LTE链路预算中边缘速率的确定和仿真

2012-09-20中国移动通信集团设计院有限公司

智能建筑与智慧城市 2012年12期

文│ 中国移动通信集团设计院有限公司常静柏杨

1 引言

在无线数据业务开始阶段，一般采取的是不同业务选择不同的功率发射，以维持额定数据速率。即“动态功率，额定速率”。3GPP R4版本之前都是采用的这种方式，而在3GPP R5版本及以后的HSDPA中，采用了AMC（自适应编码调制技术），即功率不变，业务速率变化。当接收机接收到的信号不能支撑高速率业务时，降低业务速率，还可以继续保持业务链接。也就是说，业务速率不同，要求的解调门限也不一样。

LTE中，也是采用的AMC技术，这和HSDPA是相同的。

2 影响LTE覆盖的因素

LTE最大的覆盖范围是指满足一定业务速率的范围。即如果说LTE的覆盖范围是和业务速率关联的，没有确定覆盖边缘的业务速率，就不能确定LTE的覆盖范围。

2.1 基站发射功率

由于LTE系统是存在小区间的干扰，所以增大基站的发射功率并不意味着能增大基站的覆盖范围，也就是说，增大基站的发射功率不一定能提高信噪比。所以，只能调整基站的发射功率，使信噪比达到最大。

2.2 频率的影响

LTE支持的频率范围是700MHz～2.6GHz。在无线通信里，高频段的传播损耗要比低频段的高。所以，采用的频段会影响LTE的覆盖范围。

2.3 多天线技术

天线的分集模式越多，可以覆盖的范围越大。在使用多天线技术时，采用天线的数量和技术直接影响覆盖范围。比如使用8天线比2天线的增益要大6dB。波束赋形技术和MIMO技术也会影响基站的覆盖范围。

2.4 带宽、RB资源和信道配置

LTE支持多带宽动态配置，带宽资源的配置，直接影响LTE的速率，也影响LTE的覆盖范围。用户占用的载波资源越多，接收机的底噪越大，覆盖范围就会相应的收缩；同时，业务信道占用的子载波数目越多，在边缘速率要求一定的情况下，覆盖范围也就越大。占用的带宽越多意味着占用的RB资源越多，即RB资源也影响覆盖范围。

控制信道的资源配置方式也会影响覆盖的能力。如PDCCH的DCI格式的等效编码率不同，PUCCH的CQI的反馈模式、PRACH不同的格式配置和不同的循环移位参数配置都影响其能够获得的解调门限。解调门限要求高，其范围相应的缩小。

2.5 RRM算法和子帧结构

在RRM算法中，对覆盖有影响的主要是ICIC模块和DRA模块。小区间的干扰会影响接收机的底噪和接收灵敏度。ICIC模块主要是调整上下行接收机的灵敏度影响覆盖的能力。动态资源调度DRA主要是通过调整用户使用的子载波数目和调制编码方式影响覆盖范围。

子帧结构中，选择常规CP还是扩展CP，限制着理论上最大的覆盖范围。

3 RB数量和MCS的对应关系

在LTE中，由于RB数量是数据业务的物理载体，LTE的调度算法决定一个TTI内的TB模块需要分配多少个RB。在LTE标准TS36.213的Table 7.1.7.2.1-1:Transport block size table中有它们的对应关系。由于表格太大，这里就不引用了。同时，标准中给出了下行共享信道的中MCS和TB的对应关系，如表1所示。

对于MCS的序号代表的调制方式可以查MCS指数表，如表2所示。

在RRC中，每种传输信道定义成了一个SEQUENCE类型的机构，分别对应有DL_DCCH_Message、UL_DCCH_Message、DL_CCCH_Message、UL_CCCH_Message、PCCH_Message、DL_SHCCH_Message、UL_SHCCH_Message、BCCH_FACH_Message、BCCH_BCH_Message。在RRC的ASN.1编解码中没有将信道类型包括其中，但是系统可以根据解析的物理层信道，得到RRC消息使用的信道类型。

4 MCS和信噪比的关系

调制方式的阶数越高，即一个波形上调制的符号越多，数据的传输速率也就越大，但同时对信噪比SNR的要求也就越高。如果SNR不满足要求而采用高阶调制，解调的过程中误码率就会很高，导致数据业务的总体速率低。

