TD-LTE覆盖能力综合分析

肖清华，杨春德，张 堃（华信邮电咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 前言

LTE网络的优势在于能够更好地支持高速数据与多媒体业务，通过采用OFDM、SC-FDMA和MIMO等多种关键技术可以实现比目前2G/3G系统更快的数据速率、提供更高的小区容量，以及显著降低用户平面和控制平面的时延。

关于LTE系统覆盖能力的研究文献目前已经很多，但大部分描述得并不详细或者缺乏对比和结论性的分析。为了解决这些问题，本文对TD-LTE上下行链路的覆盖能力、不同链路业务和控制信道的覆盖能力进行了详细的分析和对比，并对链路预算中某些特殊项的取值给出了原理性的阐述和分析。结合TD-HSDPA等类似数据承载网络，对今后混合组网的平滑性也作了对比分析。

1 TD-LTE的帧结构及最大覆盖能力

TD-LTE 下 行 采 用 PBCH、PCFICH、PDCCH、PDSCH和PMCH物理信道，上行则采用PUCCH、PUSCH和PRACH物理信道。在进行OFDM符号的傅利叶逆变换（IFFT）之后插入循环前缀（CP）以防止符号间干扰，其帧结构如图1所示。

TD-LTE最大覆盖能力一方面与帧结构中GP的配置长度有关（与TD-SCDMA类似），另一方面取决于小区边缘用户的最大接入距离（PRACH信道配置）。

对于GP配置，参考TD-LTE的帧结构，最大覆盖距离MaxD1=C×GP/2，其中C为光速。表1示出的是不同特殊时隙的最大覆盖距离。

图1 TD-LTE帧结构

表1 不同特殊时隙的最大覆盖距离

图2示出的是PRACH的结构。

图2 PRACH的结构

此时最大覆盖距离MaxD2=C×GT/2，其中GT为PRACH中的空余时隙长度。表2示出的是PRACH的最大接入距离。

表2 PRACH的最大接入距离

取两者最大值，得出TD-LTE的理论最大覆盖距离 MaxD=max（MaxD1，MaxD2）。

2 TD-LTE上下行链路预算

TD-LTE系统的覆盖能力与链路预算指标紧密相联，但与其他系统不同的是，TD-LTE在系统帧结构设计上支持更大的覆盖极限，覆盖目标也具备多样化，更多依赖于边缘用户的速率。在TD-LTE系统规范中定义了6种载波带宽，用户占用的子载波带宽由系统分配，对覆盖产生很大影响。此外，增加64QAM的高阶调制、更丰富的编码率，引入OFDM和MIMO技术等都会对TD-LTE的覆盖能力产生影响。

2.1 TD-LTE链路预算流程

TD-LTE的链路预算涉及业务信道和控制信道，由于控制信道不涉及RB分配，与用户数据速率无关，因此，在流程上比业务信道更简单（见图3）。

由图3可见，无论是业务信道还是控制信道的链路预算，均包括共性参数。

a）基本条件：系统带宽、天线数和发射模式（如发射分集或波束赋形）、天线增益、发射功率、接收灵敏度等。

b）干扰余量、信噪比（SINR）等。

另外，业务信道还包括要承载的业务速率（小区边缘用户的流量要求）、RB数目分配等参数。

为表述方便，下文将以20 MHz信道带宽（100个RB）、常规CP配置、终端1天线收发、基站2天线收发（SFBC+分集）为例进行链路预算分析。对于小区功率，由于下行功率是均分在所有RB上的，业务分配功率与其占用的RB数目成正比。而上行则是所有eUe发送功率都给所占用的RB。所以本文假定下行小区功率配置在20 MHz带宽下为46 dBm，上行eUe发射功率为24 dBm。

2.2 典型链路预算参数

典型参数包括干扰余量和目标SINR（见图3中黄色部分）。对于干扰余量，由于每个业务在多个RB上承载，实际占用带宽是变化的，因此非常难以给出一个定值。通常情况下，由于TD-LTE的上行是快速功率控制，可以有效地控制干扰攀升，而下行是功率分配，不存在快速功控，干扰相对会大些。

图3 TD-LTE链路预算流程

通过采用仿真得到不同条件下的单小区 （无小区间干扰）、多小区边缘吞吐率，然后得到给定边缘吞吐率所对应的单小区半径和多小区半径。最后通过空口路损模型，得到单小区半径、多小区半径所对应的路损，两者之差即为干扰余量。

假定小区边缘用户目标吞吐量为THtar时，单小区边缘用户的信噪比为

同理，多小区边缘用户的信噪比为

Sreq和S分别表示单小区和多小区的覆盖半径，Itotal和PN则分别表示其干扰。

在相同小区覆盖范围（Sreq=S）的前提下，多小区边缘用户在满足THtar吞吐量时的干扰余量为

具体结果如表3所示。

表3 干扰余量

对于SINR，一定的边缘速率所需要的目标SINR与用户RB配置、MCS等级、传输模式、信道模型等有关。只有在确定相关的系统条件和配置，通过链路仿真获取该信道的SINR。链路仿真显示不同MCS下的SINR与MAC速率的关系（见图4）。

