長期演進無線容量和承載能力分析

中國移動通信集團江蘇移動有限公司 張永慶

1 LTE無線資源概述

LTE（長期演進）物理層包含下行信道和上行信道，其中下行信道包含PBCH（物理廣播信道）、PDCCH（物理下行控制信道）、PDSCH（物理下行共享信道）、PCFICH（物理控制格式指示信道）、PHICH〔物理HARQ（混合自動重傳請求）指示信道〕、PMCH（物理多播信道）。PBCH承載小區ID（標識）等系統信息，用于小區搜索過程。PDCCH承載尋呼和用戶數據的資源分配信息以及與用戶數據相關的HARQ信息。PDSCH承載下行用戶數據。PCFICH承載控制信道所在OFDM（正交頻分多址）符號的位置信息。PHICH承載HARQ的ACK/NACK（確認/非確認）信息。PMCH承載多播信息。

上行信道包含PRACH（物理隨機接入信道）、PUSCH（物理上行共享信道）、PUCCH（物理上行控制信道）。PRACH承載隨機接入前導。PUSCH承載上行用戶數據。PUCCH承載HARQ的ACK/NACK，調度請求，信道質量指示。

分析上述LTE信道，限制LTE無線容量的主要因素是：

1）下行業務資源。下行業務資源主要是下行PRB（物理無線塊）資源和帶寬資源。

2）下行信令資源。下行信令資源主要是PDCCH資源和尋呼資源。

3）上行業務資源。上行業務資源主要是上行PRB資源和帶寬資源。

4）上行信令資源。上行信令資源主要是PRACH資源。

2 LTE上下行業務容量

LTE采用OFDM技術，不同于WCDMA（寬帶碼分多址）采用的擴頻技術（每個symbol占用帶寬都是3.84MHz），通過擴頻增益等技術來對抗干擾。OFDM則是每個symbol都對應一個正交子載波，通過載波間正交性來對抗干擾。協議規定，通常情況下子載波間隔15 kHz，normalCP（循環前綴）情況下，每個子載波一個slot有7個symbol；extend CP情況下，每個子載波一個slot有6個symbol。頻率上連續12個子載波，時域上一個slot，稱為1個RB（無線塊），1個RB帶寬為180 kHz。

LTE時隙幀結構見圖1。

RB是業務面數據最小調度單位，下行PRB利用率和上行PRB利用率可作為衡量前向業務信道負荷指標的參數。但基于無線數據業務特性，在高速率情況下少數幾個用戶就能將所有業務資源全部占用，因此PRB利用率并不能完全反映LTE網絡的業務資源負荷，還需小區用戶數共同反映LTE網絡業務資源負荷情況。

LTE下行吞吐量在密集城區平均吞吐率能力仿真如下。

LTE數據吞吐率見表1。

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小區承載能力采用基于用戶體驗和話務模型的分析方法。圖2為五步驟分析方法。

忙時用戶激活比Rb：放號用戶中，有多少用戶在忙時使用網絡。在LTE中用戶開機，就會attach附著，因此用戶激活比就是相當于開機率。

其中，Ub為忙時總附著用戶數，n為放號數。

忙時業務激活比Rs：附著的用戶中，建立RRC（無線資源連接）的平均時長比例。

其中，tba為忙時平均每附著用戶RRC連接時長，Ubr為忙時平均RRC用戶數，Ua為忙時總附著用戶數。

忙時同時傳輸比Rt：指空口連接時，有多大比例時間傳輸數據。

其中，tbt為忙時平均每用戶傳輸時長，tb為忙時平均每用戶RRC連接時長。

參考當前業界LTE的話務模型，取LTE的話務用戶模型見表2，LTE小區承載能力見表3。

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根據上表得出的結論，LTE在無線容量側主要是下行受限，小區支持的最大放號用戶數約為2 656個。