通过对比高斯白噪声的仿真结果，可以看到不同的MCS对SNR环境的要求，如图1所示。

5 SNR对应的业务速率

表1 Modulation and TBS index table for PDSCH

表2 MCS指数表

在规划设计时，根据规划的链路预算信噪比SNR，可以查到对应的MCS，通过MCS和TB的对应表，可以得出当前支持的TB的级别，然后根据当前的系统配置带宽，可查当前TB支持的RB数量，最后得到当前支持的最大速率。

例如，在20M带宽的情况下，SNR为0时，对应的MCS为5，QPSK，R=1/2，使用双天线收发流，则对应的MCS序号为9，查询TBS序号为9，查表得TBS为17568，则传输速率为17568×1000=17.56Mbps。

6 LTE的链路预算

和以往制式的无线链路预算相比，LTE的链路预算需要考虑相对较多的因素，主要原因是LTE的信道可以灵活配置带宽。但是从根本上来说，计算的主要思路并没有实质性的改变。

LTE链路预算需要考虑的特殊因素包括：业务的边缘速率，系统带宽资源的配置，天线配置、不同信道的接收机解调门限，ICIC算法的差异对应的干扰余量的变化。这些因子可以在预算开始时根据实际情况确定下来，作为已知参数输入到LTE的链路预算公式。

LTE链路预算的关键步骤如图2所示。在实际工作中，链路预算是采用相关工具一步一步完成的，我们只需关注每个步骤相应的输入和输出即可。

图1 MSC和SNR的对应曲线图

图2 LTE链路预算的关键步骤

（1）输入边缘业务速率

3GPP协议规定了会话类、交互类、流类、背景类四类业务，并且又规定每类业务典型的应用和QoS要求。LTE网络建设首先要满足这些基本的要求。随着移动互联网业务的迅速发展，有线宽带移动化使得传统宽带业务和移动网络紧密的结合，LTE网络将要承载更多的宽带业务，包括宽带上网和视频监控等。所以，在规划中设定LTE的边缘覆盖速率，空载时，链路预算的参考输入值可以为下行1Mbps左右，上行250Kbps左右。

（2）配置边缘用户资源，包括RB资源，上、下行时隙配置比

边缘用户带宽配置和动态调度算法直接相关，也和小区支撑的用户总数有关。在10MHz带宽的LTE系统中，采用部分公平的调度算法，按每小区用户数为10个的情况计算，用户占用的RB数为5～10个。

（3）确定天线配置、天线工作模式

在链路预算中，现有的技术条件下，天线的配置可以是1×2、2×2、2×4、4×4等。选择天线的工作模式，对于边缘用户来说，一般选取发射分集或波束赋形。选定了天线配置和天线的工作模式，一般的链路预算工具就会关联出相应的天线增益。

（4）计算发射端的RIRP

发射端的RIRP等效发射功率是机顶口发射功率减去相关损耗并加上天线增益。在LTE里，由于是多用户共享载波资源，因而单用户天线口功率还需考虑用户功率的分配损耗。

在下行方向上，在系统带宽为20MHz的情况下，单天线机顶口发射功率参考值为43dB/m。每个UE分配的具体功率是和UE分配的RB数目相关。UE分配的功率比例就是该UE的RB数目和总RB数目之比。假若有10个用户，用户的功率分配损耗为10dB。在上行方向，终端发射总功率可取23dB/m。

在下行方向，主要的损耗为接头和馈线的损耗，对于BBU+RRU的模式，这个损耗的参考取值为0.5～1dB之间。上行方向主要考虑的是人体损耗，对于语音业务，损耗值为3dB；对于数据业务移动台，可以不考虑人体损耗影响，即取0dB。

对于下行天线增益，不同的天线类型取值不同。室外高增益天线参考取值是15～20dB；室内分布天线的增益参考取值为3～6dB。边缘用户的天线工作模式不同，带来的处理增益也不同，需要考虑相应的多天线分集增益，波束赋形增益。天线配置为2×2时，对于天线分集增益，或波束赋形增益，一般取2～3dB即可。

