子幀時隙和特殊時隙的所能承載的bit數，然后根據時隙配比、MIMO方式計算單小區的峰值速率。

方法二是采用最大TBsize的方式進行計算。首先根據RB數量及下行調制階數確定下行時隙的Tbsize ，根據RB數量及上行調制階數確定上行時隙的Tbsize以及特殊子幀的Tbsize ，然后在分別計算上下行的峰值速率。

這樣，如果采用方法一的計算結果，一個TD-LTE基站的峰值傳輸帶寬需求可以按照表1計算。

表1所計算的是一個TD-LTE基站的峰值傳輸帶寬需求，在實際的傳輸網絡的規劃建設中，為了保證傳輸網絡的經濟效益，一般不按照峰值傳輸帶寬進行傳輸網絡的建設，而是按照一定的方式來計算基站的保證帶寬需求。

4.2 保證傳輸帶寬計算

在實際網絡中，由于無線傳播環境的差異以及用戶分布位置不同等原因，用戶終端不可能都按照峰值速率工作。如果按照峰值傳輸帶寬進行傳輸網絡的的建設，將會造成很大的傳輸資源浪費。所以為了保證傳輸網絡的經濟效益，一般按照一定的方式來計算基站的保證帶寬需求，按照保證帶寬需求進行傳輸網絡規劃建設。

保證帶寬的計算有采用多種方式，可以根據峰值帶寬按照一定的收斂比計算，也可以按照峰值和平均值進行配比計算，還可以根據網絡仿真進行估算。

4.2.1 根據峰值帶寬按照收斂比計算

根據峰值按照收斂比進行計算的方法是在實際配置傳輸接口時，考慮不同的收斂比進行計算。

表1 傳輸帶寬需求

在實際帶寬需求大的場景下應設置較小的收斂比，甚至是不設置收斂比；在實際帶寬需求較小的場景下可以設置較大的收斂比。

4.2.2 按照峰值和平均值進行配比計算

按照峰值和平均值進行配比計算的計算方法，是在實際配置傳輸接口時根據平均值和峰值配比進行計算。

4.2.3 根據網絡仿真進行估算

根據網絡仿真進行估算的方法，是在一定的網絡建設條件下，考慮相應的業務需求，利用仿真工具對TDLTE網絡進行仿真，得到網絡中每個基站的上下行的平均吞吐量，考慮一定的傳輸倍增系數，再加上相應的控制平面帶寬需求，從而得到該TD-LTE網絡中基站實際所需要的帶寬。但仿真結果將因仿真條件的變化，仿真工具算法的差異而有所不同。

5 小結

前面給出了TD-LTE基站的峰值傳輸帶寬的計算方法，然后在峰值傳輸帶寬的基礎上，給出了3種保證帶寬的計算方法，對TD-LTE基站的傳輸帶寬需求進行了分析。3種保證帶寬的計算方法所計算出來的結果相差較大，在TD-LTE實際網絡建設中，推薦在方法三的基礎通過網絡實測數據進一步優化網絡配置需求。

[1]3GPP TS 36.211 V8.8.0, Physical Channels and Modulation

[2]3GPP TS 36.212 V9.0.0, Multiplexing and Channel Coding

[3]3GPP TS 36.213 V9.0.1, Physical Layer Procedures

[4]3GPP TS 36.201 :Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Long Term Evolution (LTE) Physical Layer; General Description

[5]3GPP TS 36.300: Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)and Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRAN); Overall description; Stage 2

[6]沈嘉，索士強，全海洋，趙訓威，胡海靜，姜怡華. 3GPP長期演進(LTE)技術原理與系統設計. 北京：人民郵電出版社

[7]趙訓威, 林輝, 張明, 姜怡華, 張鵬, 岳然, 李國榮. 3GPP長期演進(LTE)系統架構與技術規范. 北京：人民郵電出版社