TD-LTE室外频率组网方案的仿真和测试

徐宇强，吕锦扬，聂磊，张宇峰

（中国移动通信集团广东有限公司广州分公司, 广州 510631）

1 前言

按3GPP协议规定，TD-LTE支持1.4～ 20MHz载波带宽的灵活配置，因此在组网中存在不同的频率组网方案。在有限的频谱资源下如何选择频率组网方案，获取更高的网络性能，保证小区的业务性能和用户的应用体验是亟待研究和解决的问题。

TD-LTE系统的网络性能，特别是业务速率性能主要受SINR（信号与干扰加噪声比）的影响。根据不同的无线环境质量，TD-LTE协议制定了29种编码调制方案，分别定义在特定的信噪比下，采用的编码方式和调制方式。不同的无线传播环境下系统性能相差最多可达几十倍。而在相同的网络结构条件下，不同的频率组网方案决定了整体的网络干扰水平。

根据理论研究，带宽越大，基于OFDM的多用户频选调度性能越好。为了提高数据速率，一般建议采用10MHz以上大带宽进行组网部署。按照工信部的批复，TD-LTE规模技术试验使用的频率为2575～2615MHz，共40MHz。因此主流的频率组网方案包括同频组网、异频组网和频率移位频率重用（FSFR,Frequency Shifted Frequency Reuse）等：

同频组网：1×20MHz，单频点，另外一个频点可以后续扩容；

异频组网：2×20MHz、4×10MHz；

FSFR 组网 ：3×20MHz（重叠 10MHz）、5×20MHz（重叠15MHz）。

我们在广州珠江新城规模技术试验网选择部分站点，通过网络仿真和现场测试两种方法对不同的频率组网方案进行研究和对比。

2 网络仿真

2.1 仿真的方法及条件

网络仿真采用中国移动设计院开发的TD-LTE仿真软件ANPOP，对不同频率组网方案的网络接入性能和吞吐量等指标进行了仿真分析。仿真区域共119个基站，305个小区，所选区域为密集城区，总覆盖面积18.44km2，平均站点密度为6.45站/km2，平均站间距423m，采用在实际路测校正后的SPM模型，公式如下（其中K4和K6为零）：

Lmodel=22.2+46.13lg(d)+5.83lg(HTxeff)-6.55lg(d)lg(HTxeff)+Kclutter×f(clutter)

主要仿真参数如表1所示。

表1 系统仿真参数表

2.2 接入成功率仿真结果及分析

由于不同频率组网方案的网络覆盖性能完全一致，因此接入性能主要取决于网络的信号质量（SINR）及小区的可用资源。各种频率组网方案中各种类型接入失败的仿真结果如图1所示（单位：%）。

仿真结果分析：

20MHz同频组网方式下，由于干扰较大，所以用户的接入失败数量较多；

在异频组网时，随频点数量增加，覆盖区域内的SINR的提高，用户的上下行接入成功率均逐步提高；

FSFR组网时，由于不同小区的PDSCH随中心频点相互错开，下行的接入性能接近异频组网；但由于在上行时用户间的干扰比较大，上行激活和接入的成功率均明显低于异频组网，且频点数增加导致子载波重叠的比例增加，接入性能随之下降。

图1 接入性能仿真结果

根据仿真结果，网络总体为上行受限，因此接入性能异频组网优于FSFR，FSFR优于同频组网，且在异频组网环境下，接入性能随频率数量的增加而提高。

2.3 吞吐量仿真结果及分析

吞吐量仿真结果如表2所示。

仿真结果分析：

表2 吞吐量仿真结果

20MHz同频组网可获得最高的频率利用率和边缘频率利用率；

异频组网的网内干扰较低，可获得最高的小区平均吞吐量和边缘吞吐量，异频组网频点数量减少时小区边缘吞吐量下降，频点数量增加时小区平均吞吐量下降；

FSFR的的小区平均吞吐量性能接近异频组网方式，但边缘吞吐量较低，FSFR的频点数量越多，边缘吞吐量的下降越明显。

根据仿真结果，异频组网和FSFR的小区平均吞吐量优于同频组网，异频组网的小区边缘吞吐量优于FSFR和同频组网，同频组网的频率利用率最佳。

3 现场测试

3.1 测试方法

由于现有终端对异频的支持不好，直接进行测试无法准确对比不同频率组网下的网络性能。我们通过采用扫频仪对不同组网方式下的RSRP和SINR进行测量，通过逆向拟合推导接入成功率、网络容量等关键指标，从而得到不同频率配置情况下的网络性能。具体方法如下：

