TD-LTE室外頻率組網方案的仿真和測試

徐宇強，呂錦揚，聶磊，張宇峰

（中國移動通信集團廣東有限公司廣州分公司, 廣州 510631）

1 前言

按3GPP協議規定，TD-LTE支持1.4～ 20MHz載波帶寬的靈活配置，因此在組網中存在不同的頻率組網方案。在有限的頻譜資源下如何選擇頻率組網方案，獲取更高的網絡性能，保證小區的業務性能和用戶的應用體驗是亟待研究和解決的問題。

TD-LTE系統的網絡性能，特別是業務速率性能主要受SINR（信號與干擾加噪聲比）的影響。根據不同的無線環境質量，TD-LTE協議制定了29種編碼調制方案，分別定義在特定的信噪比下，采用的編碼方式和調制方式。不同的無線傳播環境下系統性能相差最多可達幾十倍。而在相同的網絡結構條件下，不同的頻率組網方案決定了整體的網絡干擾水平。

根據理論研究，帶寬越大，基于OFDM的多用戶頻選調度性能越好。為了提高數據速率，一般建議采用10MHz以上大帶寬進行組網部署。按照工信部的批復，TD-LTE規模技術試驗使用的頻率為2575～2615MHz，共40MHz。因此主流的頻率組網方案包括同頻組網、異頻組網和頻率移位頻率重用（FSFR,Frequency Shifted Frequency Reuse）等：

同頻組網：1×20MHz，單頻點，另外一個頻點可以后續擴容；

異頻組網：2×20MHz、4×10MHz；

FSFR 組網 ：3×20MHz（重疊 10MHz）、5×20MHz（重疊15MHz）。

我們在廣州珠江新城規模技術試驗網選擇部分站點，通過網絡仿真和現場測試兩種方法對不同的頻率組網方案進行研究和對比。

2 網絡仿真

2.1 仿真的方法及條件

網絡仿真采用中國移動設計院開發的TD-LTE仿真軟件ANPOP，對不同頻率組網方案的網絡接入性能和吞吐量等指標進行了仿真分析。仿真區域共119個基站，305個小區，所選區域為密集城區，總覆蓋面積18.44km2，平均站點密度為6.45站/km2，平均站間距423m，采用在實際路測校正后的SPM模型，公式如下（其中K4和K6為零）：

Lmodel=22.2+46.13lg(d)+5.83lg(HTxeff)-6.55lg(d)lg(HTxeff)+Kclutter×f(clutter)

主要仿真參數如表1所示。

表1 系統仿真參數表

2.2 接入成功率仿真結果及分析

由于不同頻率組網方案的網絡覆蓋性能完全一致，因此接入性能主要取決于網絡的信號質量（SINR）及小區的可用資源。各種頻率組網方案中各種類型接入失敗的仿真結果如圖1所示（單位：%）。

仿真結果分析：

20MHz同頻組網方式下，由于干擾較大，所以用戶的接入失敗數量較多；

在異頻組網時，隨頻點數量增加，覆蓋區域內的SINR的提高，用戶的上下行接入成功率均逐步提高；

FSFR組網時，由于不同小區的PDSCH隨中心頻點相互錯開，下行的接入性能接近異頻組網；但由于在上行時用戶間的干擾比較大，上行激活和接入的成功率均明顯低于異頻組網，且頻點數增加導致子載波重疊的比例增加，接入性能隨之下降。

圖1 接入性能仿真結果

根據仿真結果，網絡總體為上行受限，因此接入性能異頻組網優于FSFR，FSFR優于同頻組網，且在異頻組網環境下，接入性能隨頻率數量的增加而提高。

2.3 吞吐量仿真結果及分析

吞吐量仿真結果如表2所示。

仿真結果分析：

表2 吞吐量仿真結果

20MHz同頻組網可獲得最高的頻率利用率和邊緣頻率利用率；

異頻組網的網內干擾較低，可獲得最高的小區平均吞吐量和邊緣吞吐量，異頻組網頻點數量減少時小區邊緣吞吐量下降，頻點數量增加時小區平均吞吐量下降；

FSFR的的小區平均吞吐量性能接近異頻組網方式，但邊緣吞吐量較低，FSFR的頻點數量越多，邊緣吞吐量的下降越明顯。

根據仿真結果，異頻組網和FSFR的小區平均吞吐量優于同頻組網，異頻組網的小區邊緣吞吐量優于FSFR和同頻組網，同頻組網的頻率利用率最佳。

3 現場測試

3.1 測試方法

由于現有終端對異頻的支持不好，直接進行測試無法準確對比不同頻率組網下的網絡性能。我們通過采用掃頻儀對不同組網方式下的RSRP和SINR進行測量，通過逆向擬合推導接入成功率、網絡容量等關鍵指標，從而得到不同頻率配置情況下的網絡性能。具體方法如下：