不同业务速率对应不同的RB分配，进而需要不同的MAC速率承载，通过速率匹配，查询所需要的调制编码方式，则可以获取SINR数值（见表4）。

此外，为方便下文的链路预算，再统一给出其他的常规参数（见表5）。

表4 不同配置下的SINR

表5 TD-LTE链路预算常规参数

2.3 上行TD-LTE链路预算

上行链路预算又可分为控制信道和业务信道的链路预算，两者均适用于式（4）。

式中：

LUL——上行链路最大传播损耗（dB）

PB——终端最大发射功率（dBm）

GB——基站天线增益（dBi）

GU——终端天线增益（dBi）

Lf——馈线损耗（dB）

Mf——阴影衰落余量（dB）

M1——干扰余量（dB）

Lp——建筑物穿透损耗（dB）

Lb——人体损耗（dB）

图4 TD-LTE SINR链路仿真

SU——基站接收灵敏度（dBm）

a）上行链路预算（业务信道）。在取定上文的典型参数和常规参数的前提下，以64~1 000 kbit/s数据业务为例，给出TD-LTE上行链路的业务信道链路预算（见表 6）。

b）上行链路预算（控制信道）。上行控制信道主要是PUCCH，包括Format1~Format2b等6种格式。当采用Format2b格式时，使用QPSK+QPSK调制，总BIT数超过20，覆盖距离是最短的（见表7）。

下文以Format2系列格式为例对上行控制信道的链路预算进行说明。由于大部分参数与业务信道相同，在此只列出不同部分（见表8）。

对比上行控制信道和业务信道的链路预算，可知：a）上行控制信道的覆盖能力受限于PUCCH 2b。b）即便是PUCCH 2b，其覆盖能力也好于上行业务信道，所以上行链路是业务信道PUSCH受限。

c）上行业务信道覆盖范围随着小区边缘目标的速率增加而减少。

2.4下行TD-LTE链路预算

类似地，可先对下行链路进行链路预算的分析。

式中：

LDL——下行链路最大传播损耗（dB）

PB——基站最大发射功率（dBm）

SU——终端接收灵敏度（dBm）

a）下行链路预算（业务信道）。以64~2 000 kbit/s数据业务为例，具体链路预算参见表9。

b）下行链路预算（控制信道）。下行控制信道包括PBCH、PDCCH、PCFICH等，由于大部分参数与业务信道相同，在此只列出不同部分（见表10）。

对比下行控制信道和业务信道的链路预算，可知：

a）下行控制信道的覆盖能力受限于PDCCH，PBCH能够达到最优覆盖。

b）与下行业务信道相比，PDCCH覆盖能力仍然受限，所以下行链路是PDCCH受限。

c）下行业务信道PDSCH覆盖范围随着小区边缘目标的速率增加而减少。

3 TD-LTE的覆盖能力综合分析

图5示出的是TD-LTE不同业务、不同信道、不同链路的覆盖能力。

由图5可知：

表6 TD-LTE上行业务信道链路预算

表7 PUCCH格式

表8 TD-LTE上行控制信道与业务信道链路预算差异

a）TD-LTE的上行信道受限于PUSCH，即业务信道。

b）TD-LTE的下行信道受限于PDCCH，即控制信道。

c）在上下行业务信道目标速率相同时，PDSCH覆盖优于PUSCH，即上行业务受限。

d）对比上下行覆盖范围，TD-LTE系统覆盖受限于PDCCH，即下行控制信道。

此外，为了更好地了解数据承载网络TD-LTE与TD-HSDPA在覆盖能力上的差异，本文在取定相同参数、区域类型的前提下给出TD-HSDPA的链路预算，（见表 11）。

表9 TD-LTE下行业务信道链路预算

表10 TD-LTE下行控制信道与业务信道链路预算预算差异

图6示出的是TD-LTE与TD-HSDPA覆盖能力对比。

由图6可知：

a） 在相仿业务能力（TD-LTE 500 kbit/s、TD-HSDPA384 kbit/s）情况下，TD-LTE上下行业务信道要优于TD-HSDPA。

b）在相同前提下，TD-LTE的上行控制信道覆盖能力优于TD-HSDPA，下行PUCCH 2b要略逊于HSHSCCH，但PBCH和PCFICH控制信道的覆盖能力要优于后者。

c）因此，对于TD-LTE与TD-HSDPA的混合组网完全可以在目前的TD-HSDPA网络上进行规划。

4 结束语

TD-LTE的覆盖性能是对系统进行评估的重要指标，决定了是否可以带给用户稳定、可靠的业务感知。本文基于TD-LTE帧结构，首先分析了其最大覆盖能力，之后分别具体给出了上下行控制及业务信道的链路预算，并结合TD-HSDPA的覆盖能力进行综合对比分析，对于今后从事TD-LTE的网络规划有着一定的指导作用。

当然，TD-LTE的覆盖性能与RB资源块的分配算法、调度模式、调制方法紧密相关，所以在实际中也是千变万化的。本文也只是以典型案例进行介绍，限于篇幅，对2天线TD-LTE与TD-HSUPA的对比，8天线情况下的TD-LTE等均未作分析。

表11 TD-HSDPA链路预算

图5 TD-LTE的上下行链路预算分析

图6 TD-LTE与TD-HSDPA覆盖能力对比（TD-LTE 2天线，HSDPA 8天线）

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