淺析LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及其性能分析

郭英

【摘要】 隨著LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的快速發(fā)展，高效、精確的部署進(jìn)行LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)性能分析的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。本文首先簡(jiǎn)要介紹了LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程，然后從需求分析、傳播模型測(cè)試和矯正、規(guī)模估算、網(wǎng)絡(luò)仿真、站點(diǎn)勘測(cè)、頻率規(guī)劃等六個(gè)步驟分別介紹了LTE規(guī)劃過(guò)程。最后，性能指標(biāo)和性能指標(biāo)影響因素兩個(gè)方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵字】 LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃 性能分析

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及其應(yīng)用的普及，無(wú)線業(yè)務(wù)的需求越來(lái)越大，現(xiàn)有的2G、3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的需求，第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（LTE）以其強(qiáng)大的業(yè)務(wù)承受能力、高效的系統(tǒng)資源利用方式、低廉的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和營(yíng)運(yùn)成本、靈活的網(wǎng)絡(luò)部署模式成為各大主流運(yùn)營(yíng)商的技術(shù)首選。

一、LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程

LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃為了實(shí)現(xiàn)覆蓋、容量、服務(wù)質(zhì)量、設(shè)備利用率和經(jīng)濟(jì)性之間的平衡，需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試階段、試商用階段和商用階段三個(gè)階段，主要包括以下幾個(gè)主要流程：網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建模、站址選擇、參數(shù)規(guī)劃、系統(tǒng)仿真等。

二、LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃步驟

在LTE系統(tǒng)中，空中接口采用了正交頻分復(fù)用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）、高級(jí)編碼調(diào)制方式（AMC）、混合自動(dòng)重傳（HARQ）等先進(jìn)的無(wú)線鏈路技術(shù)，并通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)度、小區(qū)間干擾消除技術(shù)（ICIC）、功率控制等無(wú)線資源管理算法提高空口資源配置的效率和靈活性。就LTE的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，上述無(wú)線技術(shù)雖然提高了網(wǎng)絡(luò)性能，但是同時(shí)也增大了系統(tǒng)分析的復(fù)雜程度。要實(shí)現(xiàn)高效、可靠的LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃方案，需要通過(guò)系統(tǒng)化的理論、仿真、測(cè)試等過(guò)程對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)特征做全面的研究和分析。LTE網(wǎng)絡(luò)與2G、3G網(wǎng)絡(luò)相比，在影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的核心因素方面有著根本性的區(qū)別，所以傳統(tǒng)的覆蓋規(guī)劃及鏈路預(yù)算思路和方案是無(wú)法滿足LTE實(shí)際建網(wǎng)的需求的。

LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃主要的步驟如下：

1）需求分析。為了給網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供規(guī)劃依據(jù)，首先要根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的要求，通過(guò)充分了解規(guī)劃區(qū)的地物、地貌，并研究話務(wù)量的分布，對(duì)規(guī)劃區(qū)的覆蓋區(qū)域劃分、以及與之相對(duì)應(yīng)的用戶密度分布方案進(jìn)行確定，然后要對(duì)業(yè)務(wù)區(qū)域劃分方案、容量目標(biāo)、質(zhì)量目標(biāo)進(jìn)行確定。

2）傳播模型測(cè)試和矯正。無(wú)線傳播模型可以幫助設(shè)計(jì)者了解預(yù)選的站址在實(shí)際環(huán)境下的傳播效果，通過(guò)仿真軟件可以預(yù)測(cè)出所規(guī)劃的系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)，方便設(shè)計(jì)者進(jìn)行矯正。這個(gè)步驟是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要步驟。與2G/3G相比，此步驟的基本過(guò)程沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的區(qū)別。

3）規(guī)模估算。規(guī)模估計(jì)要給出的是預(yù)測(cè)的基站數(shù)量和配置。通常需要從覆蓋和容量?jī)蓚€(gè)方面綜合考慮。第一步是通過(guò)結(jié)合無(wú)線鏈路預(yù)算和傳播模型，得到每種待規(guī)劃業(yè)務(wù)的覆蓋半徑，再由待覆蓋面積計(jì)算所需的站點(diǎn)數(shù)目；第二步是根據(jù)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的等效處理模型，同時(shí)結(jié)合各自的業(yè)務(wù)模型，將各種業(yè)務(wù)折合成某種虛擬的等效業(yè)務(wù)，從而得出為滿足目標(biāo)容量所需的站點(diǎn)數(shù)目。其中，覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃是網(wǎng)絡(luò)估算過(guò)程中的關(guān)鍵。覆蓋規(guī)劃流程如圖1所示，容量規(guī)劃的流程如圖2所示。

LTE容量規(guī)劃因?yàn)槭苡绊懙囊蛩靥嗔耍圆荒芾霉竭M(jìn)行計(jì)算，傳統(tǒng)的Cambell、Erlang方法變得不再適用。通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，可以得到各種不同情況下的吞吐量，在進(jìn)行實(shí)際規(guī)劃時(shí)，再根據(jù)規(guī)劃地的實(shí)際情況，可以通過(guò)查表確定LTE的容量。

