LTE鏈路預算中邊緣速率的確定和仿真

文│ 中國移動通信集團設計院有限公司 常 靜 柏 楊

1 引言

在無線數據業務開始階段，一般采取的是不同業務選擇不同的功率發射，以維持額定數據速率。即“動態功率，額定速率”。3GPP R4版本之前都是采用的這種方式，而在3GPP R5版本及以后的HSDPA中，采用了AMC（自適應編碼調制技術），即功率不變，業務速率變化。當接收機接收到的信號不能支撐高速率業務時，降低業務速率，還可以繼續保持業務鏈接。也就是說，業務速率不同，要求的解調門限也不一樣。

LTE中，也是采用的AMC技術，這和HSDPA是相同的。

2 影響LTE覆蓋的因素

LTE最大的覆蓋范圍是指滿足一定業務速率的范圍。即如果說LTE的覆蓋范圍是和業務速率關聯的，沒有確定覆蓋邊緣的業務速率，就不能確定LTE的覆蓋范圍。

2.1 基站發射功率

由于LTE系統是存在小區間的干擾，所以增大基站的發射功率并不意味著能增大基站的覆蓋范圍，也就是說，增大基站的發射功率不一定能提高信噪比。所以，只能調整基站的發射功率，使信噪比達到最大。

2.2 頻率的影響

LTE支持的頻率范圍是700MHz～2.6GHz。在無線通信里，高頻段的傳播損耗要比低頻段的高。所以，采用的頻段會影響LTE的覆蓋范圍。

2.3 多天線技術

天線的分集模式越多，可以覆蓋的范圍越大。在使用多天線技術時，采用天線的數量和技術直接影響覆蓋范圍。比如使用8天線比2天線的增益要大6dB。波束賦形技術和MIMO技術也會影響基站的覆蓋范圍。

2.4 帶寬、RB資源和信道配置

LTE支持多帶寬動態配置，帶寬資源的配置，直接影響LTE的速率，也影響LTE的覆蓋范圍。用戶占用的載波資源越多，接收機的底噪越大，覆蓋范圍就會相應的收縮；同時，業務信道占用的子載波數目越多，在邊緣速率要求一定的情況下，覆蓋范圍也就越大。占用的帶寬越多意味著占用的RB資源越多，即RB資源也影響覆蓋范圍。

控制信道的資源配置方式也會影響覆蓋的能力。如PDCCH的DCI格式的等效編碼率不同，PUCCH的CQI的反饋模式、PRACH不同的格式配置和不同的循環移位參數配置都影響其能夠獲得的解調門限。解調門限要求高，其范圍相應的縮小。

2.5 RRM算法和子幀結構

在RRM算法中，對覆蓋有影響的主要是ICIC模塊和DRA模塊。小區間的干擾會影響接收機的底噪和接收靈敏度。ICIC模塊主要是調整上下行接收機的靈敏度影響覆蓋的能力。動態資源調度DRA主要是通過調整用戶使用的子載波數目和調制編碼方式影響覆蓋范圍。

子幀結構中，選擇常規CP還是擴展CP，限制著理論上最大的覆蓋范圍。

3 RB數量和MCS的對應關系

在LTE中，由于RB數量是數據業務的物理載體，LTE的調度算法決定一個TTI內的TB模塊需要分配多少個RB。在LTE標準TS36.213的Table 7.1.7.2.1-1:Transport block size table中有它們的對應關系。由于表格太大，這里就不引用了。同時，標準中給出了下行共享信道的中MCS和TB的對應關系，如表1所示。

對于MCS的序號代表的調制方式可以查MCS指數表，如表2所示。

在RRC中，每種傳輸信道定義成了一個SEQUENCE類型的機構，分別對應有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編解碼中沒有將信道類型包括其中，但是系統可以根據解析的物理層信道，得到RRC消息使用的信道類型。

4 MCS和信噪比的關系

調制方式的階數越高，即一個波形上調制的符號越多，數據的傳輸速率也就越大，但同時對信噪比SNR的要求也就越高。如果SNR不滿足要求而采用高階調制，解調的過程中誤碼率就會很高，導致數據業務的總體速率低。

通過對比高斯白噪聲的仿真結果，可以看到不同的MCS對SNR環境的要求，如圖1所示。

5 SNR對應的業務速率

表1 Modulation and TBS index table for PDSCH

表2 MCS指數表

在規劃設計時，根據規劃的鏈路預算信噪比SNR，可以查到對應的MCS，通過MCS和TB的對應表，可以得出當前支持的TB的級別，然后根據當前的系統配置帶寬，可查當前TB支持的RB數量，最后得到當前支持的最大速率。

