重疊覆蓋對FDD-LTE容量的影響

陳楊，羅鳳婭，楊芙蓉，金濤

（四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

重疊覆蓋對FDD-LTE容量的影響

陳楊，羅鳳婭，楊芙蓉，金濤

（四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

通過分析反映FDD-LTE容量的幾項指標，選取了最能反映實際網(wǎng)絡(luò)容量性能的下行吞吐量作為代表，并重點對影響下行吞吐量的相關(guān)因素進行分析。在此基礎(chǔ)上結(jié)合對實際網(wǎng)絡(luò)的測試，分析了重疊覆蓋小區(qū)個數(shù)、小區(qū)負載情況、重疊覆蓋小區(qū)電平差對下行吞吐量的影響，最后給出了重疊覆蓋的定量評估辦法。

FDD-LTE 吞吐量 SINR 重疊覆蓋

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.20.003

1 引言

對于LTE網(wǎng)絡(luò)而言，容量是網(wǎng)絡(luò)性能的核心要素，如何最大可能地提升網(wǎng)絡(luò)的容量性能成為運營商關(guān)注的焦點。LTE作為高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，理論上最高下行速率可以達到150Mbps。但是隨著網(wǎng)絡(luò)負荷的不斷增長，下行速率的用戶感受將不斷下降。一方面，本扇區(qū)用戶爭搶有限資源，造成可分配資源不足，限制了單個用戶的下行速率；另一方面，相鄰小區(qū)的干擾增加造成本扇區(qū)的SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信號與干擾加噪聲比）下降，只能采用較低效率的調(diào)制方式，也降低了速率。因此，需要結(jié)合實際網(wǎng)絡(luò)測試，重點分析各種干擾因素對下行速率的影響，并對重疊覆蓋帶來的干擾進行量化評估，有助于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)網(wǎng)中由于干擾導(dǎo)致容量受限的情況，為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

2 FDD-LTE的容量指標

評價FDD-LTE的容量指標包括吞吐量（單用戶下行峰值吞吐量、小區(qū)吞吐量）、用戶數(shù)（同時激活用戶數(shù)、平均支撐用戶數(shù)）等，選擇一個最能體現(xiàn)實際網(wǎng)絡(luò)能力的指標，有助于準確評估網(wǎng)絡(luò)的容量性能。

（1）單用戶下行峰值吞吐量：把整個帶寬都分配給一個用戶，并采用最高階調(diào)制和編碼方案以及最多天線數(shù)目前提下每個用戶所能達到的最大吞吐量。在2×20MHz帶寬、2×2空分復(fù)用條件下，LTE小區(qū)峰值吞吐量約為150Mbit/s。

（2）小區(qū)下行吞吐量（DL）：小區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)總體吞吐量。在實際網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)吞吐量遠小于理論峰值吞吐量。

（3）支撐用戶數(shù)：包括同時激活用戶數(shù)與平均支撐用戶數(shù)。小區(qū)支撐用戶數(shù)的數(shù)量與用戶使用習(xí)慣有關(guān)，小區(qū)對使用QQ業(yè)務(wù)和視頻流業(yè)務(wù)的用戶支撐能力是截然不同的。

對于實際的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃來說，小區(qū)平均吞吐量更有意義，因此本文以小區(qū)下行平均吞吐量作為FDD-LTE的容量指標。

關(guān)于QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量），在沒有引入QoS的比例公平調(diào)度資源的情況下，RB（Resource Block，資源塊）將平均分配給小區(qū)內(nèi)的多個用戶。而在引入QoS后，資源分配將會不平等，優(yōu)先保證重點用戶速率需求，SINR差的重點用戶可能比SINR好的普通用戶獲得更多的RB，RB利用效率和扇區(qū)容量會下降。由于QoS對小區(qū)吞吐量的影響是巨大的，因此本文所涉及的測試以及相關(guān)結(jié)論均為沒有引入QoS的情況。

3 測試方法

為研究干擾對實際網(wǎng)絡(luò)的影響，本文對實際運行的商用網(wǎng)絡(luò)進行測試分析，所有測試數(shù)據(jù)均為同一次測試結(jié)果。

