從系統設計分析LTE系統覆蓋與容量規(guī)劃

董江波，李 楠，高 鵬

（中國移動通信集團設計院有限公司 北京 100080）

從系統設計分析LTE系統覆蓋與容量規(guī)劃

董江波，李 楠，高 鵬

（中國移動通信集團設計院有限公司 北京 100080）

本文根據LTE關鍵技術特點闡述了LTE網絡覆蓋與容量的評估方法，從LTE系統設計的角度分析了影響LTE網絡覆蓋與容量的各種因素，并且分析了在進行LTE網絡覆蓋與容量規(guī)劃時需要特別注意的問題。

OFDM；MIMO；自適應調制編碼

1 前言

從2004年年底開始，LTE經歷了長足發(fā)展的階段，其中備受我國關注的TD-LTE也發(fā)展迅速。2007年11月7日，3GPP RAN1會議通過了中國移動與27家公司聯合署名的LTE TDD融合的幀結構建議，該方案基于我國TD-SCDMA的幀結構，為TD-SCDMA進入LTE乃至4G標準開啟了大門。至此，TD-LTE與LTE FDD進入了幾乎同步發(fā)展的時期，多位業(yè)內專家預測二者之間的差距僅僅為4～6個月[1，2]，國內外很多公司已經或即將進行試驗與測試，根據產業(yè)界公布的時間表，LTE估計會在2010年左右開始部分商用或預商用[3]。在我國，無論是制造商還是運營商對LTE研發(fā)的積極性都非常高，投入了非常大的力量，可以預見LTE產業(yè)的大發(fā)展時期即將到來。

但是一個新興的技術從標準成熟到產品商用和網絡成熟往往需要經歷一段相互交錯的曲折時期?？v觀TD-SCDMA的發(fā)展歷程，無線網絡規(guī)劃理論及方法的深入研究對于推動其標準成熟、網絡成熟和實際運營都起到了至關重要的作用。因此，隨著LTE設備的發(fā)展，進行LTE無線網絡規(guī)劃相關問題的探討十分必要。無線網絡規(guī)劃的重點是對網絡覆蓋與網絡容量的規(guī)劃，LTE的系統參數設計與關鍵技術應用是決定網絡覆蓋與容量特點的根本要素，因此本文將從LTE關鍵技術的特點出發(fā)，分析LTE網絡覆蓋與容量評估方法，從系統物理層結構等角度深入剖析影響LTE網絡覆蓋與容量的因素，最后給出進行LTE網絡覆蓋與容量規(guī)劃的建議，為LTE無線網絡規(guī)劃提供技術指導。

2 LTE系統關鍵技術分析

相對于3G系統，LTE系統可謂是移動通信發(fā)展歷史上又一個顛覆性的變革。作為新一代移動通信系統，它面臨的技術挑戰(zhàn)不僅包括“在惡劣的無線傳輸環(huán)境中，如何設計通信系統完成大容量、高質量數據傳輸”，而且也包括“在頻率資源受限情況下，如何在廣闊地域，為大量用戶提供無縫服務”。為了實現上述需求，LTE系統采用了OFDM以及MIMO等提高系統頻譜效率的物理層技術。下面分別介紹其實現原理，并分析在這些關鍵技術應用中影響網絡性能的關鍵參數。

2.1 OFDM技術

從移動無線環(huán)境信號傳播理論可知，在移動通信系統中傳輸的無線信號將會受到由于多徑傳播導致的時延擴展而引起的頻率選擇性衰落以及由于信道時變帶來的頻率擴展而引起的衰落等因素的影響，從而降低信號傳輸的可靠性和有效性[4]。如圖1所示，由于無線信道多徑時延的影響，而在頻域響應上呈現隨著頻率帶寬時變的特性，當信號帶寬比較大時會受到頻率選擇性衰落的影響；如圖2所示，無線信道頻域上的擴展特性使得長時間周期的符號將經歷快衰落的影響。

