TD-LTE無線網絡規劃與仿真應用

中國普天信息產業北京通信規劃設計院 李江浩 劉 軍 李 果

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TD-LTE無線網絡規劃與仿真應用

中國普天信息產業北京通信規劃設計院 李江浩 劉 軍 李 果

【摘要】隨著中國4G牌照的正式發布，LTE制式網絡規劃設計無疑成為了諸多建設環節中的重中之重，其中網絡仿真的水平與成品網絡的質量有著密不可分的關系。如何正確的在設計環節中合理的使用仿真軟件成為了許多規劃設計人員需要考慮的問題，文章就TD-LTE網絡規劃及仿真應用給出了指導和建議。

【關鍵詞】TD-LTE；規劃；仿真；傳播模型

0 前言

針對用戶持續提升的業務需求，3GPP推出了EPS演進分組系統：LTE-無線接口長期演進和SAE-系統架構演進。LTE系統具有更高的頻譜效率、傳輸速率和較低的時延性能。LTE作為現有3G通信系統向4G演進的路線和方向，共分為兩個版本：TDD和FDD分別為TD-SCDMA的長期演進方向，CDMA2000和WCDMA的長期演進方向。

1 概述

中國工信部于2013年12月4日向中國移動通信集團公司、中國電信集團公司和中國聯合網絡通信集團有限公司頒發“LTE/第四代數字蜂窩移動通信業務（TD-LTE）”經營許可。中國移動獲得130MHz頻譜資源，分別為1880 -1900 MHz、2320-2370 MHz、2575-2635 MHz；中國聯通獲得40MHz頻譜資源，分別為2300-2320 MHz、2555-2575 MHz；中國電信獲得40MHz頻譜資源，分別為2370-2390 MHz、 2635-2655 MHz。

隨著該牌照的正式頒布，TD-LTE無線網絡的規劃設計無疑成為網絡建設的重要環節。規劃作為設計工作的一項重要環節，通過對現網基礎數據深層次處理而得出規劃目標站點，然后進行仿真優化后的工程參數輸出，最通過工程優化實現對該參數的再次矯正，具有較強的指導意義。

對于TD-LTE網絡來說，關鍵指標包括覆蓋指標、邊緣用戶速率、塊差錯率目標值等。其網絡規劃流程大致可劃分為：需求分析、網絡預規劃、站址規劃、仿真、參數規劃等階段。

2 TD-LTE系統架構

TD-LTE系統架構分為兩部分：EPC和E-UTRAN。如圖1所示，與3G無線網絡相比，TD-LTE僅由eNodeB組成，提供到UE的E-UTRAN控制平面與用戶平面的協議終止點。eNodeB之間通過X2接口相連，eNodeB通過S1接口與EPC相連。其中，eNodeB與MME （Mobility Management Entity）相連的接口叫S1-MME；eNodeB與S-GW（Serving Gateway）相連的接口叫S1-U。與3G系統的網絡架構相比，接入網僅包括eNodeB一種邏輯節點，網絡架構中節點數量減少，網絡架構更加趨于扁平化。

圖1 TD-LTE系統架構圖

3 TD-LTE網絡規劃特點

網絡規劃分為核心網規劃和無線接入網規劃。本文主要研究無線網絡規劃，其主要任務是根據技術特點、射頻要求、無線傳播環境等條件，使用特定的規劃方法確定的基站位置、參數配置等信息，以滿足覆蓋、容量及質量要求。TD-LTE主要關鍵技術為OFDM（正交頻分復用）和MIMO（多輸入/多輸出），其規劃特點如下：

● 覆蓋特點

相對于TD-SCDMA系統的專用信道方式，通過鏈路預算得到覆蓋范圍。TD-LTE系統中業務信道為共享方式，所以需要先確定邊緣用戶最低保障速率，根據速率要求和資源分配進行鏈路預算，確定覆蓋范圍；此外，其多天線技術也會對覆蓋產生直接的影響。

