TD—LTE網絡規劃和容量的研究

【摘要】 雖然LTE發展迅猛，但我們需要清醒認識到，在國內TD-LTE從試驗網到成熟的商用網，仍是一個復雜的過程。從網絡系統干擾到網絡頻譜策略、從網絡承載用戶數到網絡覆蓋，都是我們需要提前研究考慮的問題。及時展開TD-LTE無線網絡覆蓋、容量以及其發展策略等方面的研究，對于TD網絡平滑過渡到LTE有較為積極的意義。本次通過對LTE網絡系統參數及關鍵技術的研究，對LTE網絡容量、網絡覆蓋進行分析，最總確定在網絡建設初期的組網方案，減少LTE網絡建設成本、提高網絡性能以及TD網絡向LTE平滑過渡做出貢獻。

【關鍵詞】 TD-LTE 網絡規劃 組網方案

一、概要

在未來的新一代移動通信技術中，LTE及其演進技術是一個主流和發展方向。我國成立了TD-LTE工作組，全力地推進TD-LTE的產業化工作。

隨著中國移動試驗網建設的完成，全國大規模LTE商用網絡的建設已經如火如荼的展開，如何在建網初期對LTE網絡進行良好的規劃，保證LTE網絡的覆蓋質量和用戶容量，將LTE建網對資源的浪費降至最低，是我們建網初期最迫切關注的問題，也是我們研究的意義所在。

1.1研究內容

（1）覆蓋分析：通過對今后TD-LTE可能分配的相關頻段無線傳播特性分析，并結合OFDM/MIMO/BOFORMING等關鍵技術特性，與相關設備廠商進行合作，依據相關產品性能，對TD-LTE網絡覆蓋能力進行有效估算；

（2）LTE容量分析：分析LTE關鍵技術所能提供的容量，小區邊緣速率等。對LTE的容量提出算法

（3）結合規劃，對覆蓋和容量的分析，確定網絡結構。

二、TD-LTE網絡影響覆蓋的因素

LTE的OFDM的多址接入技術、MIMO/SA的多天線技術是TD-LTE標準的兩個關鍵技術以及LTE幀結構、3GPP協議規范都對其覆蓋產生影響。

第一是頻段的影響，F頻段和D頻段的覆蓋距離和覆蓋效果受到傳播損耗的影響差別很大。經過實測，對于青海西寧無線環境對D頻段的衰落較大。D頻段的站間距適合設置在400米～500米，F頻段的站間距適合放置在500～650米。

不同頻率對TD-LTE頻率規劃原則：

TD-LTE宏基站使用1880-1900MHz（F頻段）和2570-2620MHz（D頻段）。其中廣州、深圳和杭州等3個城市采用F頻段，北京、上海、天津、南京、沈陽、青島、廈門、寧波、福州和成都等10個城市采用D頻段。

F頻段單載波站點（20MHz）：使用1880-1900MHz； D頻段中層單載波站點（20MHz）：使用2575-2595MHz； D頻段中層雙載波站點（2×20MHz）：使用2575-2615MHz； D頻段底層（如街道站）站點（20MHz）：使用2595-2615MHz；

第二是基于TDD的雙工技術。在TDD方式里面，TDD時間切換的雙工方式是在一個幀結構中定義了它的雙工過程。在討論TDD系統的同時要考慮FDD（頻分雙工）系統，在TDD/FDD雙模中，LTE規范提供了技術和標準的共同性。

第三個是OFDM技術和調制編碼技術。一是OFDM技術和MIMO（多輸入多輸出）技術如何結合，使移動通信系統性能進一步提升；二是OFDM技術在蜂窩移動通信組網的條件下，如何克服同頻組網帶來的問題。

第四個是基于MIMO/SA的多天線技術。智能天線技術是通過賦形，提供覆蓋和干擾協調能力的技術。MIMO技術通過多天線提供不同的傳輸能力，提供空間復用的增益。同時考慮的引入如下：

1、邊緣目標速率。不同于3G傳統業務，由于采用AMC技術，用戶的數據速率可變，不同的速率要求的SINR解調門限不同，因此覆蓋范圍不同 。

2、干擾消除技術。干擾的存在會引起接收機底噪的抬升，從而引起接收機靈敏度的下降，最終導致最大允許傳輸距離的減小，覆蓋范圍收縮。

3、資源分配。系統根據每個用戶的鏈路狀況分配給用戶不同個數的RB資源，用戶占用的載波資源越多，接收機底噪越大，從而導致系統覆蓋收縮。

4、天線技術。基于傳輸分集的MIMO天線方式為系統提供了基于發射分集的下行覆蓋增益；基于波束賦行的天線方式在下行方向提供了賦行增益和分集增益，在上行方向提供了接收分集增益。

