淺析LTE無線網(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、精確的部署進行LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)性能分析的需求越來越強烈。本文首先簡要介紹了LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程，然后從需求分析、傳播模型測試和矯正、規(guī)模估算、網(wǎng)絡(luò)仿真、站點勘測、頻率規(guī)劃等六個步驟分別介紹了LTE規(guī)劃過程。最后，性能指標和性能指標影響因素兩個方面對網(wǎng)絡(luò)性能進行了分析。

【關(guān)鍵字】 LTE無線網(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，無線業(yè)務(wù)的需求越來越大，現(xiàn)有的2G、3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足日益增長的需求，第三代合作伙伴計劃（3GPP）長期演進技術(shù)（LTE）以其強大的業(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)和營運成本、靈活的網(wǎng)絡(luò)部署模式成為各大主流運營商的技術(shù)首選。

一、LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程

LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃為了實現(xiàn)覆蓋、容量、服務(wù)質(zhì)量、設(shè)備利用率和經(jīng)濟性之間的平衡，需要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)測試階段、試商用階段和商用階段三個階段，主要包括以下幾個主要流程：網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃數(shù)據(jù)準備、無線網(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用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）、高級編碼調(diào)制方式（AMC）、混合自動重傳（HARQ）等先進的無線鏈路技術(shù)，并通過動態(tài)調(diào)度、小區(qū)間干擾消除技術(shù)（ICIC）、功率控制等無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)計來說，上述無線技術(shù)雖然提高了網(wǎng)絡(luò)性能，但是同時也增大了系統(tǒng)分析的復雜程度。要實現(xiàn)高效、可靠的LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃方案，需要通過系統(tǒng)化的理論、仿真、測試等過程對系統(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)劃及鏈路預算思路和方案是無法滿足LTE實際建網(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)運營商的要求，通過充分了解規(guī)劃區(qū)的地物、地貌，并研究話務(wù)量的分布，對規(guī)劃區(qū)的覆蓋區(qū)域劃分、以及與之相對應(yīng)的用戶密度分布方案進行確定，然后要對業(yè)務(wù)區(qū)域劃分方案、容量目標、質(zhì)量目標進行確定。

2）傳播模型測試和矯正。無線傳播模型可以幫助設(shè)計者了解預選的站址在實際環(huán)境下的傳播效果，通過仿真軟件可以預測出所規(guī)劃的系統(tǒng)的各種性能指標，方便設(shè)計者進行矯正。這個步驟是移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要步驟。與2G/3G相比，此步驟的基本過程沒有實質(zhì)性的區(qū)別。

3）規(guī)模估算。規(guī)模估計要給出的是預測的基站數(shù)量和配置。通常需要從覆蓋和容量兩個方面綜合考慮。第一步是通過結(jié)合無線鏈路預算和傳播模型，得到每種待規(guī)劃業(yè)務(wù)的覆蓋半徑，再由待覆蓋面積計算所需的站點數(shù)目；第二步是根據(jù)語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的等效處理模型，同時結(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容量所需的站點數(shù)目。其中，覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃是網(wǎng)絡(luò)估算過程中的關(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)劃因為受影響的因素太多了，所以不能利用公式進行計算，傳統(tǒng)的Cambell、Erlang方法變得不再適用。通過仿真和實測經(jīng)驗，可以得到各種不同情況下的吞吐量，在進行實際規(guī)劃時，再根據(jù)規(guī)劃地的實際情況，可以通過查表確定LTE的容量。

4）網(wǎng)絡(luò)仿真。對于規(guī)劃結(jié)果需要進行進一步的確認和分析，評估預規(guī)劃階段的基站數(shù)目和相應(yīng)配置的無線性能，對此可以通過網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真工具來實現(xiàn)。仿真工具可以有效的模擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)的性能，對規(guī)模估計結(jié)果進行驗證，并通過調(diào)整實現(xiàn)規(guī)劃優(yōu)化，同時仿真報告對后期的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化可以起到指導作用。