发射端等效发射功率计算如表3所示。具体规划时如，取值与LTE配置相关及无线环境相关，可能会有很大的差别，但计算方法类似。

（5）计算接收端最小接入电平

接收端的最小接入电平dB/m是接收段解调门限加系统底噪、干扰余量、相关损耗，然后减去相关增益所得的值。

表3 发射端等效发射功率实例

根据上一节确定的业务速率和最低信噪比要求的对应关系，接收机要求的解调门限也就确定。

系统底噪是热噪声功率谱密度与UE所分配带宽的乘积，再加上接收机的噪声系数。上行基站侧的接收机噪声系数，其参考取值为2～3dB；终端侧的接收机噪声系数，其参考取值为7～9dB。

热噪声功率谱密度为-174dB/m·Hz，假若系统带宽为10MHz，每用户分配1MHz，那么下行手机侧接收端的底噪为-174dB/m·Hz+10lg（106）+7=-107（dB/m）；上行基站侧接收端的底噪为-174dB/m·Hz+10lg（106）+2=-112（dB/m）。

干扰余量可分为上行干扰余量和下行干扰余量。不同的无线环境，不同的组网结构，不同的负载状态，不同的干扰抑制算法，差别比较大，需要通过仿真平台来确定。

具体规划工作中，计算上下行侧的设备底噪，会和LTE设备的配置和无线环境相关，计算方法和上述相似。

（6）考虑无线环境，主要是穿透损耗和阴影衰落余量

由于无线传播环境的差异，穿透损耗和阴影衰落余量的取值差别也比较大。在城区条件下，建筑物穿透损耗的典型值为15～20dB；考虑8dB的阴影衰落标准差，95%的区域覆盖率对应的阴影衰落余量为8.3dB。

（7）计算最大允许路损

最大允许路损是发射端天线口等小功率减去接收端最小接收电平，再减去穿透损耗和阴影衰落余量。

7 覆盖的仿真结果

在Atoll仿真软件的LTE平台上，通过限定速率来对比各个指标之间的关系。主要是限定速率下，上下行的解调门限和带宽的关系；负载和覆盖范围的关系曲线以及限定覆盖距离时，小区的吞吐量和负载的关系。

7.1 解调门限和带宽关系仿真图

图3是设定下行的业务速率，得到的业务带宽和解调门限之间的关系图。仿真中共设定6个不同的业务速率，从128Kbps到4Mbps。所有带宽都分配给一个用户。从图3中可以看到，业务速率越高，所需的解调门限越高，但是对于低速率业务用高带宽传送，所需的解调门限反而也会升高，这是由于接收机底噪的抬升所致。对比小于1M的业务速率，在20M的带宽下，所需的解调门限呈收敛趋势，表明在20M带宽下，宽频带所导致的接收机底噪的抬升已成为解调门限升高的主要原因。

图3 LTE下行带宽和解调门限关系图

图4是设定上行的业务速率，得到的业务带宽和解调门限之间的关系图。由于基站的设备噪声要优于接收设备的设备噪声，所以同等速率上行的最低解调门限要低于下行。对比图4中各业务速率曲线可以发现，不同的业务速率有各自的最优传输带宽，特别是对低业务速率的情况下尤其明显。超过所需的带宽，解调门限就呈上升的趋势，这也是在LTE网络中，在传送不同业务时，采用动态功率分配的一个原因。

图4 LTE上行带宽和解调门限的关系图

7.2 覆盖和负荷关系图

由于LTE的网络特性，在不同的小区负荷的情况下，相同的业务速率有着不同的覆盖范围。小区负荷越轻，所能覆盖的距离越远，如图5所示。

图5 覆盖距离和小区负荷关系图

在规划中，对于给定的边缘速率，可以确定小区的覆盖范围。如果边缘速率为1Mbps，且小区负荷为1时，覆盖半径为1.5km。大于2Mbps的业务速率，覆盖半径和小区负荷近似呈线性关系。在规划中，根据图5的结论，可以统筹考虑小区的边缘速率、覆盖半径和预测业务量。

7.3 小区吞吐速率和小区负荷关系图

图6为小区吞吐速率和小区负荷之间的关系示意图。综合图5、图6可以看到，在小区半径为0.5km以内，吞吐速率和小区的负荷关系曲线变化迅速。而对于1.5km的距离，吞吐速率和小区的负荷没有明显的变化。由此可以看到，如果是在城区等并发业务多的区域，设计的小区半径在0.5km左右比较合适，这样可以满足不同时段不同用户的个性需求。对于在业务需求量比较小的区域，小区半径可以设计为1.5km，只需保证小区的边缘速率在2M左右，即可满足用户的需求。