密集市區(qū)LTE網絡規(guī)劃與設計研究

許 俠

(南京郵電大學 信息與通信工程學院，江蘇 南京 210023)

密集市區(qū)LTE網絡規(guī)劃與設計研究

許 俠

(南京郵電大學 信息與通信工程學院，江蘇 南京 210023)

重點對LTE網絡的規(guī)劃方法進行了研究，對其中的傳播模型校正、鏈路預算、覆蓋規(guī)劃、容量規(guī)劃進行了詳細的分析和論述。該案例的規(guī)劃主要分為預規(guī)劃和詳細規(guī)劃，通過實際的工程來進行有力的說明，對某市進行了符合本地特性的傳播模型校正，結合鏈路預算計算出基站的覆蓋半徑，用密集市區(qū)面積除以單基站的覆蓋面積就可以預估算出大致所需要的基站規(guī)模。通過atoll無線仿真軟件對其進行網絡仿真，得出RSRP、RS-SINR、下行吞吐量和上行吞吐量四個指標進行驗證，通過新增14個基站和調整各基站參數，把網絡指標達到密集市區(qū)LTE網絡規(guī)劃的要求，最后輸出規(guī)劃結果。

LTE；網絡規(guī)劃；傳播模型；鏈路預算；atoll仿真

0 引言

截至2015年年底全球LTE用戶就已達到14億，到2020年用戶數有望達到35億。目前全球有超過一百多個國家近300多家運營商推出了LTE業(yè)務，2015年年底全球已經有400多張商用LTE網絡[1]。在世界所有國家里，美、日、韓、英在4G技術上發(fā)起最早，主要通過這四個國家的LTE發(fā)展現狀來了解國外4G網絡發(fā)展水平。截至目前，在LTE網絡覆蓋率上，韓、日兩國分別以97%和90%位列前兩名，美國也以80%的覆蓋率占世界第七位，而我國的覆蓋率只有70%左右，與以上發(fā)達國家還有一定的差距[2]。國內正式進入4G時代的標志是2013年12月TD-LTE制式牌照的發(fā)放，三大運營商進入了大力建設LTE網絡的時期。中國移動主導TD-LTE網絡的建設，中國電信、中國聯通主導FDD-LTE網絡的建設[3]。如何把LTE網絡建設為高效率、高質量和低成本，是三大運營商非常關心的問題。因此，對LTE網絡的規(guī)劃設計加以研究非常必要。LTE網絡規(guī)劃是網絡技術理論到實踐的第一步，也是工程建設中非常重要的環(huán)節(jié)。一個完善合理的網絡規(guī)劃，是保證LTE網絡快速部署、快速建設、穩(wěn)定運營的關鍵。

本文主要介紹LTE相關背景知識，包括網絡架構、OFDM、MIMO、鏈路自適應、小區(qū)干擾控制和兩種LTE制式[4]。著重闡述LTE網絡規(guī)劃方法，對傳播模型校正方法、鏈路預算、覆蓋規(guī)劃、容量規(guī)劃、干擾分析和鄰區(qū)規(guī)劃進行了非常詳細的研究論述，對atoll無線仿真軟件的使用進行了介紹。

1 網絡結構及關鍵技術

LTE網絡按其功能結構，可以劃分為三個部分：用戶設備(UE)、演進型地面無線接入網(E-UTRAN)、演進的分組核，如圖1所示。

圖1 LTE網絡結構圖

EPC作為LTE網絡的核心網，包括移動性管理實體、服務網關、分組數據網絡網關、歸屬簽約用戶服務器及策略和計費功能體。eNodeB的功能強大，能夠對無線資源進行管理，包括無線承載控制、接納控制、連接移動性控制、上下行動態(tài)資源調度等；對IP頭進行壓縮及對用戶信息加密；用戶數據信息到服務網關的路由；用戶附著時的移動性管理實體選擇；對尋呼信息和廣播信息進行傳輸和調度；設置并提供eNodeB的測量[3]。

正交頻分復用(OFDM)是LTE的關鍵技術，其主要思想就是通過若干個正交的子信道，把一個高速的數據流轉化成若干低速的子數據流，并行地承載數據。在接收端使用相關技術把相互嚴格正交的信號分離開來，這樣就降低了子信道之間的相互干擾(ISI)。OFDM不僅可以消除碼間串擾，提高頻譜利用率，而且信道均衡也變得相對容易。另外，OFDM系統(tǒng)可以利用離散傅里葉反變換(IDFT)代替載波調制，OFDM系統(tǒng)的解調通過離散傅里葉變換(DFT)實現。