4）網(wǎng)絡(luò)仿真。對(duì)于規(guī)劃結(jié)果需要進(jìn)行進(jìn)一步的確認(rèn)和分析，評(píng)估預(yù)規(guī)劃階段的基站數(shù)目和相應(yīng)配置的無(wú)線性能，對(duì)此可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。仿真工具可以有效的模擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的性能，對(duì)規(guī)模估計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并通過(guò)調(diào)整實(shí)現(xiàn)規(guī)劃優(yōu)化，同時(shí)仿真報(bào)告對(duì)后期的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化可以起到指導(dǎo)作用。

5）站點(diǎn)勘測(cè)。進(jìn)行仿真模擬后，就需要對(duì)規(guī)劃的站址進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，在工具設(shè)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的無(wú)線環(huán)境選擇合適的建筑物作為最終的實(shí)施站址，以滿足實(shí)際的覆蓋需求。選站過(guò)程也是一個(gè)不斷優(yōu)化調(diào)整的過(guò)程，選站過(guò)程獲得的結(jié)果可以重新返回仿真工具，進(jìn)行預(yù)測(cè)調(diào)整，直到最終選擇到滿足要求的站點(diǎn)。

6）頻率規(guī)劃。LTE的主要工作頻段是2300～2400MHz，2570～2620MHz。3GPP規(guī)范定義了6種信道帶寬：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz。根據(jù)不同的覆蓋目標(biāo)和需求，可采用異頻組網(wǎng)和同頻組網(wǎng)的方式。其中，異頻組網(wǎng)的頻率規(guī)劃方式適用于頻率資源豐富或頻帶不連續(xù)的情況，該方式系統(tǒng)干擾較小、調(diào)度算法復(fù)雜度低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、建網(wǎng)速度快、覆蓋能力強(qiáng)。

總的來(lái)說(shuō)，LTE的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程主要包括需求分析、覆蓋和容量設(shè)計(jì)、站點(diǎn)選擇、規(guī)劃仿真、報(bào)告撰寫(xiě)五大部分。其中，覆蓋和容量設(shè)計(jì)是整個(gè)規(guī)劃流程的核心環(huán)節(jié)。

三、LTE無(wú)線性能分析

3.1 LTE無(wú)線性能指標(biāo)

移動(dòng)通信系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能主要是用容量、性能和覆蓋三個(gè)指標(biāo)來(lái)描述的，它們之間又相互影響、相互制約。對(duì)于LTE系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其核心要素是吞吐量。這是因?yàn)榭梢杂猛掏铝康牟煌祦?lái)描述容量、性能和覆蓋。所以，對(duì)于LTE網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化，需要通過(guò)無(wú)線環(huán)境優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化、信令分析等手段圍繞吞吐量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

第一，小區(qū)吞吐量。在LTE系統(tǒng)中，不同的業(yè)務(wù)類型的帶寬需求差異較大，就算是統(tǒng)一業(yè)務(wù)類型，因?yàn)闊o(wú)線環(huán)境和QoS要求不同，吞吐量也會(huì)有較大的差異。所以為了能夠更加準(zhǔn)確和直觀的描述信道容量，選用小區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)總體吞吐量比較合理。影響小區(qū)容量的因素包括有寬帶、鄰區(qū)負(fù)荷、MIMO模式、站間距及調(diào)度方式等。第二，單用戶下行峰值吞吐量。在理想條件下，單用戶所能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率為系統(tǒng)峰值吞吐量。影響峰值吞吐量的因素包括有小區(qū)信道參數(shù)配置、系統(tǒng)負(fù)荷、終端級(jí)別和MIMO模式等。對(duì)于FDD系統(tǒng)而言，可以采用開(kāi)銷分析法來(lái)計(jì)算物理層吞吐量，不過(guò)這種計(jì)算方法由于缺少對(duì)無(wú)線環(huán)境的考慮，所以精確度不夠。采用MCS和PRS信息來(lái)計(jì)算峰值吞吐量，同時(shí)還要考慮終端特性，這是因?yàn)槿绻K端不能支持最大TBS，那么上下行峰值吞吐量會(huì)受到限制。另外，上下行方向上選擇TBS和PRB時(shí)，還要考慮有效碼率的限制。只有綜合考慮對(duì)于峰值吞吐量的計(jì)算才會(huì)更精確和合理。第三，邊緣吞吐量。3GPP規(guī)定，小區(qū)邊緣吞吐量定義為用戶吞吐量累計(jì)分布5%所對(duì)應(yīng)的值，LTE的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證上/下行邊緣吞吐量能夠?yàn)镽6 HSPA的2-3倍。小區(qū)邊緣頻譜效率是吞吐量最低的5%用戶的吞吐量總和與系統(tǒng)帶寬之間的比值。調(diào)度機(jī)制和QoS機(jī)制影響小區(qū)邊緣頻譜效率的改善程度，如果小區(qū)邊緣用戶的優(yōu)先級(jí)越高，那么他們獲得的吞吐量也就越高，同時(shí)小區(qū)邊緣頻譜效率的改善程度也就越高。

