TD-LTE无线网络规划与仿真应用

2016-03-09中国普天信息产业北京通信规划设计院李江浩

电子世界 2016年3期

中国普天信息产业北京通信规划设计院李江浩刘军李果

TD-LTE无线网络规划与仿真应用

中国普天信息产业北京通信规划设计院李江浩刘军李果

【摘要】随着中国4G牌照的正式发布，LTE制式网络规划设计无疑成为了诸多建设环节中的重中之重，其中网络仿真的水平与成品网络的质量有着密不可分的关系。如何正确的在设计环节中合理的使用仿真软件成为了许多规划设计人员需要考虑的问题，文章就TD-LTE网络规划及仿真应用给出了指导和建议。

【关键词】TD-LTE；规划；仿真；传播模型

0 前言

针对用户持续提升的业务需求，3GPP推出了EPS演进分组系统：LTE-无线接口长期演进和SAE-系统架构演进。LTE系统具有更高的频谱效率、传输速率和较低的时延性能。LTE作为现有3G通信系统向4G演进的路线和方向，共分为两个版本：TDD和FDD分别为TD-SCDMA的长期演进方向，CDMA2000和WCDMA的长期演进方向。

1 概述

中国工信部于2013年12月4日向中国移动通信集团公司、中国电信集团公司和中国联合网络通信集团有限公司颁发“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务（TD-LTE）”经营许可。中国移动获得130MHz频谱资源，分别为1880 -1900 MHz、2320-2370 MHz、2575-2635 MHz；中国联通获得40MHz频谱资源，分别为2300-2320 MHz、2555-2575 MHz；中国电信获得40MHz频谱资源，分别为2370-2390 MHz、 2635-2655 MHz。

随着该牌照的正式颁布，TD-LTE无线网络的规划设计无疑成为网络建设的重要环节。规划作为设计工作的一项重要环节，通过对现网基础数据深层次处理而得出规划目标站点，然后进行仿真优化后的工程参数输出，最通过工程优化实现对该参数的再次矫正，具有较强的指导意义。

对于TD-LTE网络来说，关键指标包括覆盖指标、边缘用户速率、块差错率目标值等。其网络规划流程大致可划分为：需求分析、网络预规划、站址规划、仿真、参数规划等阶段。

2 TD-LTE系统架构

TD-LTE系统架构分为两部分：EPC和E-UTRAN。如图1所示，与3G无线网络相比，TD-LTE仅由eNodeB组成，提供到UE的E-UTRAN控制平面与用户平面的协议终止点。eNodeB之间通过X2接口相连，eNodeB通过S1接口与EPC相连。其中，eNodeB与MME （Mobility Management Entity）相连的接口叫S1-MME；eNodeB与S-GW（Serving Gateway）相连的接口叫S1-U。与3G系统的网络架构相比，接入网仅包括eNodeB一种逻辑节点，网络架构中节点数量减少，网络架构更加趋于扁平化。

图1 TD-LTE系统架构图

3 TD-LTE网络规划特点

网络规划分为核心网规划和无线接入网规划。本文主要研究无线网络规划，其主要任务是根据技术特点、射频要求、无线传播环境等条件，使用特定的规划方法确定的基站位置、参数配置等信息，以满足覆盖、容量及质量要求。TD-LTE主要关键技术为OFDM（正交频分复用）和MIMO（多输入/多输出），其规划特点如下：

● 覆盖特点

相对于TD-SCDMA系统的专用信道方式，通过链路预算得到覆盖范围。TD-LTE系统中业务信道为共享方式，所以需要先确定边缘用户最低保障速率，根据速率要求和资源分配进行链路预算，确定覆盖范围；此外，其多天线技术也会对覆盖产生直接的影响。

覆盖规划首先需要确定链路预算的系统配置，如：系统带宽、每小区用户数、天线模式等。在此基础上，还需确定小区边缘用户的保障速率，及分配到的RB数（resource block）。系统平均带宽开销可以折算得到每个RB所需要承载的bit数，从而确定需求的SINR，作为接收机信号强度预算的输入值，SINR是覆盖估算中最为关键的参数。覆盖估算主要是根据系统要求及配置，确定发射机、接收机，附加损耗等参数，通过计算信道最大路径损耗，得出信道的覆盖半径。

● 容量特点

对于任何无线通信系统来说，频率资源是系统容量最根本的决定因素。通过关键技术提高频谱利用率，增加系统容量是无线通信系统的重中之重。

在TD-LTE系统中，用户可以从时域、频域、空域和码域复用空中接口资源。在带宽一定的情况下，系统的容量与时频分割的物理资源块数、资源单元数相关；在空域与无线信道环境、天线配置、天线发射端口数（P）及MIMO数据流数相关；扩频调制信道与可用码资源相关。

