TD-LTE无线网络规划及性能分析

2010-03-22赵旭凇张新程徐德平张炎炎

电信工程技术与标准化 2010年11期

赵旭凇张新程徐德平张炎炎

（中国移动通信集团设计院有限公司北京 100080）

1 概述

TD-LTE是下一代移动通信网络的主流技术之一，2010年工信部研究院组织在北京进行了TD-LTE技术外场试验，中国移动在上海建设了世博TD-LTE示范网，这些试验网络的建设显示TD-LTE产业链初步具备端到端产品能力。目前，工信部及中国移动计划通过建设TD-LTE规模网络试验来进一步推进TD-LTE产业链尤其是终端产品尽快成熟，加速商用化进展，因此迫切需要对TD-LTE无线网络规划技术进行深入研究。

2 TD-LTE无线网络规划流程

TD-LTE无线网络规划流程可以分成：需求分析、网络规模估算、站址规划、网络仿真、无线参数规划等5个阶段，具体流程图如图1所示。

在需求分析阶段，首先应明确建网策略，提出相应的建网指标，并搜集到准确而丰富的现网GSM/TD-SCDMA基站数据、地理信息数据、业务需求数据，这些数据都是TD-LTE无线网络规划的重要输入。

网络规模估算主要是通过覆盖和容量估算来确定网络建设的基本规模，在进行覆盖估算时首先应了解当地的传播模型，然后通过链路预算来确定不同区域的小区覆盖半径，从而估算出满足覆盖需求的基站数量。容量估算则是分析在一定时隙及站型配置的条件下，TDLTE网络可承载的系统容量，并计算是否可以满足用户的容量需求。

在站址规划阶段，主要工作是依据链路预算的建议值，结合目前网络站址资源情况，进行站址布局工作，并在确定站点初步布局后，结合现有资料或现场勘测来进行站点可用性分析，确定目前覆盖区域可用的共址站点和需新建的站点。可用站址主要依据无线环境、传输资源、电源、机房条件、天面条件及工程可实施性等方面综合确定。

图1 TD-LTE无线网络规划流程图

完成初步的站址规划后，需要进一步将站址规划方案输入到TD-LTE规划仿真软件中进行覆盖及容量仿真分析，仿真分析流程包括规划数据导入、传播预测、邻区规划、时隙和频率规划、用户和业务模型配置以及蒙特卡罗仿真，通过仿真分析输出结果，可以进一步评估目前规划方案是否可以满足覆盖及容量目标，如存在部分区域不能满足要求，则需要对规划方案进行调整修改，使得规划方案最终满足规划目标。

在利用规划软件进行详细规划评估之后，就可以输出详细的无线参数，主要包括天线高度、方向角、下顷角等小区基本参数、邻区规划参数、频率规划参数、PCI参数等，同时根据具体情况进行TA规划，这些参数最终将做为规划方案输出参数提交给后续的工程设计及优化使用。

3 TD-LTE覆盖性能分析

3.1 TD-LTE覆盖特性

（1）目标业务为一定速率的数据业务，确定合理目标速率是覆盖规划的基础。

在TD-LTE中，不存在电路域业务，只有PS域业务。不同PS数据速率的覆盖能力不同，在覆盖规划时，要首先确定边缘用户的数据速率目标，如500 kbit/s、1Mbit/s、2Mbit/s等，不同的目标数据速率的解调门限不同，导致覆盖半径也不同，因此确定合理的目标速率是覆盖规划的基础。

（2）LTE资源调度更复杂，覆盖特性和资源分配紧密相关。

TD-LTE网络可以灵活的选择用户使用的RB资源和调制编码方式进行组合，以应对不同的覆盖环境和规划需求。在实际网络中，用户速率和MCS及占用的RB数量相关，而MCS取决于SINR值，RB占用数量会影响SINR值，所以MCS、占用RB数量、SINR值和用户速率四者之间会相互影响，导致LTE网络调度算法比较复杂。在进行覆盖规划时，很难模拟实际网络这种复杂的调度算法，因此如何合理确定RB资源、调制编码方式，使其选择更符合实际网络状况是覆盖规划的一个难点。

