TD-LTE覆蓋能力綜合分析

肖清華，楊春德，張 堃（華信郵電咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 前言

LTE網絡的優勢在于能夠更好地支持高速數據與多媒體業務，通過采用OFDM、SC-FDMA和MIMO等多種關鍵技術可以實現比目前2G/3G系統更快的數據速率、提供更高的小區容量，以及顯著降低用戶平面和控制平面的時延。

關于LTE系統覆蓋能力的研究文獻目前已經很多，但大部分描述得并不詳細或者缺乏對比和結論性的分析。為了解決這些問題，本文對TD-LTE上下行鏈路的覆蓋能力、不同鏈路業務和控制信道的覆蓋能力進行了詳細的分析和對比，并對鏈路預算中某些特殊項的取值給出了原理性的闡述和分析。結合TD-HSDPA等類似數據承載網絡，對今后混合組網的平滑性也作了對比分析。

1 TD-LTE的幀結構及最大覆蓋能力

TD-LTE 下 行 采 用 PBCH、PCFICH、PDCCH、PDSCH和PMCH物理信道，上行則采用PUCCH、PUSCH和PRACH物理信道。在進行OFDM符號的傅利葉逆變換（IFFT）之后插入循環前綴（CP）以防止符號間干擾，其幀結構如圖1所示。

TD-LTE最大覆蓋能力一方面與幀結構中GP的配置長度有關（與TD-SCDMA類似），另一方面取決于小區邊緣用戶的最大接入距離（PRACH信道配置）。

對于GP配置，參考TD-LTE的幀結構，最大覆蓋距離MaxD1=C×GP/2，其中C為光速。表1示出的是不同特殊時隙的最大覆蓋距離。

圖1 TD-LTE幀結構

表1 不同特殊時隙的最大覆蓋距離

圖2示出的是PRACH的結構。

圖2 PRACH的結構

此時最大覆蓋距離MaxD2=C×GT/2，其中GT為PRACH中的空余時隙長度。表2示出的是PRACH的最大接入距離。

表2 PRACH的最大接入距離

取兩者最大值，得出TD-LTE的理論最大覆蓋距離 MaxD=max（MaxD1，MaxD2）。

2 TD-LTE上下行鏈路預算

TD-LTE系統的覆蓋能力與鏈路預算指標緊密相聯，但與其他系統不同的是，TD-LTE在系統幀結構設計上支持更大的覆蓋極限，覆蓋目標也具備多樣化，更多依賴于邊緣用戶的速率。在TD-LTE系統規范中定義了6種載波帶寬，用戶占用的子載波帶寬由系統分配，對覆蓋產生很大影響。此外，增加64QAM的高階調制、更豐富的編碼率，引入OFDM和MIMO技術等都會對TD-LTE的覆蓋能力產生影響。

2.1 TD-LTE鏈路預算流程

TD-LTE的鏈路預算涉及業務信道和控制信道，由于控制信道不涉及RB分配，與用戶數據速率無關，因此，在流程上比業務信道更簡單（見圖3）。

由圖3可見，無論是業務信道還是控制信道的鏈路預算，均包括共性參數。

a）基本條件：系統帶寬、天線數和發射模式（如發射分集或波束賦形）、天線增益、發射功率、接收靈敏度等。

b）干擾余量、信噪比（SINR）等。

另外，業務信道還包括要承載的業務速率（小區邊緣用戶的流量要求）、RB數目分配等參數。

為表述方便，下文將以20 MHz信道帶寬（100個RB）、常規CP配置、終端1天線收發、基站2天線收發（SFBC+分集）為例進行鏈路預算分析。對于小區功率，由于下行功率是均分在所有RB上的，業務分配功率與其占用的RB數目成正比。而上行則是所有eUe發送功率都給所占用的RB。所以本文假定下行小區功率配置在20 MHz帶寬下為46 dBm，上行eUe發射功率為24 dBm。

2.2 典型鏈路預算參數

典型參數包括干擾余量和目標SINR（見圖3中黃色部分）。對于干擾余量，由于每個業務在多個RB上承載，實際占用帶寬是變化的，因此非常難以給出一個定值。通常情況下，由于TD-LTE的上行是快速功率控制，可以有效地控制干擾攀升，而下行是功率分配，不存在快速功控，干擾相對會大些。

圖3 TD-LTE鏈路預算流程

通過采用仿真得到不同條件下的單小區 （無小區間干擾）、多小區邊緣吞吐率，然后得到給定邊緣吞吐率所對應的單小區半徑和多小區半徑。最后通過空口路損模型，得到單小區半徑、多小區半徑所對應的路損，兩者之差即為干擾余量。

假定小區邊緣用戶目標吞吐量為THtar時，單小區邊緣用戶的信噪比為

同理，多小區邊緣用戶的信噪比為

Sreq和S分別表示單小區和多小區的覆蓋半徑，Itotal和PN則分別表示其干擾。

在相同小區覆蓋范圍（Sreq=S）的前提下，多小區邊緣用戶在滿足THtar吞吐量時的干擾余量為

具體結果如表3所示。

表3 干擾余量

對于SINR，一定的邊緣速率所需要的目標SINR與用戶RB配置、MCS等級、傳輸模式、信道模型等有關。只有在確定相關的系統條件和配置，通過鏈路仿真獲取該信道的SINR。鏈路仿真顯示不同MCS下的SINR與MAC速率的關系（見圖4）。

