LTE鏈路預算中邊緣速率的確定和仿真

文│ 中國移動通信集團設計院有限公司 常 靜 柏 楊

1 引言

在無線數(shù)據(jù)業(yè)務開始階段，一般采取的是不同業(yè)務選擇不同的功率發(fā)射，以維持額定數(shù)據(jù)速率。即“動態(tài)功率，額定速率”。3GPP R4版本之前都是采用的這種方式，而在3GPP R5版本及以后的HSDPA中，采用了AMC（自適應編碼調(diào)制技術），即功率不變，業(yè)務速率變化。當接收機接收到的信號不能支撐高速率業(yè)務時，降低業(yè)務速率，還可以繼續(xù)保持業(yè)務鏈接。也就是說，業(yè)務速率不同，要求的解調(diào)門限也不一樣。

LTE中，也是采用的AMC技術，這和HSDPA是相同的。

2 影響LTE覆蓋的因素

LTE最大的覆蓋范圍是指滿足一定業(yè)務速率的范圍。即如果說LTE的覆蓋范圍是和業(yè)務速率關聯(lián)的，沒有確定覆蓋邊緣的業(yè)務速率，就不能確定LTE的覆蓋范圍。

2.1 基站發(fā)射功率

由于LTE系統(tǒng)是存在小區(qū)間的干擾，所以增大基站的發(fā)射功率并不意味著能增大基站的覆蓋范圍，也就是說，增大基站的發(fā)射功率不一定能提高信噪比。所以，只能調(diào)整基站的發(fā)射功率，使信噪比達到最大。

2.2 頻率的影響

LTE支持的頻率范圍是700MHz～2.6GHz。在無線通信里，高頻段的傳播損耗要比低頻段的高。所以，采用的頻段會影響LTE的覆蓋范圍。

2.3 多天線技術

天線的分集模式越多，可以覆蓋的范圍越大。在使用多天線技術時，采用天線的數(shù)量和技術直接影響覆蓋范圍。比如使用8天線比2天線的增益要大6dB。波束賦形技術和MIMO技術也會影響基站的覆蓋范圍。

2.4 帶寬、RB資源和信道配置

LTE支持多帶寬動態(tài)配置，帶寬資源的配置，直接影響LTE的速率，也影響LTE的覆蓋范圍。用戶占用的載波資源越多，接收機的底噪越大，覆蓋范圍就會相應的收縮；同時，業(yè)務信道占用的子載波數(shù)目越多，在邊緣速率要求一定的情況下，覆蓋范圍也就越大。占用的帶寬越多意味著占用的RB資源越多，即RB資源也影響覆蓋范圍。

控制信道的資源配置方式也會影響覆蓋的能力。如PDCCH的DCI格式的等效編碼率不同，PUCCH的CQI的反饋模式、PRACH不同的格式配置和不同的循環(huán)移位參數(shù)配置都影響其能夠獲得的解調(diào)門限。解調(diào)門限要求高，其范圍相應的縮小。

2.5 RRM算法和子幀結構

在RRM算法中，對覆蓋有影響的主要是ICIC模塊和DRA模塊。小區(qū)間的干擾會影響接收機的底噪和接收靈敏度。ICIC模塊主要是調(diào)整上下行接收機的靈敏度影響覆蓋的能力。動態(tài)資源調(diào)度DRA主要是通過調(diào)整用戶使用的子載波數(shù)目和調(diào)制編碼方式影響覆蓋范圍。

子幀結構中，選擇常規(guī)CP還是擴展CP，限制著理論上最大的覆蓋范圍。

3 RB數(shù)量和MCS的對應關系

在LTE中，由于RB數(shù)量是數(shù)據(jù)業(yè)務的物理載體，LTE的調(diào)度算法決定一個TTI內(nèi)的TB模塊需要分配多少個RB。在LTE標準TS36.213的Table 7.1.7.2.1-1:Transport block size table中有它們的對應關系。由于表格太大，這里就不引用了。同時，標準中給出了下行共享信道的中MCS和TB的對應關系，如表1所示。