（3）传输模式及天线类型选择影响覆盖规划。

多天线技术是LTE最重要的关键技术之一，引入多天线技术后LTE网络存在多种传输模式（目前有8种传输方式）和多种天线类型（基站侧存在2天线和8天线等多种类型），选择那种传输模式和天线类型对覆盖性能影响较大。

（4）小区间干扰影响TD-LTE覆盖性能。

TD-LTE系统引入了OFDMA技术，由于不同用户间子载波频率正交，使得同一小区内不同用户间的干扰几乎可以忽略，但TD—LTE系统小区间的同频干扰依然存在，随着网络负荷增加，小区间干扰水平也会增加，使得用户SINR值下降，传输速率也会相应降低，呈现一定的呼吸效应。另外，不同的干扰消除技术会产生不同的小区间业务信道干扰抑制效果，这也会影响TD-LTE边缘覆盖效果。因此如何评估小区间干扰抬升水平，也是TD-LTE网络覆盖规划的一个难点。

3.2 TD-LTE链路预算关键参数取值

链路预算仍是评估TD-LTE无线通信系统覆盖能力的主要方法，通过链路预算，可以估算出各种环境下的最大允许路径损耗，从而估算出目标区域需要的TDLTE覆盖站数。在进行链路预算分析时，需确定一系列关键参数，主要包括基本配置参数、收发信机参数、附加损耗及传播模型。

3.2.1 TD-LTE基本配置参数

基本配置参数主要包括TDD上下行时隙配置、特殊时隙配置、系统总带宽、RB总数、分配RB数、发射天线数、接收天线数、天线使用方式等。具体说明如下：

（1）上下行时隙及特殊时隙配置：目前通常选择上下行采用2：2时隙配置，特殊子帧采用10：2：2配置。

（2）系统总带宽：LTE网络可灵活选择1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、20MHz等带宽，目前通常选取20MHz带宽。

（3） RB总数及分配RB数：20MHz带宽RB总数为100个，考虑同时调度10个用户，边缘用户分配RB数为10个。

（4）天线数量及天线使用方式：根据目前技术发展情况，天线主要采用8阵元双极化天线，边缘用户主要使用波束赋性方式。

3.2.2 收发信机参数

收发信机参数主要包括发射功率、天线增益、接头及馈线损耗、多天线分集增益、波束赋性增益、热噪声密度、接收机噪声系数、干扰余量、人体损耗、目标SNR等，具体说明如下：

（1）发射功率：下行方向，根据目前厂家设备的产品规划，在系统带宽为20MHz情况下取46dBm（主要有两类产品2通道20W和8通道5W），上行方向，终端功率可取23dBm。

（2）天线增益：根据目前情况，8天线D频段产品通常其增益为15～17dBi。

（3）接头及馈线损耗：对于BBU＋RRU产品，通常损耗在0.5～1dB之间。

（4）多天线分集增益、波束赋性增益：选择不同的发射模式，如发射分集或波束赋形，其增益有一些差异：

① 接收侧：基站为8天线取7dB，终端为2天线取3dB。

② 发送侧：

a) 终端为单天线发送，因此无发送分集增益；b) 基站业务信道：8天线，为波束赋性方式，增益取7dB；

c) 基站控制信道：8天线和2天线相同，为发送分集方式，增益取3dB。

（5）热噪声密度：取 -117dBm/Hz。

（6）接收机噪声系数：基站侧通常取2～3dB，终端侧通常为7～9dB。

（7）干扰余量：TD-LTE系统小区间的同频干扰依然存在，网络负荷上升，小区间的干扰也会相应增加，从而影响TD-LTE边缘覆盖效果，在链路预算中通常采用干扰余量来反应了这一特点，干扰余量可分为上行干扰余量和下行干扰余量，通常要借助干扰公式和系统仿真平台得到。

（8）人体损耗：对于数据业务移动台，可以不考虑人体损耗影响，即0 dB。

（9）目标SINR：在36.213-880规范中，定义了不同MCS、RB承载下的数据块数量，根据边缘速率，可以推导出数据块数量，然后找到承载的RB数量，就可以方便的查找出对应的MCS，并根据具体MCS 和SINR对应表格得到SINR，MCS 和SINR对应关系需通过链路仿真得到。