5、自適應調制編碼方式。LTE系統增加了64QAM高階調制方式，不同的調制編碼等級要求不同的SINR解調門限，導致不同的覆蓋范圍。

2.1可能使用的頻段對覆蓋的影響

不同頻段、不同城市的傳播損耗也不同。城市約密集，傳播損耗越大，北上廣深這樣的大型一類城市，傳播損耗大于西部中小型城市。以青海西寧無線環境為例，D頻段的站間距適合設置在400米～500米，F頻段的站間距適合放置在500～650米。在建設初期，F頻段更合適快速建網及覆蓋，建議用F頻段來建設初期網絡，后期通過D頻段進行有效補充。

2.2系統幀結構對覆蓋的影響

TD-LTE幀結構特點：

無論是正常子幀還是特殊子幀，長度均為1ms。FDD子幀長度也是1ms。

一個無線幀分為兩個5ms半幀，幀長10ms。和FDD LTE的幀長一樣。

特殊子幀 DwPTS + GP + UpPTS = 1ms

時隙長度不同。TD-LTE的子幀（相當于TD-S的時隙概念）長度和FDD LTE保持一致，有利于產品實現以及借助FDD的產業鏈。 TD-LTE的特殊時隙有多種配置方式，DwPTS，GP，UpPTS可以改變長度，以適應覆蓋、容量、干擾等不同場景的需要。 在某些配置下，TD-LTE的DwPTS可以傳輸數據，能夠進一步增大小區容量。

TD-LTE的調度周期為1ms，即每1ms都可以指示終端接收或發送數據，保證更短的時延。而TD-SCDMA的調度周期為5ms。

TD-LTE物理層有 5ms和10ms兩種上下行切換周期：（圖2）

由于LTE采用時域頻域的兩維調度，還需要確定不同速率的業務在小區邊緣區域占用的RB數或者SINR要求，才能確定滿足既定小區邊緣最低保障速率下的小區覆蓋半徑。

2.3多樣的調制編碼方式對覆蓋的影響

LTE系統設計中有測量信號RS，它可以檢查信道的好壞，根據不同的，TD-LTE在下行方向采用QPSK、16QAM和64QAM，在上行方向采用QPSK和16QAM。高峰值傳送速率是LTE下行鏈路需要解決的主要問題。為了實現系統下行100Mb/s峰值速率的目標，在3G原有的QPSK、16QAM基礎上，LTE系統增加了64QAM高階調制。64QAM的頻譜利用率高，但是其歸一化比特信噪比與QPSK相比降低了很多，即頻譜利用率的提高是在犧牲信噪比和可靠性的前提下獲得的。采用64QAM從信道利用率的角度看，可以將信道利用率提高60%，在以高速數據傳輸為主要目的LTE中，是一個很好的解決方案。不過，64QAM頻譜利用率的提高勢必要損失一些抗干擾能力，為達到相同的誤碼性能需要增加歸一化信噪比，設備復雜性和設備成本有所增加。

2.4 MIMO/BOFORMING等對覆蓋的影響

MIMO是LTE中的關鍵技術、對LET的容量和覆蓋都有影響，但要注意的是，針對不同無線環境，MIMO的作用也不一樣。研究結果表明，對于MIMO系統來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統在發射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多通道，MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。傳輸信息流s（k）經過空時編碼形成N個信息子流ci（k），I=1，……，N。這N個子流由N個天線發射出去，經空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數據子流，從而實現最佳的處理。

由于LTE中采用了多種多天線技術，多天線技術如何選用及是否開啟都會對覆蓋產生直接的影響。TD-LTE與TD-SCDMA在天線技術上也保持很好的相容性。MIMO作為提高系統速率的最主要手段，LTE已確定MIMO天線個數的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考慮4×4的高階天線配置。其中，LTE下行鏈路中MIMO的天線基本配置是2×2，即基站與用戶端分別是兩根天線，主要技術包括傳輸分集、空間復用及波束賦形等，最大支持4天線進行下行方向四層傳輸，但是需要注意的是，這里的天線數為虛擬的天線數目。

MIMO和波束賦行等天線技術是TD-LTE系統的關鍵技術。基于傳輸分集（SFBC）的MIMO天線方式為系統提供了基于發射分集的下行覆蓋增益；基于波束賦行的天線方式在下行方向提供了賦行增益和分集增益，在上行方向提供了接收分集增益。選擇不同的天線使用方式，其覆蓋能力差異較大。