不同業務速率對應不同的RB分配，進而需要不同的MAC速率承載，通過速率匹配，查詢所需要的調制編碼方式，則可以獲取SINR數值（見表4）。

此外，為方便下文的鏈路預算，再統一給出其他的常規參數（見表5）。

表4 不同配置下的SINR

表5 TD-LTE鏈路預算常規參數

2.3 上行TD-LTE鏈路預算

上行鏈路預算又可分為控制信道和業務信道的鏈路預算，兩者均適用于式（4）。

式中：

LUL——上行鏈路最大傳播損耗（dB）

PB——終端最大發射功率（dBm）

GB——基站天線增益（dBi）

GU——終端天線增益（dBi）

Lf——饋線損耗（dB）

Mf——陰影衰落余量（dB）

M1——干擾余量（dB）

Lp——建筑物穿透損耗（dB）

Lb——人體損耗（dB）

圖4 TD-LTE SINR鏈路仿真

SU——基站接收靈敏度（dBm）

a）上行鏈路預算（業務信道）。在取定上文的典型參數和常規參數的前提下，以64~1 000 kbit/s數據業務為例，給出TD-LTE上行鏈路的業務信道鏈路預算（見表 6）。

b）上行鏈路預算（控制信道）。上行控制信道主要是PUCCH，包括Format1~Format2b等6種格式。當采用Format2b格式時，使用QPSK+QPSK調制，總BIT數超過20，覆蓋距離是最短的（見表7）。

下文以Format2系列格式為例對上行控制信道的鏈路預算進行說明。由于大部分參數與業務信道相同，在此只列出不同部分（見表8）。

對比上行控制信道和業務信道的鏈路預算，可知：a）上行控制信道的覆蓋能力受限于PUCCH 2b。b）即便是PUCCH 2b，其覆蓋能力也好于上行業務信道，所以上行鏈路是業務信道PUSCH受限。

c）上行業務信道覆蓋范圍隨著小區邊緣目標的速率增加而減少。

2.4下行TD-LTE鏈路預算

類似地，可先對下行鏈路進行鏈路預算的分析。

式中：

LDL——下行鏈路最大傳播損耗（dB）

PB——基站最大發射功率（dBm）

SU——終端接收靈敏度（dBm）

a）下行鏈路預算（業務信道）。以64~2 000 kbit/s數據業務為例，具體鏈路預算參見表9。

b）下行鏈路預算（控制信道）。下行控制信道包括PBCH、PDCCH、PCFICH等，由于大部分參數與業務信道相同，在此只列出不同部分（見表10）。

對比下行控制信道和業務信道的鏈路預算，可知：

a）下行控制信道的覆蓋能力受限于PDCCH，PBCH能夠達到最優覆蓋。

b）與下行業務信道相比，PDCCH覆蓋能力仍然受限，所以下行鏈路是PDCCH受限。

c）下行業務信道PDSCH覆蓋范圍隨著小區邊緣目標的速率增加而減少。

3 TD-LTE的覆蓋能力綜合分析

圖5示出的是TD-LTE不同業務、不同信道、不同鏈路的覆蓋能力。

由圖5可知：

表6 TD-LTE上行業務信道鏈路預算

表7 PUCCH格式

表8 TD-LTE上行控制信道與業務信道鏈路預算差異

a）TD-LTE的上行信道受限于PUSCH，即業務信道。

b）TD-LTE的下行信道受限于PDCCH，即控制信道。

c）在上下行業務信道目標速率相同時，PDSCH覆蓋優于PUSCH，即上行業務受限。

d）對比上下行覆蓋范圍，TD-LTE系統覆蓋受限于PDCCH，即下行控制信道。

此外，為了更好地了解數據承載網絡TD-LTE與TD-HSDPA在覆蓋能力上的差異，本文在取定相同參數、區域類型的前提下給出TD-HSDPA的鏈路預算，（見表 11）。

表9 TD-LTE下行業務信道鏈路預算

表10 TD-LTE下行控制信道與業務信道鏈路預算預算差異

圖6示出的是TD-LTE與TD-HSDPA覆蓋能力對比。

由圖6可知：

a） 在相仿業務能力（TD-LTE 500 kbit/s、TD-HSDPA384 kbit/s）情況下，TD-LTE上下行業務信道要優于TD-HSDPA。

b）在相同前提下，TD-LTE的上行控制信道覆蓋能力優于TD-HSDPA，下行PUCCH 2b要略遜于HSHSCCH，但PBCH和PCFICH控制信道的覆蓋能力要優于后者。

c）因此，對于TD-LTE與TD-HSDPA的混合組網完全可以在目前的TD-HSDPA網絡上進行規劃。

4 結束語

TD-LTE的覆蓋性能是對系統進行評估的重要指標，決定了是否可以帶給用戶穩定、可靠的業務感知。本文基于TD-LTE幀結構，首先分析了其最大覆蓋能力，之后分別具體給出了上下行控制及業務信道的鏈路預算，并結合TD-HSDPA的覆蓋能力進行綜合對比分析，對于今后從事TD-LTE的網絡規劃有著一定的指導作用。

當然，TD-LTE的覆蓋性能與RB資源塊的分配算法、調度模式、調制方法緊密相關，所以在實際中也是千變萬化的。本文也只是以典型案例進行介紹，限于篇幅，對2天線TD-LTE與TD-HSUPA的對比，8天線情況下的TD-LTE等均未作分析。

表11 TD-HSDPA鏈路預算

圖5 TD-LTE的上下行鏈路預算分析

圖6 TD-LTE與TD-HSDPA覆蓋能力對比（TD-LTE 2天線，HSDPA 8天線）

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