（1）測試范圍：四川某城市，中國電信已開通FDDLTE的區(qū)域。

（2）測試方法：D T（Drive Test，路測）測試，車速40km/h。

（3）測試指標：RSRP（Reference Signal Receiving Power，參考信號接收功率）、SINR、DL。

（4）采用基站后臺加載方式，分別為：空載、20%加載、50%加載、70%加載。

（5）為減少對現(xiàn)網(wǎng)用戶的影響，同時盡可能保證測試數(shù)據(jù)準確，測試時間：2015年6月10日03:00～06:30。

SINR、RSRP測試軌跡如圖1所示。

4 影響FDD下行吞吐量的主要因素

影響FDD下行吞吐量（DL）的主要因素包括如下：

（1）小區(qū)中的激活用戶數(shù)以及用戶分布位置。

（2）鄰小區(qū)干擾。

（3）每個UE（User Equipment，用戶設(shè)備）的無線鏈路狀況，包括路徑損耗、SINR、RSRP等。

RSRP、SINR、DL的關(guān)系如圖2所示。通過對測試結(jié)果的統(tǒng)計分析，可以看到在用戶均勻分布、RSRP不變的情況下，SINR和DL的變化基本是線性的，SINR值的好壞直接影響了下行吞吐量。

由于FDD-LTE系統(tǒng)是以RB為單位為用戶分配不同的時頻資源，小區(qū)內(nèi)RB分配各不相同，因此小區(qū)內(nèi)不同用戶之間不存在干擾，干擾來自于相鄰小區(qū)的相同時頻資源的碰撞。

圖2 RSRP、SINR、DL的關(guān)系

其中：

有用信號：Prs為主服務(wù)小區(qū)RS（Reference Signal，參考信號）信號所在的時頻資源的功率；

干擾：Pn_rs（其他扇區(qū)的RS信號）、Pn_pdsch（其他扇區(qū)的PDSCH）、Pn_overhead（其他扇區(qū)的開銷信道，主要考慮可能干擾RS的PCFICH、PHICH、PBCH和PDCCH）；

噪聲：N為底噪。

從以上公式可以看出，影響SINR的主要因素是鄰小區(qū)干擾，即鄰小區(qū)對主服務(wù)小區(qū)造成的重疊覆蓋。如圖3所示，小區(qū)（M1）作為鄰區(qū)對其他主服務(wù)小區(qū)的覆蓋范圍（B）造成干擾。

圖3 重疊覆蓋示意圖

5 重疊覆蓋對容量的影響

5.1 重疊覆蓋小區(qū)數(shù)量對DL的影響

由于SINR=Prs/(Pn_rs+Pn_pdsch+Pn_overhead+N)，因此重疊覆蓋小區(qū)數(shù)量越多，干擾就越大，SINR值也越差，DL也隨之下降。通過對各組RSRP空載測試點數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：

（1）當(dāng)主服務(wù)小區(qū)RSRP>-95dBm時，DL對重疊覆蓋小區(qū)數(shù)量的敏感程度相當(dāng)高。每增加1個重疊覆蓋小區(qū)，DL下降約10Mbps；當(dāng)重疊覆蓋小區(qū)數(shù)量達到4個時，DL下降50%。

（2）當(dāng)主服務(wù)小區(qū)RSRP<-95dBm時，由于有用信號Prs較低，DL已經(jīng)降低到不足40Mbps，對鄰小區(qū)數(shù)量的敏感程度也比較低，DL下降曲線變得平緩；當(dāng)重疊覆蓋小區(qū)數(shù)量達到4個時，DL下降到20Mbps。

（3）對于RSRP>-95dBm的區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點是通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化盡可能地降低小區(qū)重疊覆蓋比例，從而提升網(wǎng)絡(luò)容量；對于RSRP<-95dBm的區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點則是首先提升RSRP覆蓋強度，才能實現(xiàn)容量提升。

RSRP、重疊覆蓋小區(qū)數(shù)量和DL的關(guān)系如圖4所示。

5.2 小區(qū)負載對DL的影響

小區(qū)負載越高，越多的RB被占用，自然也會增加對鄰小區(qū)相同時頻RB的碰撞幾率，從而造成SINR惡化，DL下降。通過對空載、20%、50%、70%這4種負載情況測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：