2.5天線對覆蓋的影響

F頻段比D頻段有明顯的組網優勢；

相比于2天線，8天線存在明顯優勢；

8天線賦形增益明顯，比2天線高4～6db，吞吐量性能提升明顯。

三、TD-LTE網絡影響容量的因素

3.1 TD-LTE關鍵技術對網絡容量的影響分析

LTE容量受到無線環境、RS信號、用戶分布、用戶業務、時隙配置編碼配置等因素的影響。LTE容量估算的方法不能按照R4業務容量估算的方法（如等效愛爾蘭、坎貝爾法）來進行，由于影響容量估算的因素太多，因此不能簡單的利用公式來進行計算。

3.2系統調度用戶數量

以兩天線端口為例計算PDCCH在20MHz帶寬下可調度用戶數： （圖4）

以3 symbol ， PHICH組數=3為例，可計算出用于PDCCH的CCE總數：（3600-16-12-400）/ 36 =88CCE

用戶每10ms被調度一次，用戶分布如下：

10%用戶采用1CCE

20%用戶采用2CCE

20%用戶采用4CCE

50%用戶采用8CCE

3.3容量測算方法

方法一：速率測算法

假設某市新建LTE基站1382個，F頻段帶寬20M，用戶簽約比10%，附著簽約比100%，每使用業務用戶平均流量5Mbps，開戶用戶平均吞吐量500kbps則：

（圖5）可以看出滿足模型的用戶數為20萬用戶，做為規劃初期網絡容量的考慮。但不同城市用戶通信需求略有不同，因此重點在討論模型的建立上。

方法二：幀結構方法

假設某城市新建1321個F頻段基站，按照20M帶寬幀結構來劃分，每個子幀有100個RB（最小資源塊），要保證用戶邊緣吞吐量在500K，中心吞吐量在2.5M的前提下，至少需每用戶25個RB，上下時隙配置1：3的情況下，每基站可容納用戶36人。

這種方法的優勢在于根據不同的配置，可以精確測算出每小區用戶數進行規劃。

3.4 OFDM技術對容量規劃的影響

LTE下行采用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術作為其基本傳輸方案，它是多載波調制的一種，它的基本思想是將信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各個子載波并行傳輸。LTE上行采用的是基于SC-OFDMA，準確來說是DFT-SC-OFDM的傳輸技術。這就決定了LTE在資源映射和導頻結構上與基于碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）的3G系統有著本質的區別。

OFDMA信道利用率很高，這一點在頻譜資源有限的無線環境中尤為重要；當子載波個數很大時，系統的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。TD-LTE系統采用了OFDM和MIMO等新技術，因此在容量的設計與規劃方面，與GSM和TD-SCDMA系統均截然不同。TD-LTE的容量規劃更為復雜。

3.5 MIMO技術對容量規劃的影響

為了實現增加峰值速率、提高系統容量等演進目標，LTE下行支持多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術。MIMO 無線通信系統在以下一些方面具有巨大的潛力，如頻譜的高效使用、帶寬的動態分配、安全的無線應用、更高的服務質量、高性能的信號調制傳輸技術。MIMO技術的關鍵是有效避免天線之間的干擾（Inter-antenna Interference，IAI），以區分多個并行數據流。目前已確定下行采用2×2的基本天線配置。同時，為了進一步提高系統容量，LTE下行支持最大4根發射天線的天線配置。在不增加帶寬和天線發射功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。利用MIMO技術可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。

（1）下行MIMO模式

◆ 發射分集： 通過在多個天線上重復發送一個數據流的不同版本，獲得分集增益，用來改善小區的覆蓋，適用于大間距的天線陣；

◆ 空間復用： 通過在多個天線上并行發送多個數據流， 獲得復用增益， 用來提高峰值速率和小區吞吐量；

◆ 波束賦形： 通過在多個天線陣元的波干涉，在指定方向的性能能量集中的波束，獲得賦形增益，用來改善小區覆蓋，適用于小間距的天線陣；

◆ 空間多址： 與空間復用機理相似， 只是多個并行數據流用于多個用戶，而非單個用戶，從而提高系統用戶容量。

（2）上行 MIMO 模式

空間多址：上行由于受到終端發送天線和發送功放的數量限制 ，只支持了空分多址模式。

雙流波束賦形技術是TD-LTE的多天線增強型技術，是TD-LTE建網的主流技術，結合了智能天線波束賦形技術與MIMO空間復用技術，是中國移動和大唐移動共同創新的成果，也是中國通信產業技術能力的體現。