该系统空中接口分为控制面及用户面。控制面信道承载物理层上下行控制信息和高层信令信息，其容量与信道资源配置、信道格式、接入及调度算法相关；用户面承载用户上下行业务数据，其容量与业务信道资源配置、业务质量要求（QoS）、编码调制方式（MCS）、无线信道传播环境相关。

综上所述，TD-LTE系统容量分析特点如下：

（1）空中接口物理资源是系统容量决定因素，包括：系统带宽、天线配置、系统帧结构及时隙配比、控制信道与业务信道配置等；

（2）具有不确定性，系统调度算法、信道调制编码方式、MIMO数据流数与业务质量要求、信道环境、干扰水平等时变因素密切相关，动态地变化；

（3）网络硬件的处理能力对于系统容量的影响不可忽视；因此，对于TD-LTE系统的容量分析应客观根据时变条件对网络的影响，在理论估算系统容量的基础上，通过网络统计或系统仿真的方式进行调整修正，逼近网络实际容量。

● 参数规划特点

TD-LTE无线网络参数规划主要包括：邻区、频率、PCI码资源规划。

邻区规划：综合考虑各小区的覆盖范围及站间距、方位角等进行规划。

频率规划：主要干扰为小区间干扰。提高频谱利用率，通过频率复用，使得可以使用较少的频率资源达到覆盖要求。

PCI码资源规划：与TD-SCDMA的扰码规划类似，建议在覆盖区交叠的相邻小区不分配互相关性相对较高的码字。

4 TD-LTE网络仿真应用

市面上支持TD-LTE仿真的软件很多，如：Atoll、UNET、Opentune等，本文在此就法国Forsk 的Atoll软件在TD-LTE仿真上的应用做简单的介绍如下。该软件是法国 FORSK 公司开发的,是一个全面的、基于Windows的、支持2G、3G、4G多种技术，用户界面友好的无线网络规划仿真软件，它是 FORSK公司的核心产品。2000 年，Atoll 的 3G 版本是市场上第一个3G无线规划工具。

(1)工程示例

为了便于大家理解，以甘肃XX地市联通的2014年TD-LTE网XX期工程为例，向大家展示一下仿真效果：

基本参数设置：

√ 地图：采用20/50米精度三维地图；

√ 传播模型为SPM模型；

√ 手机发射功率23dBm；

√ 小区发射功率43dBm；

√ 静态业务负载：上行：50%；下行：50%；

√ MiMO模式：上行：分集；下行：分集；

√ TD LTE转换周期：半帧；帧配置：2：2；

√ TD LTE智能天线：8路天线，BCH增益：11dBi；

√ 普通天线：水平半功率角6 5°，增益17.5dBi，收发均为2端口；

√ ICIC：不启用；

仿真结果

其它示例图：点分析示例：

仿真方法简述

仿真工程首先需要确定目标覆盖范围，划定预规划区域。对于全新网络，可根据预规划网络的频段结合当地地貌特征通过链路预算得到合理的站间距，按蜂窝结构确定站点数量及位置（Nominal Site的概念），然后通过实地联合勘察确定备选站点（Candidate Site，通常3-5个/站，建议搜索圈半径根据不同场景约为50-200米），反馈勘察站点信息后再通过仿真软件校验备选站点可行性；如果可行可交由谈站方协同谈定站点，如站址偏移过大需二次勘察选定并重复以上步骤直到仿真结果可行。站址勘察建议采用联合勘察的机制，保证站点获取成功率，减少重复工作量。对于既有网络，可直接提取现网工程参数作为仿真基础数据，适当矫正，对新增拟覆盖区域划定并通过链路预算确定新增站点规模，中心站点坐标等数据，后续步骤同全新网络规划方法。

但对于TD-LTE网络来说，其主要功能为分流3G数据业务及覆盖数据热点区域，因此站点建设方式多为共站、共享，即直接在已有2G或3G站点上叠加。

以甘肃联通为例，各地市TD-LTE站点建设数量都不是很大，主要覆盖区域多为密集城区的校园、步行街、中心商业区，交通枢纽等高流量数据热点区域，这样的呈现结果多为单点覆盖或小范围连片覆盖。

针对TD-LTE的这种建设思路，我们在仿真中可以直接取工程实勘中的站点工参直接作为仿真工参来进行设置，如：站址经纬度、天线挂高、方位角、下倾角等。由于TD-LTE频段的特性导致其实际覆盖效果较W2.1GHZ的频段稍差，这样就要求我们在工程后期的DT测试中对其实际覆盖区域进行确认，并进行参数矫正优化，工程优化无法解决的弱覆盖问题可通过新增独立RRU拉远配合特型增益天线来解决。

工程优化DT测试效果

本工程网络建设完成后由网络优化方面取得的测试结果如下：

RSCP：