3.2.3 附加损耗

附加损耗主要包括设计规划中应考虑的其他损耗，主要有建筑物穿透损耗和阴影衰落余量：

（1）穿透损耗：通常市区建筑物穿透损耗典型值可取15～20dB。

（2）阴影衰落余量：在城区环境下，通常取为8.3dB。

3.3 TD-LTE链路预算结果

综合考虑各种业务需求及LTE本身能力，目前初步定义的业务需求为空载时小区边缘用户可达到1Mbit/s/250kbit/s（下行/上行）。基于这一业务需求，TD-LTE链路预算分析结果如下。

3.3.1 控制信道和业务信道覆盖能力对比

控制信道和业务信道链路预算结果对比如表1所示。

基于目前的覆盖目标（空载条件下，10用户同时接入时，边缘单用户下行吞吐量大于1Mbit/s），系统最大允许的路径损耗（不含穿透损耗）为145.6dB，与之相对应的上行业务信道速率约为250kbit/s，而其他控制信道覆盖能力均大于上述值，因此，可直接按照下行业务信道达到1Mbit/s的要求进行站址规划。

3.3.2 满足边缘速率要求的链路预算结果

采用COST231-Hata模型（2.6GHz频段），计算得到TD-LTE和TD-SCDMA密集市区、市区的小区覆盖半径如表2所示。

通过对比可知， TD-SCDMA网络CS64业务覆盖能力略强于LTE下行1Mbit/s要求的覆盖能力，因此TD-LTE如果要达到邻区空载、10用户同时接入时、边缘单用户下行吞吐量大于1Mbit/s的覆盖目标，需要在TD-SCDMA现网站距的基础上增加少量站点。

表1 控制信道和业务信道链路预算结果对比表

表2 TD-LTE和TD-SCDMA小区覆盖半径对比表

3.3.3 站址规划建议

综上，在现网TD-SCDMA网络CS64业务覆盖良好的区域，TD-LTE网络基本可以采用直接叠加的方式进行规划，建成后的LTE网络可以满足邻区空载10用户同时接入时边缘单用户下行吞吐量大于1Mbit/s的覆盖目标，但考虑到今后商用网络的要求可能会有所提高，因此建议在具备条件的区域，可在TD-SCDMA网络的基础上适当增加站点，以缩小LTE的站距，实现更高的边缘速率，TD-LTE具体站间距建议为密集市区达到0.45～0.55km，一般市区达到0.55～0.7km。

4 TD-LTE系统容量分析

4.1 影响TD-LTE容量性能的主要因素

TD-LTE系统的容量由很多因素决定，首先是固定的配置和算法的性能，包括单扇区频点带宽、时隙配置方式、天线技术、频率使用方式、小区间干扰消除技术、资源调度算法等；其次，实际网络整体的信道环境和链路质量会影响TD-LTE网络的资源分配和调制编码方式选择，因此网络结构对TD-LTE的容量也有着至关重要的影响。

（1）单扇区频点带宽：TD-LTE支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz 带宽的灵活配置，显然采用更大的带宽，网络可用资源将更多，系统容量也将越大。

（2）时隙配置方式：TD-LTE采取TDD(时分双工)的双工方式，可以根据某地区上下行业务的不同比例，灵活配置上下行时隙配比，目前协议中定义了7种上下行时隙配置方式，这7种时隙配置方式中的特殊时隙又有9种方式可以选择，而选择不同的配置方式，其上下行吞吐量将会有明显的差异。

（3）天线技术：TD—LTE采用了多天线技术，使得网络可以根据实际网络需要以及天线资源，实现单流分集、多流复用、复用与分集自适应、单流波束赋形、多流波束赋性等，这些技术的使用场景不同，但是都会在一定程度上影响用户容量。

（4）频率使用方式：目前分析显示TD-LTE网络可以同频组网，但单小区配置相同带宽的同频组网系统的容量性能会差于异频组网系统，因此在实际运营时，应综合考虑频率资源情况、容量需求等因素确定频率使用方式。

