LTE FDD外場性能研究

愛立信（中國）通信有限公司LTE產品專家 堵久輝

LTE FDD外場性能研究

愛立信（中國）通信有限公司LTE產品專家 堵久輝

本文討論了LTE的理論峰值與對應信噪比的關系，通過國內某運營商預商用網絡測試結果與全球領先運營商的商用性能進行了橫向對比，并通過對比測試展示了愛立信LTE產品性能優勢。

自2008年底3GPP發布了LTE第一個標準版本Rel-8，到2009年底北歐運營商TeliaSonera率先商用，再到2013年7月韓國運營商全球首次商用Rel-10關鍵技術之一的載波聚合功能，LTE標準化與商用推進的步伐從未停歇。根據GSA統計，截至2014年2月底，LTE已在全球101個國家的274個運營商獲得商用，發展勢頭之迅猛遠超之前所有通信技術。

隨著2013年12月4日工業和信息化部在其網站的一“紙”公告，國內開啟了4G（第四代移動通信技術）即LTE在中國大陸正式商用的大門。盡管本次官方只向中國移動、中國電信和中國聯通發放了TDD LTE（或TD-LTE）牌照，但實際上部分運營商也同時啟動了LTE FDD試驗網的籌備和部署，以技術儲備及積累網絡組網經驗。

技術層面上，我們是否可以期望其他國家和地區的全球領先運營商在LTE網絡部署及與商用性能方面的經驗和結論能夠簡單地照搬到中國？答案是否定的。誠然，一些共性的部署經驗及技術問題是可以借鑒和規避的，但是由于部署頻段、供貨廠商、采購設備、站址條件、應用場景及業務等差異將導致LTE網絡性能和用戶體驗不盡相同。因此，在中國大陸的實際部署條件下進行LTE性能研究是十分必要和非常重要的。

本文以某運營商在中國南方某省的示范片區為例，針對LTE FDD外場性能方面進行驗證和探討，以期對未來中國LTE特別是LTE FDD的部署和發展提供參考。

理論分析與需求

3G向4G演進的背后驅動力是移動設備新服務的創新和發展，并通過可用于移動通信系統的技術進步來實現。從通信技術本身來看，LTE相對3G標準是革命性的。為支持以數據交換類型為核心的新業務，特別是互聯網產業帶動的IP業務，LTE無線接口的主要底層設計參數有：數據速率、延遲、容量、頻譜效率等。本文重點關注數據速率。為了獲得峰值速率所需要達到的信道條件，可由香農公式推導出：

圖1 信噪比與帶寬利用率之間對應關系

圖2 應用覆蓋APP coverage

其中，Eb是每信息比特的接收能量，N0是噪聲功率譜密度（單位為W/Hz），無線鏈路帶寬利用率定義為γ=R/BW，R為通信的信息速率，BW是通信可用的帶寬。更直觀地理解信噪比與帶寬利用率之間的對應關系可參見圖1的實例。

以LTE FDD下行鏈路為例，20MHz系統帶寬下的物理層理論峰值速率為150Mbit/s。將這兩個數據代入上式可以得到信噪比需求至少為(27.5-1)/7.5 = 24dB。但從3GPP協議角度來看，這種計算并不嚴謹。為獲得Rel-8標準的理論峰值速率，協議規定需要選擇傳輸塊大小TB size為75376比特，對應的MCS需要達到28。這里的SINR由基站根據UE的信道質量信息CQI反饋計算得到，并且多高SINR才能影射到MCS28并實現峰值速率傳輸還與系統廠商實現算法和終端解調能力有關。實際網絡中，通常需要30dB左右的信噪比才能獲得理論峰值速率。

上述速率為物理層傳輸速率，而實際應用通常考慮PDCP層速率，假定誤塊率BLER為10%，可簡單折算PDCP層速率為物理層傳輸速率的90%。對網絡運營商而言，用戶體驗尤為重要，是激烈市場競爭中吸引新老用戶、樹立品牌和口碑的根基。因此，愛立信結合全球商用經驗提出了應用覆蓋APP coverage的概念，如圖2所示。智能手機及相關應用已經成為移動通信的主流，因此如何保障終端用戶獲得主流應用的良好體驗成為網絡運營商差異性的重要體現，同時分組交流類業務的接通率、掉線率等傳統網絡關鍵性能指標KPI也不再像電路交換類業務那么敏感。圖2中三個百分比對應網絡覆蓋，三個數字為各覆蓋百分比下應保障的應用層速率，單位為Mbit/s，其值可能因不同運營商而不同。但是為了確保主流應用的良好用戶體驗及網絡性能競爭優勢，愛立信建議值為1、10、30。通常，商用網絡測試表明：90%點的連續覆蓋速率約為50%點的平均覆蓋速率的1/3。

以LTE發展最為活躍的美、日、韓為例，PCMagazine測試報告：北美LTE FDD網絡中AT&T性能較好（15MHz帶寬），但只有17Mbit/s的平均速率和8Mbit/s的連續覆蓋速率，仍有一定的優化空間。相對而言，Signals Research在東京和首爾的測試結果更優異：其中東京為軟銀TDD LTE商用網絡，平均速率和連續覆蓋速率為31Mbit/s和10Mbit/s；而LGU+在首爾應用3GPP Rel-10的載波聚合（10+10MHz帶寬）技術后達到了62Mbit/s的平均速率和20Mbit/s的連續覆蓋速率，為業界樹立了新的性能標桿。