覆蓋規劃首先需要確定鏈路預算的系統配置，如：系統帶寬、每小區用戶數、天線模式等。在此基礎上，還需確定小區邊緣用戶的保障速率，及分配到的RB數（resource block）。系統平均帶寬開銷可以折算得到每個RB所需要承載的bit數，從而確定需求的SINR，作為接收機信號強度預算的輸入值，SINR是覆蓋估算中最為關鍵的參數。覆蓋估算主要是根據系統要求及配置，確定發射機、接收機，附加損耗等參數，通過計算信道最大路徑損耗，得出信道的覆蓋半徑。

● 容量特點

對于任何無線通信系統來說，頻率資源是系統容量最根本的決定因素。通過關鍵技術提高頻譜利用率，增加系統容量是無線通信系統的重中之重。

在TD-LTE系統中，用戶可以從時域、頻域、空域和碼域復用空中接口資源。在帶寬一定的情況下，系統的容量與時頻分割的物理資源塊數、資源單元數相關；在空域與無線信道環境、天線配置、天線發射端口數（P）及MIMO數據流數相關；擴頻調制信道與可用碼資源相關。

該系統空中接口分為控制面及用戶面。控制面信道承載物理層上下行控制信息和高層信令信息，其容量與信道資源配置、信道格式、接入及調度算法相關；用戶面承載用戶上下行業務數據，其容量與業務信道資源配置、業務質量要求（QoS）、編碼調制方式（MCS）、無線信道傳播環境相關。

綜上所述，TD-LTE系統容量分析特點如下：

（1）空中接口物理資源是系統容量決定因素，包括：系統帶寬、天線配置、系統幀結構及時隙配比、控制信道與業務信道配置等；

（2）具有不確定性，系統調度算法、信道調制編碼方式、MIMO數據流數與業務質量要求、信道環境、干擾水平等時變因素密切相關，動態地變化；

（3）網絡硬件的處理能力對于系統容量的影響不可忽視；因此，對于TD-LTE系統的容量分析應客觀根據時變條件對網絡的影響，在理論估算系統容量的基礎上，通過網絡統計或系統仿真的方式進行調整修正，逼近網絡實際容量。

● 參數規劃特點

TD-LTE無線網絡參數規劃主要包括：鄰區、頻率、PCI碼資源規劃。

鄰區規劃：綜合考慮各小區的覆蓋范圍及站間距、方位角等進行規劃。

頻率規劃：主要干擾為小區間干擾。提高頻譜利用率，通過頻率復用，使得可以使用較少的頻率資源達到覆蓋要求。

PCI碼資源規劃：與TD-SCDMA的擾碼規劃類似，建議在覆蓋區交疊的相鄰小區不分配互相關性相對較高的碼字。

4 TD-LTE網絡仿真應用

市面上支持TD-LTE仿真的軟件很多，如：Atoll、UNET、Opentune等，本文在此就法國Forsk 的Atoll軟件在TD-LTE仿真上的應用做簡單的介紹如下。該軟件是法國 FORSK 公司開發的,是一個全面的、基于Windows的、支持2G、3G、4G多種技術，用戶界面友好的無線網絡規劃仿真軟件，它是 FORSK公司的核心產品。2000 年，Atoll 的 3G 版本是市場上第一個3G無線規劃工具。