（5）小区间干扰消除技术：TD-LTE系统由于OFDMA的特性，系统内的干扰主要来自于同频的其他小区。这些同频干扰将降低用户的信噪比，从而影响用户容量，因此干扰消除技术的效果将会影响系统整体容量及小区边缘用户速率。

（6）资源调度算法：TD-LTE采用自适应调制编码方式，使得网络能够根据信道质量的实时检测反馈，动态调整用户数据的编码方式以及占用的资源，从系统上做到性能最优。因此，TD-LTE整体容量性能和资源调度算法的好坏密切相关，好的资源调度算法可以明显提升系统容量及用户速率。

（7）网络结构：TD-LTE的用户吞吐量取决于用户所处环境的无线信道质量，小区吞吐量取决于小区整体的信道环境，而小区整体信道环境最关键影响因素是网络结构及小区覆盖半径。在TD-LTE规划时应比2G/3G系统更加关注网络结构，严格按照站距原则选择站址，避免选择高站及偏离蜂窝结构较大的站点。

4.2 TD-LTE容量评估指标

根据TD-LTE特性，其容量评估指标主要有同时调度用户数、同时在线(激活)用户数、小区平均吞吐量、小区边缘吞吐量及VoIP用户数，下面对上述几个指标进行简单说明：

（1）同时调度用户数：指系统每TTI可调度的用户数。

（2）同时在线(激活)用户数：指系统保持连接状态的用户数。

（3）小区平均吞吐量：指用户按照一定规律分布时，整个小区的平均吞吐量＝所有小区吞吐量之和/小区数。

（4）小区边缘吞吐量：指分布在小区边缘的用户吞吐量，在系统仿真时，边缘用户定义为对网络中所有用户按照用户吞吐量的大小降序排列，取5%处的那个用户。

（5）VoIP用户数：小区中容纳的VoIP用户总数。VoIP用户数和带宽配置、控制信道资源和VolP调度算法相关。

4.3 TD-LTE容量分析结果

4.3.1 TD-LTE调度用户数

TD-LTE调度用户数主要取决于上、下行控制信道的容量。上行调度用户数主要受限于PRACH（物理随机接入信道）、PUCCH（物理上行控制信道）、SRS（探测用参考信号），下行调度用户数主要受限于PCFICH信道、PHICH信道和PDCCH信道容量，综合各个控制信道容量分析结果，TD-LTE在20MHz带宽下，最大可支持的调度用户数约为80个，但考虑到初期单用户速率需求较高且用户数不多，初期网络实际调度用户数在10～20个较为合适。

4.3.2 TD-LTE在线(激活)用户数

由于数据业务具有非持续性的突发特性，因此在线用户不需要每帧都进行调度，动态调度算法会保证在线用户在需要数据传输时及时地为用户分配实际的空口传输资源，同时在线用户数主要由业务特征及设备能力决定。从设备能力的范畴，TD-LTE在20MHz带宽内，单小区提供不低于1200个用户同时在线的能力。

4.3.3 小区平均吞吐量及边缘吞吐量

从仿真结果分析，各厂家系统仿真的结果还是差异较大的，在2.6GHz 频段、20MHz带宽、站距500m、每小区10个用户均匀分布的情况下，综合多个厂家的仿真结果平均值为：

2天线情况下，小区平均吞吐量为7.8Mbit/s/16.4Mbit/s（上行/下行），边缘用户吞吐量为0.2Mbit/s/0.4Mbit/s（上行/下行）；

8天线情况下，容量性能有所提升，小区平均吞吐量为11.7Mbit/s/21.4 Mbit/s（上行/下行），边缘用户吞吐量为0.5Mbit/s/0.7Mbit/s（上行/下行）。

4.3.4 VoIP用户数

VoIP容量定义为：某用户在使用VoIP进行语音通信过程中，若98%的VoIP数据包的L2时延在50ms以内，则认为该用户是满意的。如果小区内95%的用户是满意的，则此时该小区中容纳的VoIP用户总数就是该小区的VoIP容量。

假设VoIP用户采用半静态调度，不考虑控制信道限制，综合分析上下行信道，得到20MHz带宽下，VoIP用户最大容量为600个左右。