對于MCS的序號代表的調(diào)制方式可以查MCS指數(shù)表，如表2所示。

在RRC中，每種傳輸信道定義成了一個SEQUENCE類型的機構，分別對應有DL_DCCH_Message、UL_DCCH_Message、DL_CCCH_Message、UL_CCCH_Message、PCCH_Message、DL_SHCCH_Message、UL_SHCCH_Message、BCCH_FACH_Message、BCCH_BCH_Message。在RRC的ASN.1編解碼中沒有將信道類型包括其中，但是系統(tǒng)可以根據(jù)解析的物理層信道，得到RRC消息使用的信道類型。

4 MCS和信噪比的關系

調(diào)制方式的階數(shù)越高，即一個波形上調(diào)制的符號越多，數(shù)據(jù)的傳輸速率也就越大，但同時對信噪比SNR的要求也就越高。如果SNR不滿足要求而采用高階調(diào)制，解調(diào)的過程中誤碼率就會很高，導致數(shù)據(jù)業(yè)務的總體速率低。

通過對比高斯白噪聲的仿真結果，可以看到不同的MCS對SNR環(huán)境的要求，如圖1所示。

5 SNR對應的業(yè)務速率

表1 Modulation and TBS index table for PDSCH

表2 MCS指數(shù)表

在規(guī)劃設計時，根據(jù)規(guī)劃的鏈路預算信噪比SNR，可以查到對應的MCS，通過MCS和TB的對應表，可以得出當前支持的TB的級別，然后根據(jù)當前的系統(tǒng)配置帶寬，可查當前TB支持的RB數(shù)量，最后得到當前支持的最大速率。

例如，在20M帶寬的情況下，SNR為0時，對應的MCS為5，QPSK，R=1/2，使用雙天線收發(fā)流，則對應的MCS序號為9， 查詢TBS序號為9，查表得TBS為17568，則傳輸速率為17568×1000=17.56Mbps。

6 LTE的鏈路預算

和以往制式的無線鏈路預算相比，LTE的鏈路預算需要考慮相對較多的因素，主要原因是LTE的信道可以靈活配置帶寬。但是從根本上來說，計算的主要思路并沒有實質(zhì)性的改變。

LTE鏈路預算需要考慮的特殊因素包括：業(yè)務的邊緣速率，系統(tǒng)帶寬資源的配置，天線配置、不同信道的接收機解調(diào)門限，ICIC算法的差異對應的干擾余量的變化。這些因子可以在預算開始時根據(jù)實際情況確定下來，作為已知參數(shù)輸入到LTE的鏈路預算公式。

LTE鏈路預算的關鍵步驟如圖2所示。在實際工作中，鏈路預算是采用相關工具一步一步完成的，我們只需關注每個步驟相應的輸入和輸出即可。

圖1 MSC和SNR的對應曲線圖

圖2 LTE鏈路預算的關鍵步驟

（1）輸入邊緣業(yè)務速率

3GPP協(xié)議規(guī)定了會話類、交互類、流類、背景類四類業(yè)務，并且又規(guī)定每類業(yè)務典型的應用和QoS要求。LTE網(wǎng)絡建設首先要滿足這些基本的要求。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的迅速發(fā)展，有線寬帶移動化使得傳統(tǒng)寬帶業(yè)務和移動網(wǎng)絡緊密的結合，LTE網(wǎng)絡將要承載更多的寬帶業(yè)務，包括寬帶上網(wǎng)和視頻監(jiān)控等。所以，在規(guī)劃中設定LTE的邊緣覆蓋速率，空載時，鏈路預算的參考輸入值可以為下行1Mbps左右，上行250Kbps左右。

（2）配置邊緣用戶資源，包括RB資源，上、下行時隙配置比

邊緣用戶帶寬配置和動態(tài)調(diào)度算法直接相關，也和小區(qū)支撐的用戶總數(shù)有關。在10MHz帶寬的LTE系統(tǒng)中，采用部分公平的調(diào)度算法，按每小區(qū)用戶數(shù)為10個的情況計算，用戶占用的RB數(shù)為5～10個。

