長期演進(jìn)無線容量和承載能力分析

中國移動通信集團(tuán)江蘇移動有限公司 張永慶

1 LTE無線資源概述

LTE（長期演進(jìn)）物理層包含下行信道和上行信道，其中下行信道包含PBCH（物理廣播信道）、PDCCH（物理下行控制信道）、PDSCH（物理下行共享信道）、PCFICH（物理控制格式指示信道）、PHICH〔物理HARQ（混合自動重傳請求）指示信道〕、PMCH（物理多播信道）。PBCH承載小區(qū)ID（標(biāo)識）等系統(tǒng)信息，用于小區(qū)搜索過程。PDCCH承載尋呼和用戶數(shù)據(jù)的資源分配信息以及與用戶數(shù)據(jù)相關(guān)的HARQ信息。PDSCH承載下行用戶數(shù)據(jù)。PCFICH承載控制信道所在OFDM（正交頻分多址）符號的位置信息。PHICH承載HARQ的ACK/NACK（確認(rèn)/非確認(rèn)）信息。PMCH承載多播信息。

上行信道包含PRACH（物理隨機(jī)接入信道）、PUSCH（物理上行共享信道）、PUCCH（物理上行控制信道）。PRACH承載隨機(jī)接入前導(dǎo)。PUSCH承載上行用戶數(shù)據(jù)。PUCCH承載HARQ的ACK/NACK，調(diào)度請求，信道質(zhì)量指示。

分析上述LTE信道，限制LTE無線容量的主要因素是：

1）下行業(yè)務(wù)資源。下行業(yè)務(wù)資源主要是下行PRB（物理無線塊）資源和帶寬資源。

2）下行信令資源。下行信令資源主要是PDCCH資源和尋呼資源。

3）上行業(yè)務(wù)資源。上行業(yè)務(wù)資源主要是上行PRB資源和帶寬資源。

4）上行信令資源。上行信令資源主要是PRACH資源。

2 LTE上下行業(yè)務(wù)容量

LTE采用OFDM技術(shù)，不同于WCDMA（寬帶碼分多址）采用的擴(kuò)頻技術(shù)（每個(gè)symbol占用帶寬都是3.84MHz），通過擴(kuò)頻增益等技術(shù)來對抗干擾。OFDM則是每個(gè)symbol都對應(yīng)一個(gè)正交子載波，通過載波間正交性來對抗干擾。協(xié)議規(guī)定，通常情況下子載波間隔15 kHz，normalCP（循環(huán)前綴）情況下，每個(gè)子載波一個(gè)slot有7個(gè)symbol；extend CP情況下，每個(gè)子載波一個(gè)slot有6個(gè)symbol。頻率上連續(xù)12個(gè)子載波，時(shí)域上一個(gè)slot，稱為1個(gè)RB（無線塊），1個(gè)RB帶寬為180 kHz。

LTE時(shí)隙幀結(jié)構(gòu)見圖1。

RB是業(yè)務(wù)面數(shù)據(jù)最小調(diào)度單位，下行PRB利用率和上行PRB利用率可作為衡量前向業(yè)務(wù)信道負(fù)荷指標(biāo)的參數(shù)。但基于無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特性，在高速率情況下少數(shù)幾個(gè)用戶就能將所有業(yè)務(wù)資源全部占用，因此PRB利用率并不能完全反映LTE網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)資源負(fù)荷，還需小區(qū)用戶數(shù)共同反映LTE網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)資源負(fù)荷情況。

LTE下行吞吐量在密集城區(qū)平均吞吐率能力仿真如下。

LTE數(shù)據(jù)吞吐率見表1。

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小區(qū)承載能力采用基于用戶體驗(yàn)和話務(wù)模型的分析方法。圖2為五步驟分析方法。

忙時(shí)用戶激活比Rb：放號用戶中，有多少用戶在忙時(shí)使用網(wǎng)絡(luò)。在LTE中用戶開機(jī)，就會attach附著，因此用戶激活比就是相當(dāng)于開機(jī)率。

其中，Ub為忙時(shí)總附著用戶數(shù)，n為放號數(shù)。

忙時(shí)業(yè)務(wù)激活比Rs：附著的用戶中，建立RRC（無線資源連接）的平均時(shí)長比例。

其中，tba為忙時(shí)平均每附著用戶RRC連接時(shí)長，Ubr為忙時(shí)平均RRC用戶數(shù)，Ua為忙時(shí)總附著用戶數(shù)。

忙時(shí)同時(shí)傳輸比Rt：指空口連接時(shí)，有多大比例時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)。

其中，tbt為忙時(shí)平均每用戶傳輸時(shí)長，tb為忙時(shí)平均每用戶RRC連接時(shí)長。

參考當(dāng)前業(yè)界LTE的話務(wù)模型，取LTE的話務(wù)用戶模型見表2，LTE小區(qū)承載能力見表3。

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根據(jù)上表得出的結(jié)論，LTE在無線容量側(cè)主要是下行受限，小區(qū)支持的最大放號用戶數(shù)約為2 656個(gè)。

3 LTE上行信令容量

PRACH信道容量定義：在滿足碰撞概率為1%的前提下，每秒能夠支持的成功接入次數(shù)。

PRACH信道容量主要受限于：

·每幀中配置的PRACH時(shí)隙數(shù)；

·產(chǎn)品處理能力。

競爭接入與競爭前導(dǎo)數(shù)和PRACH數(shù)量相關(guān)，根據(jù)R2-070206，碰撞概率P與競爭前導(dǎo)數(shù)、PRACH數(shù)量的關(guān)系為

其中，G為每秒競爭接入次數(shù)，即為PRACH容量；L為每秒內(nèi)RA（路由區(qū)）資源的總數(shù)。P的目標(biāo)值一般設(shè)為1%。