例如，在20M帶寬的情況下，SNR為0時，對應的MCS為5，QPSK，R=1/2，使用雙天線收發流，則對應的MCS序號為9， 查詢TBS序號為9，查表得TBS為17568，則傳輸速率為17568×1000=17.56Mbps。

6 LTE的鏈路預算

和以往制式的無線鏈路預算相比，LTE的鏈路預算需要考慮相對較多的因素，主要原因是LTE的信道可以靈活配置帶寬。但是從根本上來說，計算的主要思路并沒有實質性的改變。

LTE鏈路預算需要考慮的特殊因素包括：業務的邊緣速率，系統帶寬資源的配置，天線配置、不同信道的接收機解調門限，ICIC算法的差異對應的干擾余量的變化。這些因子可以在預算開始時根據實際情況確定下來，作為已知參數輸入到LTE的鏈路預算公式。

LTE鏈路預算的關鍵步驟如圖2所示。在實際工作中，鏈路預算是采用相關工具一步一步完成的，我們只需關注每個步驟相應的輸入和輸出即可。

圖1 MSC和SNR的對應曲線圖

圖2 LTE鏈路預算的關鍵步驟

（1）輸入邊緣業務速率

3GPP協議規定了會話類、交互類、流類、背景類四類業務，并且又規定每類業務典型的應用和QoS要求。LTE網絡建設首先要滿足這些基本的要求。隨著移動互聯網業務的迅速發展，有線寬帶移動化使得傳統寬帶業務和移動網絡緊密的結合，LTE網絡將要承載更多的寬帶業務，包括寬帶上網和視頻監控等。所以，在規劃中設定LTE的邊緣覆蓋速率，空載時，鏈路預算的參考輸入值可以為下行1Mbps左右，上行250Kbps左右。

（2）配置邊緣用戶資源，包括RB資源，上、下行時隙配置比

邊緣用戶帶寬配置和動態調度算法直接相關，也和小區支撐的用戶總數有關。在10MHz帶寬的LTE系統中，采用部分公平的調度算法，按每小區用戶數為10個的情況計算，用戶占用的RB數為5～10個。

（3）確定天線配置、天線工作模式

在鏈路預算中，現有的技術條件下，天線的配置可以是1×2、2×2、2×4、4×4等。選擇天線的工作模式，對于邊緣用戶來說，一般選取發射分集或波束賦形。選定了天線配置和天線的工作模式，一般的鏈路預算工具就會關聯出相應的天線增益。

（4）計算發射端的RIRP

發射端的RIRP等效發射功率是機頂口發射功率減去相關損耗并加上天線增益。在LTE里，由于是多用戶共享載波資源，因而單用戶天線口功率還需考慮用戶功率的分配損耗。

在下行方向上，在系統帶寬為20MHz的情況下，單天線機頂口發射功率參考值為43dB/m。每個UE分配的具體功率是和UE分配的RB數目相關。UE分配的功率比例就是該UE的RB數目和總RB數目之比。假若有10個用戶，用戶的功率分配損耗為10dB。在上行方向，終端發射總功率可取23dB/m。

在下行方向，主要的損耗為接頭和饋線的損耗，對于BBU+RRU的模式，這個損耗的參考取值為0.5～1dB之間。上行方向主要考慮的是人體損耗，對于語音業務，損耗值為3dB；對于數據業務移動臺，可以不考慮人體損耗影響，即取0dB。

對于下行天線增益，不同的天線類型取值不同。室外高增益天線參考取值是15～20dB；室內分布天線的增益參考取值為3～6dB。邊緣用戶的天線工作模式不同，帶來的處理增益也不同，需要考慮相應的多天線分集增益，波束賦形增益。天線配置為2×2時，對于天線分集增益，或波束賦形增益，一般取2～3dB即可。

發射端等效發射功率計算如表3所示。具體規劃時如，取值與LTE配置相關及無線環境相關，可能會有很大的差別，但計算方法類似。

（5）計算接收端最小接入電平

接收端的最小接入電平dB/m是接收段解調門限加系統底噪、干擾余量、相關損耗，然后減去相關增益所得的值。

表3 發射端等效發射功率實例

根據上一節確定的業務速率和最低信噪比要求的對應關系，接收機要求的解調門限也就確定。

系統底噪是熱噪聲功率譜密度與UE所分配帶寬的乘積，再加上接收機的噪聲系數。上行基站側的接收機噪聲系數，其參考取值為2～3dB；終端側的接收機噪聲系數，其參考取值為7～9dB。