多輸入多輸出(MIMO)技術也是LTE系統(tǒng)中的核心技術之一，該技術在智能天線領域有很重要的應用。它在發(fā)射端使用多個發(fā)射天線發(fā)送信號，在接收端同樣使用多個接收天線來接收信號，從而在帶寬不變的情況下極大地增加了通信系統(tǒng)容量，提高了傳輸速率和頻譜利用率。MIMO技術主要包括四個部分：空間分集、空分復用、波束賦形、預編碼。

2 LTE網絡無線網規(guī)劃方法

2.1 傳播模型的校正

傳播模型的校正是無線網絡規(guī)劃中一個關鍵的環(huán)節(jié)，它的準確與否關系到網絡規(guī)劃的準確性，同樣也關系到網絡規(guī)劃的經濟合理性。對于我國來說，各個地區(qū)的無線傳播環(huán)境各不相同，每個省市都有各自的環(huán)境特點，其相應的傳播模型也各不相同。如果只是根據以往的經驗而忽略各個地區(qū)的地理環(huán)境、樓宇、樹木等地物參數的影響，必然會使建成的網絡有問題，或者根據不準確的傳播模型把基站建得過于密集，而造成建網成本過高，資源浪費。連續(xù)波測試(CW波測試)是傳播模型校正中非常重要的環(huán)節(jié)，其主要作用就是得到符合被測地區(qū)地物環(huán)境的無線傳播模型，只有把傳播模型校正得更符合當地實際情況，才會使網絡覆蓋預測更加合理。

通常在CW波測試數處理中采用預處理、地理平均和數據偏移修正這三種方法。預處理就是對測試數據在距離和電平值上進行過濾操作，把那些地理位置信息不準確和信號強度明顯不合理的數據刪除掉；地理平均就是把測試得到的數據進行地理化平均，一般取5m或6m的特定距離來區(qū)域平均，這些均值是用來對本地模型加以校正的；數據偏移修正就是當測試點的位置信息出現整體性偏移誤差時進行修正。

2.2 鏈路預算

鏈路預算是LTE網絡規(guī)劃中預測系統(tǒng)覆蓋能力最主要的方法。經過對上下行信號在傳播過程中的分析和計算，給出在一定呼叫質量前提下上下行鏈路所允許的最大傳輸損耗，進而計算出單個宏站所覆蓋的半徑。某一目標區(qū)域的面積除以單個宏站的覆蓋面積就可以估算出該區(qū)域所需要的大致基站數量。在鏈路預算模型中，最大允許路徑損耗=發(fā)射功率+增益-損耗-接收機靈敏度-余量[5]。鏈路預算在基站數量的估算上有很大的指導作用，小區(qū)的覆蓋由上行覆蓋和下行覆蓋決定，鏈路預算目的就是讓上下行鏈路達到平衡，充分利用系統(tǒng)資源。

2.3 覆蓋規(guī)劃

晚上，蘇婷婷在收拾床鋪，杰克在刷牙。蘇婷婷問杰克：你知道爸媽今天問我啥了嗎？杰克從衛(wèi)生間探出頭：問你啥？蘇婷婷笑了：問我啥時候生？杰克說：你已經升了，還要再升？蘇婷婷說：不是說升職，是說生孩子！杰克走出衛(wèi)生間，詫異地：你生不生孩子與他們有關系嗎？蘇婷婷說：中國父母把兒女當成他們的一部分，生不生孩子當然與他們有關系。杰克搖搖頭：N O，生不生孩子是咱們的事，與他人沒有關系。蘇婷婷說：N O，你還不了解中國，所有的事情都與父母有關系。杰克說：可咱們的事情與父母沒關系，我爸媽從來不干涉我的。蘇婷婷說：我爸媽可就不一定了。

在LTE網絡規(guī)劃中，首先要明確LTE網絡建設的覆蓋目標，主要是以業(yè)務類型、覆蓋區(qū)域、覆蓋概率等指標來表示。

業(yè)務類型在LTE網絡中，只有PS域業(yè)務。在對某一地區(qū)做覆蓋規(guī)劃時，首先要明確邊緣用戶的上下行速率要求，因為其解調門限的差異，其覆蓋范圍也不一樣，因此在覆蓋規(guī)劃時要先確定合理的業(yè)務類型。