為了克服多徑時延帶來的碼間串擾，除了通過接收機端采用均衡器接收的方法之外，還可以將信號波形巧妙地設計為能抗多徑失真的信號[4]，此時可以大大簡化接收機。如圖3所示，在相鄰的符號之間插入連續(xù)的零作為保護時間以防止碼間串擾，遺憾的是沒有保護波形的完整性；發(fā)射及使用時間間隔為最大時延差T的循環(huán)前綴（cyclic prefix，CP）來防止碼間串擾，這種設計不僅防止了碼間串擾，也保證了能夠接收到完整無缺的信號波形，如圖4所示。

以上所述解決了相同信號波形之間碼間串擾的問題，那么如何消除不同信號波形之間的干擾呢?FDM傳輸方案能夠將高速串行數據傳輸等效為低速并行數據傳輸，克服了前述頻率性選擇衰落對信號傳輸的影響。但是在給定的帶寬內，放置信號的緊湊程度決定了系統的頻譜效率。為避免不同載頻上信號之間的干擾，需要通過設計讓兩個信號保持正交特性。

當不同子載波以最小載頻間隔1/T Hz(T為符號周期)放置時，將不存在子載波之間的干擾，即OFDM（正交頻分復用）系統[4]。重疊的正弦波形成了在適當的頻率樣本點不同子載波之間干擾為零的頻譜，如圖5所示。

因此，LTE系統基本信號的波形設計應用CP克服了由于多徑時延所帶來的碼間串擾，并保持了波形的完整性；應用并行傳輸代替串行傳輸，避免了高速數據傳輸時受到頻率選擇性衰落的影響；應用頻率重疊的OFDM傳輸方式，不僅最大化地提高了有限帶寬內的傳輸速率，同時也避免了不同子信道之間的干擾。

但是在OFDM系統中，子載波間隔的大小、CP的長度都將影響到網絡覆蓋與容量性能，本文的后續(xù)章節(jié)將繼續(xù)探討系統參數對于網絡覆蓋與容量的影響。

2.2 MIMO技術

MIMO能將一個單數據符號流通過一定的映射方法（編碼、調制)生成多個數據符號流，在接收端通過反變換恢復出原始的單數據符號流，其中，∏和∏-1表示各種映射方法及反變換，如圖6所示。

其中，αi,j表示第i根發(fā)射天線到第j根接收天線之間的信道衰落因子,它們可以是頻率選擇性信道，也可以是非頻率選擇性信道，但它們都可以寫成矩陣的形式。假設每個發(fā)射天線到接收天線間的信道都是頻率選擇性信道，且不同發(fā)射天線到接收天線間的各個對應多徑的平均功率和相對時延都是相同的，多徑之間有一定的相關性。

MIMO的指導思想就是對多個發(fā)射天線和多個接收天線形成的空間維進行開發(fā)和利用，或者利用收發(fā)天線形成的多個數據通道提高信號的傳輸速率，或者通過分集發(fā)射和接收來改善信號的傳輸質量。MIMO系統是一個廣泛的定義，根據無線鏈路的結構可以分成幾種特殊情況，包括接收端采用多天線的單輸入多輸出（SIMO)系統以及發(fā)射端采用多天線的多輸入單輸出（MISO)系統。對于確定的MIMO系統結構，需要解決的關鍵問題是，如何設計映射方法∏和∏-1，使無線鏈路的性能達到最佳。根據系統不同的衡量指標（比特速率、可靠性等)，MIMO系統采用的映射方法主要有空間分集、空間復用和波束賦形等，它們分別以不同的系統設計準則來完成數據符號流的映射，在LTE系統中對這幾種多天線方式進行了組合應用。根據系統配置的天線個數以及無線環(huán)境特點，可以自適應地選擇這幾種MIMO方式中的一種來進行傳輸。為此，3GPP規(guī)范定義了7種不同模式的多天線應用方式[5]。為了更加直觀地表明不同模式在實際網絡運營中的應用，現根據移動速率、覆蓋范圍等因素總結出這7種模式適用的場景，見表1。由此可以看出，在需要滿足覆蓋需求的場景下，根據基站與終端側收發(fā)天線數可以選擇采用mode2、mode6或mode7；為了滿足高速移動場景的需求，mode4、mode5與mode6都不能發(fā)揮最好的優(yōu)勢。