熱噪聲功率譜密度為-174dB/m·Hz，假若系統帶寬為10MHz，每用戶分配1MHz，那么下行手機側接收端的底噪為-174dB/m·Hz+10lg（106）+7=-107（dB/m）；上行基站側接收端的底噪為-174dB/m·Hz+10lg（106）+2=-112（dB/m）。

干擾余量可分為上行干擾余量和下行干擾余量。不同的無線環境，不同的組網結構，不同的負載狀態，不同的干擾抑制算法，差別比較大，需要通過仿真平臺來確定。

具體規劃工作中，計算上下行側的設備底噪，會和LTE設備的配置和無線環境相關，計算方法和上述相似。

（6）考慮無線環境，主要是穿透損耗和陰影衰落余量

由于無線傳播環境的差異，穿透損耗和陰影衰落余量的取值差別也比較大。在城區條件下，建筑物穿透損耗的典型值為15～20dB；考慮8dB的陰影衰落標準差，95%的區域覆蓋率對應的陰影衰落余量為8.3dB。

（7）計算最大允許路損

最大允許路損是發射端天線口等小功率減去接收端最小接收電平，再減去穿透損耗和陰影衰落余量。

7 覆蓋的仿真結果

在Atoll仿真軟件的LTE平臺上，通過限定速率來對比各個指標之間的關系。主要是限定速率下，上下行的解調門限和帶寬的關系；負載和覆蓋范圍的關系曲線以及限定覆蓋距離時，小區的吞吐量和負載的關系。

7.1 解調門限和帶寬關系仿真圖

圖3是設定下行的業務速率，得到的業務帶寬和解調門限之間的關系圖。仿真中共設定6個不同的業務速率，從128Kbps到4Mbps。所有帶寬都分配給一個用戶。從圖3中可以看到，業務速率越高，所需的解調門限越高，但是對于低速率業務用高帶寬傳送，所需的解調門限反而也會升高，這是由于接收機底噪的抬升所致。對比小于1M的業務速率，在20M的帶寬下，所需的解調門限呈收斂趨勢，表明在20M帶寬下，寬頻帶所導致的接收機底噪的抬升已成為解調門限升高的主要原因。

圖3 LTE下行帶寬和解調門限關系圖

圖4是設定上行的業務速率，得到的業務帶寬和解調門限之間的關系圖。由于基站的設備噪聲要優于接收設備的設備噪聲，所以同等速率上行的最低解調門限要低于下行。對比圖4中各業務速率曲線可以發現，不同的業務速率有各自的最優傳輸帶寬，特別是對低業務速率的情況下尤其明顯。超過所需的帶寬，解調門限就呈上升的趨勢，這也是在LTE網絡中，在傳送不同業務時，采用動態功率分配的一個原因。

圖4 LTE上行帶寬和解調門限的關系圖

7.2 覆蓋和負荷關系圖

由于LTE的網絡特性，在不同的小區負荷的情況下，相同的業務速率有著不同的覆蓋范圍。小區負荷越輕，所能覆蓋的距離越遠，如圖5所示。

圖5 覆蓋距離和小區負荷關系圖

在規劃中，對于給定的邊緣速率，可以確定小區的覆蓋范圍。如果邊緣速率為1Mbps，且小區負荷為1時，覆蓋半徑為1.5km。大于2Mbps的業務速率，覆蓋半徑和小區負荷近似呈線性關系。在規劃中，根據圖5的結論，可以統籌考慮小區的邊緣速率、覆蓋半徑和預測業務量。

7.3 小區吞吐速率和小區負荷關系圖

圖6為小區吞吐速率和小區負荷之間的關系示意圖。綜合圖5、圖6可以看到，在小區半徑為0.5km以內，吞吐速率和小區的負荷關系曲線變化迅速。而對于1.5km的距離，吞吐速率和小區的負荷沒有明顯的變化。由此可以看到，如果是在城區等并發業務多的區域，設計的小區半徑在0.5km左右比較合適，這樣可以滿足不同時段不同用戶的個性需求。對于在業務需求量比較小的區域，小區半徑可以設計為1.5km，只需保證小區的邊緣速率在2M左右，即可滿足用戶的需求。

圖6 吞吐速率和小區負荷關系示意圖

8 結束語

實際工作中LTE網絡規劃，必須根據本地網的實際情況進行規劃分析，本文只是提供了一些一般的參考原則。以指導實際工作。部分參考數值可以根據本地網的實際結果進行調整。