（3）確定天線配置、天線工作模式

在鏈路預算中，現(xiàn)有的技術條件下，天線的配置可以是1×2、2×2、2×4、4×4等。選擇天線的工作模式，對于邊緣用戶來說，一般選取發(fā)射分集或波束賦形。選定了天線配置和天線的工作模式，一般的鏈路預算工具就會關聯(lián)出相應的天線增益。

（4）計算發(fā)射端的RIRP

發(fā)射端的RIRP等效發(fā)射功率是機頂口發(fā)射功率減去相關損耗并加上天線增益。在LTE里，由于是多用戶共享載波資源，因而單用戶天線口功率還需考慮用戶功率的分配損耗。

在下行方向上，在系統(tǒng)帶寬為20MHz的情況下，單天線機頂口發(fā)射功率參考值為43dB/m。每個UE分配的具體功率是和UE分配的RB數(shù)目相關。UE分配的功率比例就是該UE的RB數(shù)目和總RB數(shù)目之比。假若有10個用戶，用戶的功率分配損耗為10dB。在上行方向，終端發(fā)射總功率可取23dB/m。

在下行方向，主要的損耗為接頭和饋線的損耗，對于BBU+RRU的模式，這個損耗的參考取值為0.5～1dB之間。上行方向主要考慮的是人體損耗，對于語音業(yè)務，損耗值為3dB；對于數(shù)據(jù)業(yè)務移動臺，可以不考慮人體損耗影響，即取0dB。

對于下行天線增益，不同的天線類型取值不同。室外高增益天線參考取值是15～20dB；室內(nèi)分布天線的增益參考取值為3～6dB。邊緣用戶的天線工作模式不同，帶來的處理增益也不同，需要考慮相應的多天線分集增益，波束賦形增益。天線配置為2×2時，對于天線分集增益，或波束賦形增益，一般取2～3dB即可。

發(fā)射端等效發(fā)射功率計算如表3所示。具體規(guī)劃時如，取值與LTE配置相關及無線環(huán)境相關，可能會有很大的差別，但計算方法類似。

（5）計算接收端最小接入電平

接收端的最小接入電平dB/m是接收段解調(diào)門限加系統(tǒng)底噪、干擾余量、相關損耗，然后減去相關增益所得的值。

表3 發(fā)射端等效發(fā)射功率實例

根據(jù)上一節(jié)確定的業(yè)務速率和最低信噪比要求的對應關系，接收機要求的解調(diào)門限也就確定。

系統(tǒng)底噪是熱噪聲功率譜密度與UE所分配帶寬的乘積，再加上接收機的噪聲系數(shù)。上行基站側(cè)的接收機噪聲系數(shù)，其參考取值為2～3dB；終端側(cè)的接收機噪聲系數(shù)，其參考取值為7～9dB。

熱噪聲功率譜密度為-174dB/m·Hz，假若系統(tǒng)帶寬為10MHz，每用戶分配1MHz，那么下行手機側(cè)接收端的底噪為-174dB/m·Hz+10lg（106）+7=-107（dB/m）；上行基站側(cè)接收端的底噪為-174dB/m·Hz+10lg（106）+2=-112（dB/m）。

干擾余量可分為上行干擾余量和下行干擾余量。不同的無線環(huán)境，不同的組網(wǎng)結構，不同的負載狀態(tài)，不同的干擾抑制算法，差別比較大，需要通過仿真平臺來確定。

具體規(guī)劃工作中，計算上下行側(cè)的設備底噪，會和LTE設備的配置和無線環(huán)境相關，計算方法和上述相似。

（6）考慮無線環(huán)境，主要是穿透損耗和陰影衰落余量

由于無線傳播環(huán)境的差異，穿透損耗和陰影衰落余量的取值差別也比較大。在城區(qū)條件下，建筑物穿透損耗的典型值為15～20dB；考慮8dB的陰影衰落標準差，95%的區(qū)域覆蓋率對應的陰影衰落余量為8.3dB。