根据TD-LTE协议的规定，网络中的下行传输速率是终端的SINR决定的。SINR越高，信道环境越好，就可以使用更高的码率和更高的调制方法。不同的平均SINR对应于不同的有效传输速率，这个对应关系可由系统仿真确定。现场扫频仪可以测出每个点的SINR值，对应得出各点的传输速率，最终计算出全网的平均下行速率。在下行的测量中，可通过系统模拟加载的方式对不同负载情况下的SINR进行测量，从而得到不同负载情况下的下行传输速率等网络性能。

对于上行，无法直接测得各点对应的SINR，因此我们根据不同的组网方式，计算出相应的下上行干扰抬升值；利用测试得到的RSRP值计算出空间的路径损耗；根据基站配置，计算出上行的发射功率（如果发射功率大于UE最发发射功率，按照最大发射功率计算）。根据以上三者可以计算各点对应的SINR值，最后得出相应的上行传输速率。同样的，可以根据用户业务对干扰的抬升，推算出加扰情况下的上行SINR值，从而得到不同负载情况下的上行传输速率等网络性能。

用以上方法得到的速率通常高于实际系统中测量的数据，主要原因在于扫频仪给出的始终都是最好的小区测量得出SINR值，但在实际系统中，由于为了防止乒乓切换，切换过程中UE的服务小区可能不是最优的小区；小区切换时会有切换时延，期间无法传输数据；逆向拟合是假设数据是足够的，想发就有数据可发的理想状态。而在实际系统中，由于服务器原因和TCP层反馈原因，可能会存在服务器给出的流量不够的情况。但这些在不同频率组网的系统中对网络性能的影响是基本一致的，因此在研究不同组网模式的性能对比时，逆向拟合方式得到的数据具有较大的参考意义。由于在FSFR中，不同的子载波的SINR不相同，无法采用逆向拟合的方式进行计算，因此在现场只完成了同频和异频的性能测试。

现场选取仿真区域的东南角作为测试区域，测试区域共18个基站，26个小区，所选区域为密集城区。同频组网下各相关参数配置已经过充分优化，在异频组网下同eNode B的不同小区尽量采用不同频点，存在切换关系的小区，切换优先级最高的小区也尽量配置不同频点。

3.2 吞吐量测试结果分析

测试结果分析：

在空载时，20MHz同频组网可获得最高的频率利用率；

2×20MHz异频组网的网络干扰较低，网络的容量和用户接入性能最佳，加载时2×20MHz异频组网的边缘频率利用率最高；

4×10MHz异频组网的网内干扰最低，其边缘频率利用率与20MHz同频组网的相当，但由于单小区带宽太低，导致系统的峰值速率较低。

根据测试结果，不同的频率组网方案可应用于不同的网络场景：在建网初期，用户数量不多的场景下可通过同频组网降低频谱资源的占用，降低投资风险；当网络用户和业务量增加后，采用2×20MHz异频组网，可以获得较佳的网络性能；4×10MHz异频组网可用于大型场馆等干扰较大但对单用户峰值速率要求不高的特殊场景。

表3 吞吐量测试结果分析

4 初步结论及应用建议

在不同频率组网方案的对比中，网络系统仿真和现场测试的结果基本一致。因此，在采用D频段共40MHz频率组网的情况下，同频组网、异频组网和FSFR方案的对比如下：

同频组网的频率利用率最高，且用户数不多的情况下网络性能较好，因此在建网初期，用户数量不多的场景可广泛使用，降低频谱资源的占用，降低投资风险；

异频组网可获得较佳的网络接入性能和吞吐量性能，其中2×20MHz异频组网适用于用户和业务量较多的一般场景，4×10MHz异频组网可用于大型场馆等干扰较大但对单用户峰值速率要求不高的特殊场景；

根据仿真结果，FSFR在接入性能和吞吐量均没有明显优势，且由于FSFR导致频谱使用不均匀，将为网络规划和优化带来较大的实际困难。

目前TD-LTE网络频率组网方案的性能和应用仍受限于产业的发展，如系统设备和终端对系统带宽的支持能力、系统设备和终端对同频段异频点/异频段异频点切换功能的支持能力、半静态/动态ICIC等干扰抑制技术的实现、智能天线的应用及实现等。因此，仍需要在实际网络中对不同的频率组网方案进行不断的测试和优化，才能找到适合TD-LTE技术的频率组网方案。

[1]3GPP TS 36.213 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical layer procedures[S].

[2]郑侃, 赵慧, 王文博. 3G长期演进技术与系统设计[M]. 北京:电子工业出版社.

[3]胡宏林, 徐景. 3GPP LTE无线链路关键技术[M]. 北京：电子工业出版社.

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