在LTE系統中，不同的映射方法也決定了MIMO技術帶來的網絡容量提升的不同。在進行LTE網絡規(guī)劃時，必須首先確定系統中天線的配置方式，在不同天線配置方式下網絡的容量與覆蓋將有所不同。后續(xù)章節(jié)將通過試驗網的實測數據來進一步說明天線配置方式與接收發(fā)射天線數對網絡覆蓋與容量的影響。

2.3 自適應調制編碼

與HSDPA以及HSUPA系統類似，在LTE系統中業(yè)務均承載在共享信道上。ENodeB根據信道質量、業(yè)務類型、干擾水平及緩存大小來決定系統提供的物理層傳輸資源。同時，采用AMC/HARQ以及快速調度等關鍵技術來保證空口資源的充分共享，從而提高資源利用率。因此，LTE系統的容量更多地需要通過能夠承載的系統吞吐量來衡量。

表1 LTE不同MIMO傳輸模式適用場景總結

3 LTE網絡覆蓋與容量的評估方式

從上述對于LTE所采用的關鍵技術的分析可以看出，LTE無線網絡呈現出以下新的特點：

·網絡中所有業(yè)務通過共享信道承載，只有PS域沒有CS域，系統吞吐量取代R4網絡的用戶數成為主要的容量指標；

· 網絡覆蓋與容量隨著系統帶寬、天線模式、調制編碼方式及小區(qū)間干擾抑制方法的變化而變化；

· 采用OFDM技術，小區(qū)內不同用戶頻分復用，用戶間干擾可以忽略，小區(qū)的覆蓋和容量與CP以及載波間隔等系統參數相關；

·小區(qū)間同頻干擾影響嚴重，隨著網絡負載的增加，同頻干擾水平也有所增加；

·LTE系統中的子載波數相當于CDMA系統中的碼道數。

以往3G網絡中對于網絡覆蓋與網絡容量的評估方式均不能很好地反映LTE網絡的特點，下面將分別對LTE網絡覆蓋與容量的評估方式以及評估指標進行分析。

3.1 LTE網絡覆蓋的評估方式

我們從以下幾個方面考察通信網絡覆蓋情況：用戶能夠駐留的覆蓋范圍、用戶能夠發(fā)起業(yè)務的覆蓋范圍、用戶能夠保證一定業(yè)務速率的覆蓋范圍。在R4系統中，由于業(yè)務均承載在專用信道上，那么后二者之間是等價的，網絡規(guī)劃時只需要考慮前者與后二者之間的平衡。但是R5之后，后二者之間不完全等價。由前可知，對于LTE網絡由于自適應調制編碼以及共享信道的應用，使得這3個層次往往具有不同的覆蓋范圍。

（1）共信道的覆蓋

對于用戶能夠駐留的覆蓋范圍，通常需要考察廣播信道等公共信道。LTE系統中對于不同系統帶寬條件，物理廣播信道PBCH固定設置在子載頻的中心占用72個子載波[6]，如圖7所示。它的作用類似于TD-SCDMA網絡中的PCCPCH信道。因此，考察LTE覆蓋首先需要考察PBCH信道的覆蓋能力。這決定了用戶是否能夠成功駐留到網絡。對于LTE廣播信道覆蓋能力的評估依然可以應用傳統的鏈路預算方法，與其他通信系統完全類似。需要考察的指標包括PBCH信道的接收信號強度。

與3G系統不同的是，LTE系統的參考信號RS的強度與質量對于進行信道估計、正確解調起著決定性的作用，所以對于公共信道覆蓋能力的考察，還需要結合RS信道的接收信號強度RSRP以及接收信號質量RSRQ這兩個指標共同進行。