覆蓋區(qū)域根據要建設LTE網絡的地區(qū)地理情況，主要從面、線和點方面來分析，確定不同方面的覆蓋要求。面覆蓋：最主要的覆蓋區(qū)域，比如城市居住人口比較密集的區(qū)域，建設的初期階段為主要的城區(qū)和郊區(qū)，隨著網絡的發(fā)展，逐步覆蓋到各縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)，甚至是覆蓋到村。線覆蓋：一般指覆蓋重要的交通樞紐，比如高速公路、鐵路等。點覆蓋：一些數據業(yè)務比較集中的熱點區(qū)域。

覆蓋區(qū)域類型一般分為：密集市區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)、農村、鐵路、高速公路。

覆蓋參數密集市區(qū)的面覆蓋率最大，不同的場景業(yè)務需求和人口密度都不相同，其覆蓋參數也不一樣。各個場景的覆蓋率要求如表1所示。

表1 不同場景覆蓋章

根據業(yè)務類型、覆蓋區(qū)域概率以及前面的鏈路預算，就可計算出目標區(qū)域下大致的小區(qū)覆蓋半徑，單小區(qū)覆蓋面積可由單小區(qū)覆蓋半徑得出，整個目標區(qū)域的面積除以單小區(qū)的覆蓋面積就可以算出LTE網絡所需的站點規(guī)模。

2.4 容量規(guī)劃

LTE網絡的容量規(guī)劃是以網絡仿真和實測數據為依據，得出小區(qū)吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量，并以此來估算目標區(qū)域的站點規(guī)模。影響LTE網絡容量性能的主要因素有：單扇區(qū)頻點帶寬、頻段的使用方式、天饋方式、資源調度算法、小區(qū)間干擾消除技術、網絡結構和組網方式。評估LTE網絡容量的主要指標有如下幾個：(1)單小區(qū)平均吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量；(2)最大同時可調度用戶數上下行控制信道的可用資源數目決定了LTE調度用戶數；(3)VoIP用戶數通常情況下，在同頻組網、帶寬20MHz的條件下，VoIP用戶的最大容量大約為600個[6]；(4)同時在線用戶數因為數據業(yè)務對時延并不是很敏感，動態(tài)調度算法可以確保用戶在進行數據傳輸時能夠及時快速地為用戶分配所需的空口資源。一般情況下，當帶寬為20MHz以內時，單小區(qū)提供的同時在線用戶數不低于200個。

2.5 干擾分析

在頻率組網中，同頻組網是常用的方案，該方案也是LTE網絡系統(tǒng)中比較大的挑戰(zhàn)。小區(qū)之間的同頻干擾會造成LTE系統(tǒng)的載干比性能變差，也會導致業(yè)務面的系統(tǒng)吞吐量和邊緣用戶吞吐量降低，同時也造成控制面的公共信道解調不準，降低用戶規(guī)模，增加系統(tǒng)時延等。解決同頻干擾主要有如下幾個措施[7]。

(1)干擾協(xié)調：干擾協(xié)調的思路是按一定的規(guī)則和方法為小區(qū)之間協(xié)調資源的分配和調度，以此來減小小區(qū)間的干擾。主要有三種協(xié)調方式：靜態(tài)干擾協(xié)調、半靜態(tài)干擾協(xié)調和動態(tài)干擾協(xié)調。

(2)干擾隨機化：干擾隨機化是指把相鄰小區(qū)同一頻率的有色干擾信息采用交織或者加擾的方式，轉變?yōu)殡S機的干擾，使同頻有色干擾變?yōu)榘自肼暋?/p>

(3)干擾抑制：有兩種抑制方式，即發(fā)射端干擾抑制和接收端干擾抑制[7]。

(4)功率控制：可以通過在適當的時機調整發(fā)射功率來彌補信號在無線信道中的傳播損耗和衰落，這樣既可以保證通信不中斷，也不會對同一系統(tǒng)中其他移動端造成不必要的干擾。

(5)波束賦形：在下行鏈路中，基站一側采用波束賦形技術可將有效波束對準期望覆蓋的地區(qū)，既可以提高該區(qū)域用戶的信號強度，又能減小信號對其他區(qū)域用戶的干擾。當知道被干擾用戶在哪一區(qū)域時，通過波束賦形可主動降低該區(qū)域的接收信號強度。

2.6 鄰區(qū)規(guī)劃

鄰區(qū)規(guī)劃是網絡規(guī)劃中比較重要的部分，鄰區(qū)規(guī)劃的好壞直接關系到切換性能和掉話率。對于新建網絡的鄰區(qū)規(guī)劃主要是以atoll等規(guī)劃軟件為主，人工細化為輔。使用atoll等規(guī)劃軟件進行預規(guī)劃，依據預規(guī)劃的結果，結合每個基站的現實情況和勘察報告中地物信息、覆蓋目標、基站間距和扇區(qū)目標等信息來進行人工增刪或調整鄰區(qū)。在鄰區(qū)關系配置上，主要有如下幾個原則。