根據TD-LTE協議的規定，網絡中的下行傳輸速率是終端的SINR決定的。SINR越高，信道環境越好，就可以使用更高的碼率和更高的調制方法。不同的平均SINR對應于不同的有效傳輸速率，這個對應關系可由系統仿真確定?，F場掃頻儀可以測出每個點的SINR值，對應得出各點的傳輸速率，最終計算出全網的平均下行速率。在下行的測量中，可通過系統模擬加載的方式對不同負載情況下的SINR進行測量，從而得到不同負載情況下的下行傳輸速率等網絡性能。

對于上行，無法直接測得各點對應的SINR，因此我們根據不同的組網方式，計算出相應的下上行干擾抬升值；利用測試得到的RSRP值計算出空間的路徑損耗；根據基站配置，計算出上行的發射功率（如果發射功率大于UE最發發射功率，按照最大發射功率計算）。根據以上三者可以計算各點對應的SINR值，最后得出相應的上行傳輸速率。同樣的，可以根據用戶業務對干擾的抬升，推算出加擾情況下的上行SINR值，從而得到不同負載情況下的上行傳輸速率等網絡性能。

用以上方法得到的速率通常高于實際系統中測量的數據，主要原因在于掃頻儀給出的始終都是最好的小區測量得出SINR值，但在實際系統中，由于為了防止乒乓切換，切換過程中UE的服務小區可能不是最優的小區；小區切換時會有切換時延，期間無法傳輸數據；逆向擬合是假設數據是足夠的，想發就有數據可發的理想狀態。而在實際系統中，由于服務器原因和TCP層反饋原因，可能會存在服務器給出的流量不夠的情況。但這些在不同頻率組網的系統中對網絡性能的影響是基本一致的，因此在研究不同組網模式的性能對比時，逆向擬合方式得到的數據具有較大的參考意義。由于在FSFR中，不同的子載波的SINR不相同，無法采用逆向擬合的方式進行計算，因此在現場只完成了同頻和異頻的性能測試。

現場選取仿真區域的東南角作為測試區域，測試區域共18個基站，26個小區，所選區域為密集城區。同頻組網下各相關參數配置已經過充分優化，在異頻組網下同eNode B的不同小區盡量采用不同頻點，存在切換關系的小區，切換優先級最高的小區也盡量配置不同頻點。

3.2 吞吐量測試結果分析

測試結果分析：

在空載時，20MHz同頻組網可獲得最高的頻率利用率；

2×20MHz異頻組網的網絡干擾較低，網絡的容量和用戶接入性能最佳，加載時2×20MHz異頻組網的邊緣頻率利用率最高；

4×10MHz異頻組網的網內干擾最低，其邊緣頻率利用率與20MHz同頻組網的相當，但由于單小區帶寬太低，導致系統的峰值速率較低。

根據測試結果，不同的頻率組網方案可應用于不同的網絡場景：在建網初期，用戶數量不多的場景下可通過同頻組網降低頻譜資源的占用，降低投資風險；當網絡用戶和業務量增加后，采用2×20MHz異頻組網，可以獲得較佳的網絡性能；4×10MHz異頻組網可用于大型場館等干擾較大但對單用戶峰值速率要求不高的特殊場景。

表3 吞吐量測試結果分析

4 初步結論及應用建議

在不同頻率組網方案的對比中，網絡系統仿真和現場測試的結果基本一致。因此，在采用D頻段共40MHz頻率組網的情況下，同頻組網、異頻組網和FSFR方案的對比如下：

同頻組網的頻率利用率最高，且用戶數不多的情況下網絡性能較好，因此在建網初期，用戶數量不多的場景可廣泛使用，降低頻譜資源的占用，降低投資風險；

異頻組網可獲得較佳的網絡接入性能和吞吐量性能，其中2×20MHz異頻組網適用于用戶和業務量較多的一般場景，4×10MHz異頻組網可用于大型場館等干擾較大但對單用戶峰值速率要求不高的特殊場景；

根據仿真結果，FSFR在接入性能和吞吐量均沒有明顯優勢，且由于FSFR導致頻譜使用不均勻，將為網絡規劃和優化帶來較大的實際困難。

目前TD-LTE網絡頻率組網方案的性能和應用仍受限于產業的發展，如系統設備和終端對系統帶寬的支持能力、系統設備和終端對同頻段異頻點/異頻段異頻點切換功能的支持能力、半靜態/動態ICIC等干擾抑制技術的實現、智能天線的應用及實現等。因此，仍需要在實際網絡中對不同的頻率組網方案進行不斷的測試和優化，才能找到適合TD-LTE技術的頻率組網方案。

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[3]胡宏林, 徐景. 3GPP LTE無線鏈路關鍵技術[M]. 北京：電子工業出版社.

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