(1)工程示例

為了便于大家理解，以甘肅XX地市聯通的2014年TD-LTE網XX期工程為例，向大家展示一下仿真效果：

基本參數設置：

√ 地圖：采用20/50米精度三維地圖；

√ 傳播模型為SPM模型；

√ 手機發射功率23dBm；

√ 小區發射功率43dBm；

√ 靜態業務負載：上行：50%；下行：50%；

√ MiMO模式：上行：分集；下行：分集；

√ TD LTE轉換周期：半幀；幀配置：2：2；

√ TD LTE智能天線：8路天線，BCH增益：11dBi；

√ 普通天線：水平半功率角6 5°，增益17.5dBi，收發均為2端口；

√ ICIC：不啟用；

仿真結果

其它示例圖：點分析示例：

仿真方法簡述

仿真工程首先需要確定目標覆蓋范圍，劃定預規劃區域。對于全新網絡，可根據預規劃網絡的頻段結合當地地貌特征通過鏈路預算得到合理的站間距，按蜂窩結構確定站點數量及位置（Nominal Site的概念），然后通過實地聯合勘察確定備選站點（Candidate Site，通常3-5個/站，建議搜索圈半徑根據不同場景約為50-200米），反饋勘察站點信息后再通過仿真軟件校驗備選站點可行性；如果可行可交由談站方協同談定站點，如站址偏移過大需二次勘察選定并重復以上步驟直到仿真結果可行。站址勘察建議采用聯合勘察的機制，保證站點獲取成功率，減少重復工作量。對于既有網絡，可直接提取現網工程參數作為仿真基礎數據，適當矯正，對新增擬覆蓋區域劃定并通過鏈路預算確定新增站點規模，中心站點坐標等數據，后續步驟同全新網絡規劃方法。

但對于TD-LTE網絡來說，其主要功能為分流3G數據業務及覆蓋數據熱點區域，因此站點建設方式多為共站、共享，即直接在已有2G或3G站點上疊加。

以甘肅聯通為例，各地市TD-LTE站點建設數量都不是很大，主要覆蓋區域多為密集城區的校園、步行街、中心商業區，交通樞紐等高流量數據熱點區域，這樣的呈現結果多為單點覆蓋或小范圍連片覆蓋。

針對TD-LTE的這種建設思路，我們在仿真中可以直接取工程實勘中的站點工參直接作為仿真工參來進行設置，如：站址經緯度、天線掛高、方位角、下傾角等。由于TD-LTE頻段的特性導致其實際覆蓋效果較W2.1GHZ的頻段稍差，這樣就要求我們在工程后期的DT測試中對其實際覆蓋區域進行確認，并進行參數矯正優化，工程優化無法解決的弱覆蓋問題可通過新增獨立RRU拉遠配合特型增益天線來解決。

工程優化DT測試效果

本工程網絡建設完成后由網絡優化方面取得的測試結果如下：

RSCP：

RSRP：

SINR：

由DT測試結果可以看出，預規劃區域邊緣RSCP、RSRP、SINR均為可接受范圍內，對預期覆蓋目標完成了有效覆蓋，規劃合理可行（由于涉及運營商保密性信息，本文在此對具體項目信息不再詳細描述，僅作為工程示例結果呈現）。

實測結果：下行平均速率71Mbps（峰值約85Mpbs-90Mbps），上行11Mbps。本次測試結果基于單站FTP測試得出，受無線環境、傳輸、終端等因素的影響，基本滿足理論值數據。

5 總結

本文強調了仿真部分在TD-LTE網絡規劃工作中的重要性；

建議選定如下傳播模型作為仿真軟件的基礎模型（實際運用中應根據CW測試結果對傳播模型進行矯正后使用）：

√ 密集城區：建議使用SPM模型；

√ 一般城區：優選SDR或COST231-WI模型；

√ 郊區、農村：優選SDR或SPM模型。

文章最后的工程示例說明使用Atoll軟件進行無線網絡規劃仿真對實際網絡建設工作有一定的指導意義。

參考文獻

[1]蔣遠.TD-LTE原理與網絡規劃設計[M].通信技術,人民郵電出版社2012.

李江浩（1982-），男，遼寧沈陽人，畢業于大連交通大學，學士學位，現任中國普天信息產業北京通信規劃設計院設計部高級工程師，主要研究方向：無線網絡規劃、仿真、優化。

作者簡介：