3 LTE上行信令容量

PRACH信道容量定義：在滿足碰撞概率為1%的前提下，每秒能夠支持的成功接入次數。

PRACH信道容量主要受限于：

·每幀中配置的PRACH時隙數；

·產品處理能力。

競爭接入與競爭前導數和PRACH數量相關，根據R2-070206，碰撞概率P與競爭前導數、PRACH數量的關系為

其中，G為每秒競爭接入次數，即為PRACH容量；L為每秒內RA（路由區）資源的總數。P的目標值一般設為1%。

每秒PRACH數量計算舉例：

·20MHz帶寬；

由于互聯網的傳播的迅速行，任何財務信息的傳遞都是十分迅速的，同時因為數據的安全性也容易產生漏洞。尤其是基于互聯網技術對于金融行業來說，仍然存在不小的挑戰，盡管給互聯網金融帶來了極高的交易速率，而且交易本身也儲存了大量的數據，數據內容涵蓋了商業機密與客戶個人隱私，一旦某個產生某種漏洞，就會給互聯網財務造成毀滅性的打擊。正是基于這些因素，極大的增加了隱患產生的概率。

·普通CP配置；

·每幀中配置2個PRACH時隙；

·前導序列總數為64（假定其中52個配置為隨機前導）；

·L為每秒內RA（路由區）資源的總數（隨機前導數量乘每秒內PRACH數量）；

·P為用戶接入碰撞概率，通常取值0.01。

根據下式可以得到PRACH信道的容量G為

根據以上的分析，在滿足碰撞概率為1%的條件下，接入信道每秒能夠支持的成功接入次數約為104次。

其中，C為接入信道容量，U c為單用戶忙時呼叫次數。參考當前信令模型，單用戶忙時呼叫次數為64次，則LTE上行信令容量分析為

4 LTE下行信令容量

尋呼容量的定義：每秒鐘可發送的尋呼消息數量。

按照協議，每一個TTI（傳輸時間間隔）只能發送一個paging消息，最多攜帶16個UEID（終端識別號）。paging消息指示〔DL（下行）grant〕在PDCCH發送，paging消息內容在PDSCH發送。

每秒最大可以發送的尋呼消息數計算結果見表4。

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Nb是每個尋呼周期有多少個TTI可以發送尋呼，實際上就是表征每個幀有多少個子幀可以發尋呼。如果4個尋呼周期表示每個幀有4個TTI可以發尋呼，1/4個尋呼周期表示每4個幀有一個TTI可以發送尋呼。

在表4中，Nb典型取值為1，每秒可發送尋呼消息數量為1 600次。

跟蹤區（TA）的功能與GSM（全球數字移動通信）的位置區概念類似。TA包含相同TAC（跟蹤區碼）配置的小區群體，網絡覆蓋區都根據TAC被劃分成許多個跟蹤區。MME（多媒交換系統）同時給終端分配TAI（目標區識別）list，該TAIlist包含一組TA，終端保存好這個TAIlist，終端在這些TA中移動時，不需要再發送TA更新消息給EPC（進化分組核心）。網絡通過在整個跟蹤區內的所有小區發送尋呼消息來尋呼idle態的UE（終端），通知其下行數據到達。首先在TA下進行尋呼，如果尋呼不到情況下，再到TAL下進行尋呼。

假定一個TA下有30個基站（90個小區），一個TA list包含5個TA（150個基站，450個小區）。

這里涉及到尋呼系數kp的定義：

尋呼系數kp等于多次尋呼包含的小區數與尋呼成功率的加權平均數＝95%×30×3＋5%×150×3＝108，考慮第一次在TA尋呼（含30個基站），成功率為95%，第二次在TAL尋呼（含150個基站），成功率為5%。相當于1條尋呼消息要在108個小區范圍內發送。

尋呼信道承載能力計算公式：

其中，Up為尋呼信道承載用戶數，Gp為尋呼信道容量，U為被叫次數。當Nb典型取值為1時，尋呼信道容量為1 600條/秒，參考當前信令模型，單用戶忙時被叫次數為32次，則尋呼信道承載最大放號用戶數

若Nb取極限值4時,尋呼信道容量為6 400條/秒，則

5 LTE承載能力分析小結

綜上所述，LTE單小區承載能力見表5。

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LTE小區承載用戶的能力與用戶話務模型強相關，不同地區和網絡，以及同一網絡不同發展時期，用戶行為習慣不同，話務模型都會有較大的變化，因此LTE小區的用戶承載能力，要根據現網用戶模型，具體分析LTE小區的承載能力。 ◆