3.6小區容量及邊緣吞吐量

在對TD-LTE覆蓋規劃時，可以為邊緣用戶指定速率目標，即在覆蓋區域的邊緣，要求用戶的數據業務滿足某一特定速率的要求，例如64kbps，128kbps，甚至根據業務需要，在某些場景可以提出512kbps或1Mbps更高的速率目標。只要不超過TD-LTE系統的實際峰值速率，TD-LTE系統通過系統資源的分配與配置就能滿足用戶不同的業務速率目標要求。從目前所具備的大量仿真結果綜合分析，對于10個用戶的系統，TD-LTE所能達到的下行小區吞吐量為18Mbit/s、上行為6Mbit/s（基本配置同本節上文所述），也就是說，平均用戶吞吐量達到了下行1.8Mbit/s、上行0.6Mbit/s，比目前的2G和3G系統所標稱能支持的平均吞吐量有了很大的提升。由于系統內同頻干擾的普遍存在，需要采取包括功控和小區間干擾協調在內的各種算法，以保證邊緣用戶的吞吐量性能。從對設備能力的要求來看，需要保證邊緣小區吞吐量下行不低于1Mbit/s，上行不低于0.5Mbit/s。

小區邊緣速率主要根據運營商LTE業務定位確定，如上行覆蓋邊緣速率為500kbit/s，而下行覆蓋邊緣速率為1Mbit/s。但對TD-LTE覆蓋規劃，還需要根據現網數據及預測分析LTE網絡承載的各類業務總體需求，使得后續鏈路預算分析更能滿足建網需求。提高小區邊緣傳輸速率，改善用戶在小區邊緣的體驗，增強系統的覆蓋性能，主要通過頻分多址和小區間干擾抑制技術實現。

從實際運營的角度看，我們更關注采用典型配置的系統，上下行同時可以達到的，除去系統控制面開銷的數據凈荷峰值。從初期TD-LTE的網絡設備能力看，對于20MHz的帶寬，采用下行2發2收、上行1發2收的天線配置，在上下行時隙配比為2∶2時，理論上，下行峰值速率為80Mbit/s左右，上行為20Mbit/s左右。

對于涉及到網絡規劃優化方面的容量規劃，我們必須以峰值速率為參照，更多地分析系統實際能達到的平均吞吐量性能。由于TD-LTE為所有連接用戶提供自適應調制編碼方式（AMC）的數據傳輸，因此小區整體吞吐量受整體無線環境的影響較大。在不具備大規模測試能力的階段，只能從仿真結果來預估TD-LTE在各類環境下的吞吐量性能，這確實會給系統容量規劃帶來一定的難度。而從另一個角度來看，TD-LTE的這個特性，恰恰是為網絡提供了更多的優化空間，因為僅對目標信噪比有要求的GSM或者TD-SCDMA系統，即便系統環境再好，也只能達到設計的容量，在網絡整體達到規劃要求的質量后，小區或用戶吞吐量不會因為網絡環境的進一步提升而有任何改善。

3.7天線雙流波束賦形可大大提升網絡性能

8天線增益為4～10dB，同時8天線拉遠距離優于2天線。8天線抗干擾能力強，可以提高系統的吞吐率。但是8天線同2天線KPI性能相當。

所以我們在建網時在考慮無線環境和施工狀況的前提下靈活選用適合的天線進行組網，不同的天線，對系統的容量和覆蓋都有影響，而且2/8天線的選擇對今后網絡的升級也同樣有影響，在升級方面兩者也各有利弊。建議在建網初期，具備條件的物業點可先選擇8天線。

3.8 TD-LTE網絡預規劃原則

LTE建設初期規劃，主要考慮熱點地區的覆蓋和容量以及對原有2G/3G網絡的影響。基本的規劃原則如下。

網絡預規劃所做的主要工作是無線網絡估算，包括：

鏈路預算；

小區覆蓋計算；

容量估算；

基站數量估算；

站址初選等

頻率規劃原則：TD-LTE極有可能使用2300～2400MHz頻段，每個頻點帶寬20MHz。

資源利用原則：在TD-LTE基站建設時，應盡量與原有的2G/3G系統共站點，充分利用其機房及傳輸等資源。

工程建設原則：盡量避免TD-LTE對現有通信網絡的影響，減少對現有設備的改造。

對于同頻組網和異頻組網的優劣，目前還沒有明確的結論，鑒于TD-SCDMA組網初期存在較嚴重的同頻干擾，建議LTE初期以異頻組網。（圖8）

四、總結

LTE中新的理念、及創新的技術是我們發展的方向，TD-LTE采用的OFDMA、MIMO、64QAM、SC-DFT等新技術對網絡規劃和組網方式產生重大影響，與3G共享站址、保證3G的部分設備能夠平滑升級到LTE、利用最優的基礎網絡設施等是解決方式之一。

LTE使用的頻段較高，建筑穿透損耗更加嚴重，室內分布系統的建設更加重要，因而需透徹論證LTE的網絡技術問題與演進方案，穩妥慎重發展，是保證LTE走向成功根本策略。

要堅持TDD/FDD融合的發展方向，將主要承載高速數據業務，并具備承載話音業務功能。網絡建設關鍵還在于將設備和終端價格大幅降低，為客戶提供全球通信漫游，構建全球精品LTE網絡。