TD-LTE無線網(wǎng)絡規(guī)劃與仿真應用

中國普天信息產(chǎn)業(yè)北京通信規(guī)劃設計院 李江浩 劉 軍 李 果

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TD-LTE無線網(wǎng)絡規(guī)劃與仿真應用

中國普天信息產(chǎn)業(yè)北京通信規(guī)劃設計院 李江浩 劉 軍 李 果

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

【關鍵詞】TD-LTE；規(guī)劃；仿真；傳播模型

0 前言

針對用戶持續(xù)提升的業(yè)務需求，3GPP推出了EPS演進分組系統(tǒng)：LTE-無線接口長期演進和SAE-系統(tǒng)架構演進。LTE系統(tǒng)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(xiàn)有3G通信系統(tǒng)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(lián)合網(wǎng)絡通信集團有限公司頒發(fā)“LTE/第四代數(shù)字蜂窩移動通信業(yè)務（TD-LTE）”經(jīng)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(lián)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(wǎng)絡的規(guī)劃設計無疑成為網(wǎng)絡建設的重要環(huán)節(jié)。規(guī)劃作為設計工作的一項重要環(huán)節(jié)，通過對現(xiàn)網(wǎng)基礎數(shù)據(jù)深層次處理而得出規(guī)劃目標站點，然后進行仿真優(yōu)化后的工程參數(shù)輸出，最通過工程優(yōu)化實現(xiàn)對該參數(shù)的再次矯正，具有較強的指導意義。

對于TD-LTE網(wǎng)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(wǎng)絡規(guī)劃流程大致可劃分為：需求分析、網(wǎng)絡預規(guī)劃、站址規(guī)劃、仿真、參數(shù)規(guī)劃等階段。

2 TD-LTE系統(tǒng)架構

TD-LTE系統(tǒng)架構分為兩部分：EPC和E-UTRAN。如圖1所示，與3G無線網(wǎng)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(xié)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(tǒng)的網(wǎng)絡架構相比，接入網(wǎng)僅包括eNodeB一種邏輯節(jié)點，網(wǎng)絡架構中節(jié)點數(shù)量減少，網(wǎng)絡架構更加趨于扁平化。

圖1 TD-LTE系統(tǒng)架構圖

3 TD-LTE網(wǎng)絡規(guī)劃特點

網(wǎng)絡規(guī)劃分為核心網(wǎng)規(guī)劃和無線接入網(wǎng)規(guī)劃。本文主要研究無線網(wǎng)絡規(guī)劃，其主要任務是根據(jù)技術特點、射頻要求、無線傳播環(huán)境等條件，使用特定的規(guī)劃方法確定的基站位置、參數(shù)配置等信息，以滿足覆蓋、容量及質(zhì)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(guī)劃特點如下：

● 覆蓋特點

相對于TD-SCDMA系統(tǒng)的專用信道方式，通過鏈路預算得到覆蓋范圍。TD-LTE系統(tǒng)中業(yè)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(jù)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(chǎn)生直接的影響。

覆蓋規(guī)劃首先需要確定鏈路預算的系統(tǒng)配置，如：系統(tǒng)帶寬、每小區(qū)用戶數(shù)、天線模式等。在此基礎上，還需確定小區(qū)邊緣用戶的保障速率，及分配到的RB數(shù)（resource block）。系統(tǒng)平均帶寬開銷可以折算得到每個RB所需要承載的bit數(shù)，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(shù)。覆蓋估算主要是根據(jù)系統(tǒng)要求及配置，確定發(fā)射機、接收機，附加損耗等參數(shù)，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(tǒng)來說，頻率資源是系統(tǒng)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(tǒng)容量是無線通信系統(tǒng)的重中之重。

在TD-LTE系統(tǒng)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(tǒng)的容量與時頻分割的物理資源塊數(shù)、資源單元數(shù)相關；在空域與無線信道環(huán)境、天線配置、天線發(fā)射端口數(shù)（P）及MIMO數(shù)據(jù)流數(shù)相關；擴頻調(diào)制信道與可用碼資源相關。