3.2 LTE無(wú)線性能指標(biāo)影響因素

3.2.1容量（小區(qū)吞吐量）影響因素

對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，用來(lái)衡量小區(qū)容量的指標(biāo)是小區(qū)服務(wù)用戶數(shù)以及總體吞吐量。在實(shí)際情況中，收到負(fù)荷和干擾的影響，小區(qū)的容量會(huì)遠(yuǎn)小于理論峰值吞吐量。影響小區(qū)容量和性能的主要因素有：小區(qū)中的激活用戶數(shù)、鄰區(qū)上下行話務(wù)、不同PRB上的外部干擾、支持GBR業(yè)務(wù)的用戶數(shù)、處理器能力、每個(gè)TTI中上下行調(diào)度的UE數(shù)目、每個(gè)UE包括路徑消耗、SINR、RSRP和RSRQ的無(wú)線路徑狀況，以及下行PDCCH使用的符號(hào)數(shù)和上行PDCCH分配的PRB數(shù)目等。

3.2.2性能（峰值吞吐量）影響因素

LTE系統(tǒng)中，影響單用戶峰值吞吐量的因素包括有：系統(tǒng)帶寬，LTE支持1.4MHz到20MHz之間的多種頻帶寬度，帶寬越大，峰值吞吐量也就越高；控制信道開(kāi)銷，LTE系統(tǒng)存在多種類型的控制信道，不同信道開(kāi)銷會(huì)影響TBS和MCS，從而影響到峰值吞吐量；無(wú)線環(huán)境，不同的SINR條件下，用戶獲得的MCS也不同，每個(gè)符號(hào)代表的比特?cái)?shù)和對(duì)應(yīng)的傳輸塊大小也有所區(qū)別，從而會(huì)對(duì)系統(tǒng)容量造成較大影響；MIMO模式，分集、復(fù)用、波束賦形等MIMO模式可以提升系統(tǒng)容量或可靠性，所以不能用來(lái)分析和研究LTE峰值吞吐量，這是應(yīng)該采用雙流MIMO模式（即TM3）。

3.2.3覆蓋（邊緣吞吐量）影響因素

邊緣吞吐量和覆蓋之間的關(guān)系通常存在隨著邊緣吞吐量的提高，上行最大鏈路損耗越小的規(guī)律。也就是說(shuō)，隨著邊緣速率的提高，上行覆蓋距離會(huì)減小，而對(duì)于下行覆蓋不存在。這是由于吞吐量與所分配的PRB數(shù)目相關(guān)，上行功率只在所分配的PRB上進(jìn)行分配，而下行功率在全頻段范圍上進(jìn)行分配，因此上行用戶所占用的RB個(gè)數(shù)對(duì)覆蓋的影響相對(duì)較大，而下行用戶相反。鏈路預(yù)算是從邊緣吞吐量入手來(lái)分析覆蓋和鏈路損耗需求，得到滿足邊緣吞吐量要求的站間距等信息。所以可以得出，邊緣吞吐量也會(huì)受到鏈路預(yù)算的各個(gè)因素的影響，其中包括SINR，即RB上有用信號(hào)功率與噪聲和干擾之和的比值，不同邊緣吞吐量所需的MCS不同，而MCS和碼率增長(zhǎng)也會(huì)影響SINR增長(zhǎng)，反過(guò)來(lái)亦然；接收靈敏度，上下行方向上，邊緣吞吐量要求越高，接收靈敏度越低。邊緣吞吐量要求不同，用戶所分配的帶寬對(duì)接收靈敏度的影響也不同；TBS和MCS選擇方式，其中例如，MCS越低，調(diào)制階數(shù)越小，解調(diào)所需的SINR越低，接收靈敏度也就越高，所提供的覆蓋就越好；干擾，通常采用干擾余量來(lái)表示，指在有干擾和沒(méi)有干擾的情況下所接收到的信號(hào)之間的關(guān)系，而LTE系統(tǒng)中小區(qū)內(nèi)不存在干擾，小區(qū)負(fù)荷只受鄰區(qū)的影響，小區(qū)負(fù)荷增加會(huì)使得干擾余量增加，從而會(huì)影響小區(qū)容量；不同邊緣吞吐量要求與負(fù)荷和覆蓋半徑之間的關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，相同的負(fù)荷條件下，小區(qū)覆蓋半徑越大，則所獲得的邊緣吞吐量越低，另一方面同樣，覆蓋半徑固定的情況下，負(fù)荷越大，邊緣吞吐量也越低。

參 考 文 獻(xiàn)

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