（1）在相同RSRP下，小區(qū)負載越大，DL就越差。當(dāng)負載50%時，DL比空載下降一半，負載繼續(xù)增加則DL下降變緩。

圖4 RSRP、重疊覆蓋小區(qū)數(shù)量和DL的關(guān)系

（2）在相同負載情況下，RSRP越差，DL就越差。RSRP每下降10dB，則DL下降10Mbps~20Mbps。

（3）把FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的負載率控制在一個合理的區(qū)間是非常重要的，負載持續(xù)增加帶來的是整體吞吐量的下降和用戶感知的急劇惡化，負載過低網(wǎng)絡(luò)整體利用率不足，對運營商投資收益造成影響。從網(wǎng)絡(luò)性能上看，50%的負載率是比較適當(dāng)?shù)模^這個負載率就需要考慮通過小區(qū)裂化、CA（Carrier Aggregation，載波聚合）等手段來提升網(wǎng)絡(luò)容量。

小區(qū)負載對DL的影響如圖5所示。

5.3 重疊覆蓋小區(qū)RSRP電平差對SINR的影響

影響SINR的不僅僅是重疊覆蓋小區(qū)的數(shù)量，重疊覆蓋小區(qū)的功率也有影響。由于存在近、中、遠點的位置差異，因此重疊覆蓋小區(qū)與主服務(wù)小區(qū)之間的功率電平差是比較容易定性分析，也有利于實際應(yīng)用的指標。通過對測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：

（1）重疊覆蓋小區(qū)與主服務(wù)小區(qū)RSRP電平差越大越好：13dB以上（見圖6中B點），此時重疊覆蓋帶來的SINR下降在10%以內(nèi)。

（2）電平差至少應(yīng)控制在6dB以上（見圖6中A點），此時重疊覆蓋帶來的SINR下降在40%以內(nèi)。

（3）重疊覆蓋小區(qū)電平差的閾值建議設(shè)置2個：超過13dB認為基本無影響，低于6dB則認為影響比較大。

重疊覆蓋小區(qū)電平差對SINR的影響如圖6所示。

5.4 小結(jié)

圖5 小區(qū)負載對DL的影響

圖6 重疊覆蓋小區(qū)電平差對SINR的影響

由于FDD-LTE的下行速率與SINR有直接關(guān)系，因此保持網(wǎng)絡(luò)的SINR值在一個較好的水平是提升LTE用戶感知的重要基礎(chǔ)。一味提升RSRP可能適得其反，應(yīng)合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)，盡量減少重疊覆蓋的區(qū)域。減少重疊覆蓋小區(qū)的數(shù)量，盡量保證鄰小區(qū)與主服務(wù)小區(qū)之間合理電平差是LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重點，也是提升LTE容量的重要途徑。

6 重疊覆蓋的定量評估

針對重疊覆蓋對DL的影響，設(shè)計用重疊覆蓋系數(shù)來定量評估小區(qū)被干擾的情況。重疊覆蓋系數(shù)定義為：小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)被鄰區(qū)干擾的面積加權(quán)/無干擾的面積（主服務(wù)面積），以此表示主服務(wù)小區(qū)被干擾的程度。如圖7所示，M表示主服務(wù)小區(qū)，A、B、C為干擾小區(qū)，柵格號為n。

圖7 重疊覆蓋系數(shù)柵格示意圖

具體計算方法如下：

（1）判決干擾面積和主服務(wù)面積：首先將評估區(qū)域劃分為柵格（n），統(tǒng)計每個柵格內(nèi)采樣點的RSRP。RSRP最強的信號來源為主服務(wù)小區(qū)（圖7中M4、M5等），其余為干擾小區(qū)（圖7中A1~A3、B6、C7等）。

（2）用干擾貢獻系數(shù)對干擾柵格進行加權(quán)。參考上文統(tǒng)計分析結(jié)果，干擾貢獻系數(shù)取值參考如表1所示。例如：A1的RSRP電平差為10dB，干擾貢獻系數(shù)為0.5；B11的RSRP電平差為5dB，干擾貢獻系數(shù)為0.7。