5）站點勘測。進行仿真模擬后，就需要對規(guī)劃的站址進行現(xiàn)場勘測，在工具設(shè)計結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的無線環(huán)境選擇合適的建筑物作為最終的實施站址，以滿足實際的覆蓋需求。選站過程也是一個不斷優(yōu)化調(diào)整的過程，選站過程獲得的結(jié)果可以重新返回仿真工具，進行預測調(diào)整，直到最終選擇到滿足要求的站點。

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)度算法復雜度低、實現(xiàn)簡單、建網(wǎng)速度快、覆蓋能力強。

總的來說，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、站點選擇、規(guī)劃仿真、報告撰寫五大部分。其中，覆蓋和容量設(shè)計是整個規(guī)劃流程的核心環(huán)節(jié)。

三、LTE無線性能分析

3.1 LTE無線性能指標

移動通信系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)性能主要是用容量、性能和覆蓋三個指標來描述的，它們之間又相互影響、相互制約。對于LTE系統(tǒng)來說，其核心要素是吞吐量。這是因為可以用吞吐量的不同值來描述容量、性能和覆蓋。所以，對于LTE網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化，需要通過無線環(huán)境優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化、信令分析等手段圍繞吞吐量來實現(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，因為無線環(huán)境和QoS要求不同，吞吐量也會有較大的差異。所以為了能夠更加準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)負荷、終端級別和MIMO模式等。對于FDD系統(tǒng)而言，可以采用開銷分析法來計算物理層吞吐量，不過這種計算方法由于缺少對無線環(huán)境的考慮，所以精確度不夠。采用MCS和PRS信息來計算峰值吞吐量，同時還要考慮終端特性，這是因為如果終端不能支持最大TBS，那么上下行峰值吞吐量會受到限制。另外，上下行方向上選擇TBS和PRB時，還要考慮有效碼率的限制。只有綜合考慮對于峰值吞吐量的計算才會更精確和合理。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分布5%所對應(yīng)的值，LTE的設(shè)計目標是保證上/下行邊緣吞吐量能夠為R6 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)度機制和QoS機制影響小區(qū)邊緣頻譜效率的改善程度，如果小區(qū)邊緣用戶的優(yōu)先級越高，那么他們獲得的吞吐量也就越高，同時小區(qū)邊緣頻譜效率的改善程度也就越高。

3.2 LTE無線性能指標影響因素

3.2.1容量（小區(qū)吞吐量）影響因素

對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說，用來衡量小區(qū)容量的指標是小區(qū)服務(wù)用戶數(shù)以及總體吞吐量。在實際情況中，收到負荷和干擾的影響，小區(qū)的容量會遠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TTI中上下行調(diào)度的UE數(shù)目、每個UE包括路徑消耗、SINR、RSRP和RSRQ的無線路徑狀況，以及下行PDCCH使用的符號數(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；控制信道開銷，LTE系統(tǒng)存在多種類型的控制信道，不同信道開銷會影響TBS和MCS，從而影響到峰值吞吐量；無線環(huán)境，不同的SINR條件下，用戶獲得的MCS也不同，每個符號代表的比特數(shù)和對應(yīng)的傳輸塊大小也有所區(qū)別，從而會對系統(tǒng)容量造成較大影響；MIMO模式，分集、復用、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，隨著邊緣速率的提高，上行覆蓋距離會減小，而對于下行覆蓋不存在。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上進行分配，而下行功率在全頻段范圍上進行分配，因此上行用戶所占用的RB個數(shù)對覆蓋的影響相對較大，而下行用戶相反。鏈路預算是從邊緣吞吐量入手來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，邊緣吞吐量也會受到鏈路預算的各個因素的影響，其中包括SINR，即RB上有用信號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和碼率增長也會影響SINR增長，反過來亦然；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表示，指在有干擾和沒有干擾的情況下所接收到的信號之間的關(guān)系，而LTE系統(tǒng)中小區(qū)內(nèi)不存在干擾，小區(qū)負荷只受鄰區(qū)的影響，小區(qū)負荷增加會使得干擾余量增加，從而會影響小區(qū)容量；不同邊緣吞吐量要求與負荷和覆蓋半徑之間的關(guān)系，一般來說，相同的負荷條件下，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，負荷越大，邊緣吞吐量也越低。

參 考 文 獻

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