每秒PRACH數(shù)量計(jì)算舉例：

·20MHz帶寬；

由于互聯(lián)網(wǎng)的傳播的迅速行，任何財(cái)務(wù)信息的傳遞都是十分迅速的，同時(shí)因?yàn)閿?shù)據(jù)的安全性也容易產(chǎn)生漏洞。尤其是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對于金融行業(yè)來說，仍然存在不小的挑戰(zhàn)，盡管給互聯(lián)網(wǎng)金融帶來了極高的交易速率，而且交易本身也儲存了大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容涵蓋了商業(yè)機(jī)密與客戶個(gè)人隱私，一旦某個(gè)產(chǎn)生某種漏洞，就會給互聯(lián)網(wǎng)財(cái)務(wù)造成毀滅性的打擊。正是基于這些因素，極大的增加了隱患產(chǎn)生的概率。

·普通CP配置；

·每幀中配置2個(gè)PRACH時(shí)隙；

·前導(dǎo)序列總數(shù)為64（假定其中52個(gè)配置為隨機(jī)前導(dǎo)）；

·L為每秒內(nèi)RA（路由區(qū)）資源的總數(shù)（隨機(jī)前導(dǎo)數(shù)量乘每秒內(nèi)PRACH數(shù)量）；

·P為用戶接入碰撞概率，通常取值0.01。

根據(jù)下式可以得到PRACH信道的容量G為

根據(jù)以上的分析，在滿足碰撞概率為1%的條件下，接入信道每秒能夠支持的成功接入次數(shù)約為104次。

其中，C為接入信道容量，U c為單用戶忙時(shí)呼叫次數(shù)。參考當(dāng)前信令模型，單用戶忙時(shí)呼叫次數(shù)為64次，則LTE上行信令容量分析為

4 LTE下行信令容量

尋呼容量的定義：每秒鐘可發(fā)送的尋呼消息數(shù)量。

按照協(xié)議，每一個(gè)TTI（傳輸時(shí)間間隔）只能發(fā)送一個(gè)paging消息，最多攜帶16個(gè)UEID（終端識別號）。paging消息指示〔DL（下行）grant〕在PDCCH發(fā)送，paging消息內(nèi)容在PDSCH發(fā)送。

每秒最大可以發(fā)送的尋呼消息數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。

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Nb是每個(gè)尋呼周期有多少個(gè)TTI可以發(fā)送尋呼，實(shí)際上就是表征每個(gè)幀有多少個(gè)子幀可以發(fā)尋呼。如果4個(gè)尋呼周期表示每個(gè)幀有4個(gè)TTI可以發(fā)尋呼，1/4個(gè)尋呼周期表示每4個(gè)幀有一個(gè)TTI可以發(fā)送尋呼。

在表4中，Nb典型取值為1，每秒可發(fā)送尋呼消息數(shù)量為1 600次。

跟蹤區(qū)（TA）的功能與GSM（全球數(shù)字移動通信）的位置區(qū)概念類似。TA包含相同TAC（跟蹤區(qū)碼）配置的小區(qū)群體，網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)都根據(jù)TAC被劃分成許多個(gè)跟蹤區(qū)。MME（多媒交換系統(tǒng)）同時(shí)給終端分配TAI（目標(biāo)區(qū)識別）list，該TAIlist包含一組TA，終端保存好這個(gè)TAIlist，終端在這些TA中移動時(shí)，不需要再發(fā)送TA更新消息給EPC（進(jìn)化分組核心）。網(wǎng)絡(luò)通過在整個(gè)跟蹤區(qū)內(nèi)的所有小區(qū)發(fā)送尋呼消息來尋呼idle態(tài)的UE（終端），通知其下行數(shù)據(jù)到達(dá)。首先在TA下進(jìn)行尋呼，如果尋呼不到情況下，再到TAL下進(jìn)行尋呼。

假定一個(gè)TA下有30個(gè)基站（90個(gè)小區(qū)），一個(gè)TA list包含5個(gè)TA（150個(gè)基站，450個(gè)小區(qū)）。

這里涉及到尋呼系數(shù)kp的定義：

尋呼系數(shù)kp等于多次尋呼包含的小區(qū)數(shù)與尋呼成功率的加權(quán)平均數(shù)＝95%×30×3＋5%×150×3＝108，考慮第一次在TA尋呼（含30個(gè)基站），成功率為95%，第二次在TAL尋呼（含150個(gè)基站），成功率為5%。相當(dāng)于1條尋呼消息要在108個(gè)小區(qū)范圍內(nèi)發(fā)送。

尋呼信道承載能力計(jì)算公式：

其中，Up為尋呼信道承載用戶數(shù)，Gp為尋呼信道容量，U為被叫次數(shù)。當(dāng)Nb典型取值為1時(shí)，尋呼信道容量為1 600條/秒，參考當(dāng)前信令模型，單用戶忙時(shí)被叫次數(shù)為32次，則尋呼信道承載最大放號用戶數(shù)

若Nb取極限值4時(shí),尋呼信道容量為6 400條/秒，則

5 LTE承載能力分析小結(jié)

綜上所述，LTE單小區(qū)承載能力見表5。

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LTE小區(qū)承載用戶的能力與用戶話務(wù)模型強(qiáng)相關(guān)，不同地區(qū)和網(wǎng)絡(luò)，以及同一網(wǎng)絡(luò)不同發(fā)展時(shí)期，用戶行為習(xí)慣不同，話務(wù)模型都會有較大的變化，因此LTE小區(qū)的用戶承載能力，要根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)用戶模型，具體分析LTE小區(qū)的承載能力。 ◆