表1 重疊覆蓋干擾貢獻系數(shù)對應(yīng)表

（3）干擾柵格的重疊系數(shù)=本柵格內(nèi)所有干擾小區(qū)的干擾貢獻系數(shù)求和。

（4）重疊覆蓋系數(shù)=所有干擾柵格的重疊系數(shù)/主服柵格個數(shù)。

7 結(jié)束語

本文通過選取最能反映實際網(wǎng)絡(luò)容量性能的下行吞吐量作為代表，對影響下行吞吐量的相關(guān)因素進行重點分析，并結(jié)合對實際網(wǎng)絡(luò)的測試，分析了重疊覆蓋小區(qū)個數(shù)、小區(qū)負載情況、重疊覆蓋小區(qū)電平差對下行吞吐量的影響，給出了重疊覆蓋系數(shù)作為對重疊的定量評估辦法。

[1] 周戈,王軍文. FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)前向干擾及容量的建模分析[J]. 電信科學(xué), 2015(2): 147-151.

[2] 文志成,亓新峰. FDD LTE無線性能與影響因素分析[J].信息通信技術(shù), 2013(2): 70-74.

[3] 劉磊. LTE系統(tǒng)容量規(guī)劃方法探討[J]. 郵電設(shè)計技術(shù),2014(12): 6-10.

[4] 范金寧,鄭旭升. LTE FDD容量規(guī)劃研究[J]. 移動通信,2013(22): 26-28.

[5] 李佳俊,文博,許國平. FDD LTE系統(tǒng)容量研究[J]. 郵電設(shè)計技術(shù), 2013(3): 36-41.

[6] 章文卿. FDD-LTE技術(shù)和規(guī)劃設(shè)計方法研究[J]. 無線互聯(lián)科技, 2015(8): 24-26.

[7] GENG Xua. Outage analysis of ANC in the FDD twoway fading channel with channel estimation error[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications, 2013(2): 12-19.

[8] 芒戈,范云. LTE FDD與TD-LTE系統(tǒng)間邊境干擾協(xié)調(diào)研究[J]. 電信技術(shù), 2015(2): 12-14.

[9] 胡虹,許光斌. FDD LTE與TD-LTE業(yè)務(wù)速率分析[J]. 移動通信, 2014(8): 42-45.

[10] 吳文波. LTE網(wǎng)絡(luò)容量優(yōu)化方法研究[J]. 中國新通信,2014(23): 51-52.電信2008—2014年歷年無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、樂山市主城區(qū)信息基礎(chǔ)設(shè)施專項規(guī)劃等重要項目。

Effect of Overlapped Coverage on FDD-LTE Capacity

CHEN Yang, LUO Feng-ya, YANG Fu-rong, JIN Tao

(China Comservice Sichuan Planning & Designing Co., Ltd., Chengdu 610041, China)

Among several metrics of FDD-LTE capacity, downlink throughput was selected to represent network throughput performance, and some factors to in fl uence downlink throughput were analyzed in depth. Combined with tests in practical network, the impacts of the number, load and level difference of overlapped coverage cells on downlink throughput were analyzed. Finally, the quantitative evaluation method of overlapped coverage was presented.

FDD-LTE throughput SINR overlapped coverage

TN929.53

A

1006-1010(2015)20-0014-05

陳楊,羅鳳婭,楊芙蓉,等. 重疊覆蓋對FDD-LTE容量的影響[J]. 移動通信, 2015,39(20): 14-18.

2015-07-28

袁婷 yuanting@mbcom.cn

陳楊：碩士畢業(yè)于電子科技大學(xué)，現(xiàn)任四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司技術(shù)二部高級咨詢師，從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作，曾主持過云南移動2007年GSM網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、四川電信2009—2015年歷年無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、四川鐵塔公司2015年投資規(guī)劃等重要項目。

羅鳳婭：碩士畢業(yè)于電子科技大學(xué)，現(xiàn)任四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司技術(shù)二部咨詢設(shè)計師，從事無線專業(yè)工作。

楊芙蓉：碩士畢業(yè)于電子科技大學(xué)，現(xiàn)任四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司技術(shù)二部高級咨詢師，從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作，曾主持過西藏移動“十二五規(guī)劃”TD-SCDMA專項規(guī)劃、西藏電信2015年無線網(wǎng)滾動規(guī)劃、四川