(1)鄰近原則。要同時考慮空間位置上的相鄰關系和位置上雖相鄰但在無線意義上的相鄰關系，一般情況下，地理位置上相鄰的小區(qū)會作為鄰區(qū)。

(2)互易性原則?；猷弲^(qū)，即A小區(qū)把B小區(qū)當做鄰區(qū)，同樣B也要把A當做鄰區(qū)。只有在一些特別場景下，才可能配置單向鄰區(qū)。

(3)鄰區(qū)適當原則。對于密集和普通城區(qū)來說，由于基站距離比較短，鄰區(qū)配置的數量就比較多[8]，而且鄰區(qū)的最大配置數有限，因此要注意鄰區(qū)的個數。在一般的工程應用中，一方面要配置必要的鄰區(qū)，另一方面也要避免不必要的鄰區(qū)。

2.7atoll無線仿真

無線仿真在網絡規(guī)劃環(huán)節(jié)中也非常重要，可以起到指導網絡規(guī)劃和建設的作用。利用無線網絡規(guī)劃軟件對所規(guī)劃的網絡性能加以模擬，根據預測得到的數據，模擬在實際網絡建成時的情況，及時地發(fā)現規(guī)劃中的問題，及時改正。atoll軟件仿真LTE網絡步驟如下：(1)新建一個LTE工程；(2)導入要仿真的目標區(qū)域的三維地圖；(3)選擇相應的投影方式；(4)選擇已經校正好的符合本地區(qū)的傳播模型；(5)導入該地區(qū)規(guī)劃的網絡數據，基站、天線、小區(qū)等；(6)相關參數配置，包括MIMO、傳播損耗等；(7)小區(qū)鄰區(qū)規(guī)劃；(8)頻率設置；(9)建立話務地圖；(10)蒙特卡羅仿真；(11)仿真結果輸出，生成相應的數據報告。

3 結論

LTE的網絡建設依然在如火如荼地進行，LTE網絡的用戶也在不斷地增加，要建設一個高質量低成本的LTE網絡，必須要有合理的網絡規(guī)劃，充分利用現有的網絡資源，最大化地共享基站。因此，高質量的網絡部署非常重要。本文首先介紹了對LTE網絡的基本認識，然后介紹了無線網絡規(guī)劃中的基礎，包括無線傳播特性、傳播模型和天線技術特性等，結合LTE技術特性給出了網絡的規(guī)劃指標要求和流程。重點對LTE網絡的規(guī)劃方法進行了研究，對其中的傳播模型校正、鏈路預算、覆蓋規(guī)劃、容量規(guī)劃、進行了非常詳細的分析和論述。

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[7] 周慧茹.TD-LTE無線網絡鏈路預算分析[J].鐵路通信信號工程技術,2012，9(1)：30-33.

[8] 王映民,孫韶輝.TD-LTE技術原理與系統(tǒng)設計[M].北京：人民郵電出版社,2010.

Design of pilot joint assigning scheme for massive multi-antenna system

XuXia

(SchoolofInformationandCommunicationEngineering,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210023,China)

WemakeLTEnetworkplanningtargetsrequirementsandprocessescombinedwiththetechnicalcharacteristics.WefocusontheLTEnetworkplanningmethods,includingthepropagationmodelcalibration,linkbudget,coverageplanningandcapacityplanning.Itisaverydetailedanalysisanddiscussion.Itisdividedintopre-planninganddetailedplanning.Throughpracticalengineeringtovigorousexplanation,thecityhasbeencorrectedinlinewiththelocalpropagationmodelandcombinedlinkbudgetcalculatedbasestationcoverageradiusandcoverageareaofthebasestation.Throughitsnetworksimulationsoftwareatoll,itdrawsRSRP,RS-SINR,theaveragethroughputofdownlinkandtheaveragethroughputofuplink.InordertomeettherequirementsoftheLTEnetworkplanning,throughaddingfourteennewbasestationsandadjustingtheparameters,wegetthefinaloutputplanningresults.

LTE；networkplanning；propagationmodel；linkbudget；atollsimulation

TN

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.021

許俠. 密集市區(qū)LTE網絡規(guī)劃與設計研究[J].微型機與應用，2016,35(22)：81-83,97.

2016-06-29)

許俠(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：LTE移動通信系統(tǒng)。