（7）計算最大允許路損

最大允許路損是發(fā)射端天線口等小功率減去接收端最小接收電平，再減去穿透損耗和陰影衰落余量。

7 覆蓋的仿真結果

在Atoll仿真軟件的LTE平臺上，通過限定速率來對比各個指標之間的關系。主要是限定速率下，上下行的解調(diào)門限和帶寬的關系；負載和覆蓋范圍的關系曲線以及限定覆蓋距離時，小區(qū)的吞吐量和負載的關系。

7.1 解調(diào)門限和帶寬關系仿真圖

圖3是設定下行的業(yè)務速率，得到的業(yè)務帶寬和解調(diào)門限之間的關系圖。仿真中共設定6個不同的業(yè)務速率，從128Kbps到4Mbps。所有帶寬都分配給一個用戶。從圖3中可以看到，業(yè)務速率越高，所需的解調(diào)門限越高，但是對于低速率業(yè)務用高帶寬傳送，所需的解調(diào)門限反而也會升高，這是由于接收機底噪的抬升所致。對比小于1M的業(yè)務速率，在20M的帶寬下，所需的解調(diào)門限呈收斂趨勢，表明在20M帶寬下，寬頻帶所導致的接收機底噪的抬升已成為解調(diào)門限升高的主要原因。

圖3 LTE下行帶寬和解調(diào)門限關系圖

圖4是設定上行的業(yè)務速率，得到的業(yè)務帶寬和解調(diào)門限之間的關系圖。由于基站的設備噪聲要優(yōu)于接收設備的設備噪聲，所以同等速率上行的最低解調(diào)門限要低于下行。對比圖4中各業(yè)務速率曲線可以發(fā)現(xiàn)，不同的業(yè)務速率有各自的最優(yōu)傳輸帶寬，特別是對低業(yè)務速率的情況下尤其明顯。超過所需的帶寬，解調(diào)門限就呈上升的趨勢，這也是在LTE網(wǎng)絡中，在傳送不同業(yè)務時，采用動態(tài)功率分配的一個原因。

圖4 LTE上行帶寬和解調(diào)門限的關系圖

7.2 覆蓋和負荷關系圖

由于LTE的網(wǎng)絡特性，在不同的小區(qū)負荷的情況下，相同的業(yè)務速率有著不同的覆蓋范圍。小區(qū)負荷越輕，所能覆蓋的距離越遠，如圖5所示。

圖5 覆蓋距離和小區(qū)負荷關系圖

在規(guī)劃中，對于給定的邊緣速率，可以確定小區(qū)的覆蓋范圍。如果邊緣速率為1Mbps，且小區(qū)負荷為1時，覆蓋半徑為1.5km。大于2Mbps的業(yè)務速率，覆蓋半徑和小區(qū)負荷近似呈線性關系。在規(guī)劃中，根據(jù)圖5的結論，可以統(tǒng)籌考慮小區(qū)的邊緣速率、覆蓋半徑和預測業(yè)務量。

7.3 小區(qū)吞吐速率和小區(qū)負荷關系圖

圖6為小區(qū)吞吐速率和小區(qū)負荷之間的關系示意圖。綜合圖5、圖6可以看到，在小區(qū)半徑為0.5km以內(nèi)，吞吐速率和小區(qū)的負荷關系曲線變化迅速。而對于1.5km的距離，吞吐速率和小區(qū)的負荷沒有明顯的變化。由此可以看到，如果是在城區(qū)等并發(fā)業(yè)務多的區(qū)域，設計的小區(qū)半徑在0.5km左右比較合適，這樣可以滿足不同時段不同用戶的個性需求。對于在業(yè)務需求量比較小的區(qū)域，小區(qū)半徑可以設計為1.5km，只需保證小區(qū)的邊緣速率在2M左右，即可滿足用戶的需求。

圖6 吞吐速率和小區(qū)負荷關系示意圖

8 結束語

實際工作中LTE網(wǎng)絡規(guī)劃，必須根據(jù)本地網(wǎng)的實際情況進行規(guī)劃分析，本文只是提供了一些一般的參考原則。以指導實際工作。部分參考數(shù)值可以根據(jù)本地網(wǎng)的實際結果進行調(diào)整。