（2）業(yè)務信道的覆蓋

由上述對于LTE系統關鍵技術特點的闡述，我們看到與HSDPA以及HSUPA系統類似，由于共享信道的引入、調制方式可采用QPSK/16QAM/64QAM、編碼速率可以為1/2～4/5，所以不同調制編碼方式能夠容許的最大鏈路損耗差別較大，因此，LTE的網絡覆蓋能力必須要同小區(qū)邊緣吞吐量相結合。3GPP 36.213 Table 7.1.7.1-1以及Table 8.6.1-1分別定義上行鏈路和下行鏈路可以選擇的MCS格式。

LTE業(yè)務信道的覆蓋衡量方法，除了利用傳統的鏈路預算方式決定不同MCS條件下的覆蓋能力變化外，更有意義的是通過LTE系統仿真來考察一定組網結構下能否滿足小區(qū)邊緣吞吐量的要求，或者說通過系統仿真獲得達到小區(qū)邊緣吞吐量要求的小區(qū)半徑。

3.2 LTE網絡容量的評估方式

由于LTE網絡采用共享方式進行數據傳輸，即使是語音信號也能通過VoIP的方式共享空口資源。因此對于LTE網絡容量尤其是LTE無線網絡容量的評估不能簡單地通過用戶數來衡量，還需要結合小區(qū)邊緣吞吐量、小區(qū)平均吞吐量、小區(qū)峰值吞吐量以及單用戶邊緣吞吐量、單用戶平均吞吐量和單用戶峰值吞吐量這些指標來進行評估。自適應調制編碼以及快速調度的應用，使得網絡容量的評估需要借助于LTE系統仿真來進行。

4 影響LTE網絡覆蓋與容量的因素

以上我們明確了LTE網絡中覆蓋與容量的評估方式以及指標，下面從系統設計的角度分析影響覆蓋與容量的因素。

4.1 CP長度對于網絡覆蓋的影響

由前可知，CP的長度為允許最大時延差。根據無線信道的電波傳播理論，該最大時延差的大小決定了網絡能夠允許的傳輸損耗，下面給出不同CP對于小區(qū)半徑的影響。

[6]中，作者根據大量的實測數據得到了均方根時延擴展的近似解析表達式為：

其中，T1為在距離1 km處均方根時延的中值，單位為μs；d為發(fā)射機與接收機之間的距離，單位為km；ε是一個依賴于無線場景的參數，通常對于城區(qū)、郊區(qū)、農村等環(huán)境取值為0.5，對于山區(qū)環(huán)境取值為1.0；y是遵循對數正態(tài)分布的一個隨機變量，標準偏差為σy。

應用式（1）可以計算出不同場景下的均方根時延，見表2。

由參考文獻[7]可知，我們可以計算接收到的SINR為FFT窗內有用信號與符號間以及載波間干擾和的比值，因此可得在上述各種場景下，CP長度對于接收機SINR的影響，如圖 8 所示[8]。

從以上仿真結果可以看出，小區(qū)半徑越大對CP長度的要求越高。當小區(qū)半徑在10 km以內時，所需CP長度在4～6 μs才能在接收機處獲得足夠的SINR。但是CP越長，開銷就會越大，意味著系統頻譜效率會越低。綜合考慮多徑時延擴展的影響以及OFDM符號長度和時隙長度等因素，LTE 規(guī)范定義了兩種 CP 長度，短 CP（7.29 μs）應用于一般情況下小區(qū)覆蓋；長CP（16.67 μs）應用于解決大范圍小區(qū)覆蓋問題，如E-MBMS。