該系統(tǒng)空中接口分為控制面及用戶面?？刂泼嫘诺莱休d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(diào)度算法相關；用戶面承載用戶上下行業(yè)務數(shù)據(jù)，其容量與業(yè)務信道資源配置、業(yè)務質(zhì)量要求（QoS）、編碼調(diào)制方式（MCS）、無線信道傳播環(huán)境相關。

綜上所述，TD-LTE系統(tǒng)容量分析特點如下：

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

（2）具有不確定性，系統(tǒng)調(diào)度算法、信道調(diào)制編碼方式、MIMO數(shù)據(jù)流數(shù)與業(yè)務質(zhì)量要求、信道環(huán)境、干擾水平等時變因素密切相關，動態(tài)地變化；

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

● 參數(shù)規(guī)劃特點

TD-LTE無線網(wǎng)絡參數(shù)規(guī)劃主要包括：鄰區(qū)、頻率、PCI碼資源規(guī)劃。

鄰區(qū)規(guī)劃：綜合考慮各小區(qū)的覆蓋范圍及站間距、方位角等進行規(guī)劃。

頻率規(guī)劃：主要干擾為小區(qū)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(guī)劃：與TD-SCDMA的擾碼規(guī)劃類似，建議在覆蓋區(qū)交疊的相鄰小區(qū)不分配互相關性相對較高的碼字。

4 TD-LTE網(wǎng)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(fā)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(wǎng)絡規(guī)劃仿真軟件，它是 FORSK公司的核心產(chǎn)品。2000 年，Atoll 的 3G 版本是市場上第一個3G無線規(guī)劃工具。

(1)工程示例

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

基本參數(shù)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(fā)射功率23dBm；

√ 小區(qū)發(fā)射功率43dBm；

√ 靜態(tài)業(yè)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(fā)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(guī)劃區(qū)域。對于全新網(wǎng)絡，可根據(jù)預規(guī)劃網(wǎng)絡的頻段結合當?shù)氐孛蔡卣魍ㄟ^鏈路預算得到合理的站間距，按蜂窩結構確定站點數(shù)量及位置（Nominal Site的概念），然后通過實地聯(lián)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(jù)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(xié)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(lián)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(wǎng)絡，可直接提取現(xiàn)網(wǎng)工程參數(shù)作為仿真基礎數(shù)據(jù)，適當矯正，對新增擬覆蓋區(qū)域劃定并通過鏈路預算確定新增站點規(guī)模，中心站點坐標等數(shù)據(jù)，后續(xù)步驟同全新網(wǎng)絡規(guī)劃方法。

但對于TD-LTE網(wǎng)絡來說，其主要功能為分流3G數(shù)據(jù)業(yè)務及覆蓋數(shù)據(jù)熱點區(qū)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(lián)通為例，各地市TD-LTE站點建設數(shù)量都不是很大，主要覆蓋區(qū)域多為密集城區(qū)的校園、步行街、中心商業(yè)區(qū)，交通樞紐等高流量數(shù)據(jù)熱點區(qū)域，這樣的呈現(xiàn)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(jīng)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(qū)域進行確認，并進行參數(shù)矯正優(yōu)化，工程優(yōu)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(yōu)化DT測試效果

本工程網(wǎng)絡建設完成后由網(wǎng)絡優(yōu)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(guī)劃區(qū)域邊緣RSCP、RSRP、SINR均為可接受范圍內(nèi)，對預期覆蓋目標完成了有效覆蓋，規(guī)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(xiàn)）。

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(huán)境、傳輸、終端等因素的影響，基本滿足理論值數(shù)據(jù)。

5 總結

本文強調(diào)了仿真部分在TD-LTE網(wǎng)絡規(guī)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(jù)CW測試結果對傳播模型進行矯正后使用）：

√ 密集城區(qū)：建議使用SPM模型；

√ 一般城區(qū)：優(yōu)選SDR或COST231-WI模型；

√ 郊區(qū)、農(nóng)村：優(yōu)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(wǎng)絡規(guī)劃仿真對實際網(wǎng)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(wǎng)絡規(guī)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(yè)于大連交通大學，學士學位，現(xiàn)任中國普天信息產(chǎn)業(yè)北京通信規(guī)劃設計院設計部高級工程師，主要研究方向：無線網(wǎng)絡規(guī)劃、仿真、優(yōu)化。

作者簡介：