測試片區及測試工具和方法

如本文開始所討論，部署頻段、供貨廠商、采購設備、站址條件、應用場景及業務等差異將導致各運營商的LTE網絡性能和用戶體驗不盡相同。為此，我們選擇了中國南方某省的一個LTE FDD建設示范區域進行測試，其網絡狀態可被視為預商用網絡狀態。示范區如下圖藍色虛線框所示，9個連片的基站，帶寬20MHz (1.8G)，平均站間距950米，覆蓋面積6平方公里，平均站高32米。測試地點情況如圖3所示。

測試使用了兩類終端，分別為Quanta D2 (CAT3)，HISI E5375 (CAT4)。測試軟件使用CDS7.1版本。對于上下行速率測試采用單UE在網絡中分開進行上下行測試的方法，其中下行使用FTP業務，上行使用UDP業務。

測試結果

本次道路測試線路以及通過CAT3 UE獲得的CRS-RSRP和CRS-SINR打點圖如圖4所示，可見該片區的覆蓋優化狀態良好。

采用CAT3 UE進行道路測試獲得的上下行PDCP速率分布如圖5所示。

上述測試結果為采用CAT3和CAT4兩類終端獲得各性能指標累積分布函數CDF中50%點即統計平均的數值。考慮CAT3和CAT4兩類終端進行測試是因為：當前商用終端大多為CAT3，其測試結果代表了大多數終端的用戶體驗；而CAT4終端具有更高能力，可以充分體現出測試片區的網絡承載潛力。

實際商用網絡中，由于多用戶聯合調度以及小區間一定程度干擾等因素的存在，通常平均速率為理論峰值速率的三分之一左右，以CAT3 UE為例，約為100/3=33Mbit/s，與本文第二章給出的應用覆蓋推薦均值所對應。表格中好色高亮所示的測試結果遠好于該指標是由于該片區經過了深度優化，其20MHz系統帶寬性能與本文第二章第三方咨詢機構展示的LGU+在首爾應用了載波聚合（10+10MHz帶寬）后速率基本一致，相互印證。

除了以上提到的深度優化等專業通信網絡服務外，還有一些通用方法可改善應用覆蓋以進一步提升更優異的用戶體驗，簡單羅列如下，以供參考。

● 應用更多系統帶寬以及載波聚合，韓國、日本等國家尤為突出。韓國三大運營商均已完成了雙載波以及10+10MHz載波聚合商用，最新獲得的第三個頻點也將盡快應用，甚至各別運營商在未來5年內規劃到了第7個頻點。

● 采用更先進功能以提高頻譜效率如多天線技術應用與增強、上行多點聯合調度COMP等，其主要目的是解決相對較高網絡負荷下的小區間干擾問題，通過聯合調度將鄰小區較強干擾信號轉變為有用信號以重點改善小區邊界的終端用戶體驗。

● 除頻譜和軟件功能外，縮短終端與網絡天線端口的距離也是行之有效的異構組網發展方向，具體來講，如在話務量密集區域引入小基站并與所屬宏基站進行良好協調。

圖5 采用CAT3 UE進行道路測試獲得的上下行PDCP速率分布

圖6 愛立信2T2R產品與友商2T4R產品的性能比較

圖7 加拿大某運營商AWS (2.1G) 頻段10MHz帶寬 LTE FDD網絡測得的產品性能比較曲線

● 對于LTE發展較慢或覆蓋不佳的運營商，可以在部署過程中加強LTE與現網2G/3G的網間互操作和負載均衡等多網融合技術。

產品性能

為衡量愛立信LTE產品性能及業界水平，我們與某國內領先設備商的產品性能進行外場對比測試，測試終端與方法同上。測試片區情況為：站間距約為600米，73個站中絕大多數為2T4R產品。

圖6展示了愛立信2T2R產品與友商2T4R產品的性能比較，測試結果顯示：在覆蓋中差情況下兩產品性能接近：良好覆蓋情況下愛立信產品穩定而友商性能較差且波動嚴重。理論上講，2T4R產品比2T2R產品多一倍的接收通道，可獲得3dB左右的接收分集增益。這與愛立信在全球不同網絡中執行類似產品性能的對等測試的結論相同，即愛立信的上行鏈路具有至少3dB的性能優勢。

圖7是加拿大某運營商AWS (2.1G)頻段10MHz帶寬 LTE FDD網絡測得的產品性能比較曲線，該曲線在對不同友商的產品性能對比中具有典型特性。愛立信2T2R比該友商的2T2R至少高出3dB，并且在良好的無線條件下上行速率要好過友商的2T2R約25%。

這3dB優勢是一個綜合結果，受益于愛立信在硬件設計時采用了高于3GPP標準及競爭對手的設計目標值、選用了性能更好的器件、更穩健而高效的調度算法、更為專業的網絡規劃優化服務以及更為充分的端到端性能驗證等。這一優勢可以為運營商在CAPEX和OPEX節省大量投入。

結語

本文討論了LTE的理論峰值與對應信噪比的關系，通過國內某運營商預商用網絡測試結果與全球領先運營商的商用性能進行了橫向對比，并通過對比測試展示了愛立信LTE產品性能優勢。愛立信認為網絡性能和用戶體驗是體現運營商差異化的重要指標。目前，愛立信在全球有大約50%的LTE市場份額，正是歸功于優越的網絡性能。我們希望在中國市場上同樣展示出優越的網絡性能，服務于中國運營商和中國用戶。

表 測試結果