因此，在進行網絡規(guī)劃時，可以根據實際規(guī)劃覆蓋場景需要配置CP長度。

4.2 子載波間隔對于吞吐量性能的影響

由前述對于OFDM關鍵技術的分析可知，子載波間隔也決定了OFDM的符號周期。過小的子載波間隔對多普勒頻移和相位噪聲過于敏感，會影響系統性能。研究表明[8],在使用帶有鎖相環(huán)（PLL）的壓控振蕩的系統中，相位噪聲對于載波間干擾的影響并不大，只要子載波間隔大于10 kHz，相對而言，多普勒頻移的影響明顯大于相位噪聲。所以子載波間隔的選取主要取決于多普勒頻移的影響。不同子載波間隔在不同移動速度條件下系統吞吐量性能的比較如圖 9[8]所示。

表2 場景參數

對比仿真結果可知，在低速運動環(huán)境下，選擇較窄子載波間隔可提高頻帶利用率；在高速運動環(huán)境下，受多普勒擴展的影響，子載波較窄時，吞吐量性能反而較差。由于15 kHz可以使LTE系統與UTRA系統具有相同的碼片速率，可能能夠帶來開發(fā)成本的降低，因此對于單播系統LTE采用15 kHz的自載波間隔。一般獨立載波MBMS業(yè)務的典型應用場景為低速移動環(huán)境，為了提高系統頻譜效率，LTE規(guī)定了單獨載波MBMS可以使用更低的7.5 kHz子載波。

4.3 MIMO模式對于覆蓋與容量性能的影響

前述根據MIMO中分集與復用的基本原理，總結了LTE系統中各種模式適用的場景，下面通過一些外場試驗網的初步數據來說明MIMO模式對于LTE覆蓋與容量的影響。

下行采用發(fā)射分集與空間復用時覆蓋距離與物理層吞吐量的實測曲線如圖10所示。從測試結果可以明顯看出，在相同覆蓋距離條件下，采用空間復用時能夠達到分集條件下兩倍的系統吞吐量；同時在覆蓋距離大到一定程度時，采用空間復用反而由于信道條件惡化，使得重傳加劇、系統吞吐量急劇下降，甚至低于采用分集條件下的系統吞吐量。所以在小區(qū)邊緣條件下，通常會采用空間分集的多天線方式來增強數據接收的可靠性。因此在§3.1中，通過鏈路預算進行公共信道以及業(yè)務信道覆蓋預測時通常都假定采用了空間分集的方式。

LTE系統對于多天線方式的使用更為靈活，在有些MIMO模式下，可以根據信道環(huán)境的變化而自適應地選擇空間分集或者空間復用。外場不同的MIMO模式獲得的吞吐量性能實測對比見表3。

表3 2010年2月1日—5日外場測試結果

在Mode2方式下，由于主要采用空間分集的方式，所以抗干擾能力較強，所以在小區(qū)中心位置加擾情況下所獲得系統吞吐量能力下降約7%；在Mode3方式下，信道環(huán)境小區(qū)中心會優(yōu)先選擇空間復用，但是在鄰區(qū)加擾條件下系統吞吐量能力下降約24%。在小區(qū)邊緣位置，Mode3可以自適應地選擇空間復用與空間分集，所以兩種模式的吞吐量差別較小，同時由于Mode2方式能夠保證采用抗干擾能力更強的空間分集而使系統吞吐量比Mode3方式略大。

以上實測結果進一步驗證了表1所總結的各種模式的適用場景，同時也通過實測證明了在通過鏈路預算進行覆蓋預測時，以抗干擾能力更強的空間分集作為多天線方式。

5 結束語

本文通過對LTE關鍵技術的深入分析，結合移動通信無線網絡規(guī)劃理論指出了LTE無線網絡的特點；發(fā)現在LTE無線網絡規(guī)劃中已經不能再繼續(xù)沿用以往3G以及2G系統中對于網絡覆蓋與容量的評估方式與指標；提出了適用于LTE無線網絡特點的覆蓋與容量評估方式和指標；并從LTE系統設計的角度分析了LTE物理層關鍵參數對于LTE網絡覆蓋與容量的影響因素；指出了在不同無線場景下關鍵參數的選擇依據。

參考文獻

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2010-06-07）