TD―LTE网络规划和容量的研究

【摘要】 虽然LTE发展迅猛，但我们需要清醒认识到，在国内TD-LTE从试验网到成熟的商用网，仍是一个复杂的过程。从网络系统干扰到网络频谱策略、从网络承载用户数到网络覆盖，都是我们需要提前研究考虑的问题。及时展开TD-LTE无线网络覆盖、容量以及其发展策略等方面的研究，对于TD网络平滑过渡到LTE有较为积极的意义。本次通过对LTE网络系统参数及关键技术的研究，对LTE网络容量、网络覆盖进行分析，最总确定在网络建设初期的组网方案，减少LTE网络建设成本、提高网络性能以及TD网络向LTE平滑过渡做出贡献。

【关键词】 TD-LTE 网络规划 组网方案

一、概要

在未来的新一代移动通信技术中，LTE及其演进技术是一个主流和发展方向。我国成立了TD-LTE工作组，全力地推进TD-LTE的产业化工作。

随着中国移动试验网建设的完成，全国大规模LTE商用网络的建设已经如火如荼的展开，如何在建网初期对LTE网络进行良好的规划，保证LTE网络的覆盖质量和用户容量，将LTE建网对资源的浪费降至最低，是我们建网初期最迫切关注的问题，也是我们研究的意义所在。

1.1研究内容

（1）覆盖分析：通过对今后TD-LTE可能分配的相关频段无线传播特性分析，并结合OFDM/MIMO/BOFORMING等关键技术特性，与相关设备厂商进行合作，依据相关产品性能，对TD-LTE网络覆盖能力进行有效估算；

（2）LTE容量分析：分析LTE关键技术所能提供的容量，小区边缘速率等。对LTE的容量提出算法

（3）结合规划，对覆盖和容量的分析，确定网络结构。

二、TD-LTE网络影响覆盖的因素

LTE的OFDM的多址接入技术、MIMO/SA的多天线技术是TD-LTE标准的两个关键技术以及LTE帧结构、3GPP协议规范都对其覆盖产生影响。

第一是频段的影响，F频段和D频段的覆盖距离和覆盖效果受到传播损耗的影响差别很大。经过实测，对于青海西宁无线环境对D频段的衰落较大。D频段的站间距适合设置在400米～500米，F频段的站间距适合放置在500～650米。

不同频率对TD-LTE频率规划原则：

TD-LTE宏基站使用1880-1900MHz（F频段）和2570-2620MHz（D频段）。其中广州、深圳和杭州等3个城市采用F频段，北京、上海、天津、南京、沈阳、青岛、厦门、宁波、福州和成都等10个城市采用D频段。

F频段单载波站点（20MHz）：使用1880-1900MHz； D频段中层单载波站点（20MHz）：使用2575-2595MHz； D频段中层双载波站点（2×20MHz）：使用2575-2615MHz； D频段底层（如街道站）站点（20MHz）：使用2595-2615MHz；

第二是基于TDD的双工技术。在TDD方式里面，TDD时间切换的双工方式是在一个帧结构中定义了它的双工过程。在讨论TDD系统的同时要考虑FDD（频分双工）系统，在TDD/FDD双模中，LTE规范提供了技术和标准的共同性。

第三个是OFDM技术和调制编码技术。一是OFDM技术和MIMO（多输入多输出）技术如何结合，使移动通信系统性能进一步提升；二是OFDM技术在蜂窝移动通信组网的条件下，如何克服同频组网带来的问题。

第四个是基于MIMO/SA的多天线技术。智能天线技术是通过赋形，提供覆盖和干扰协调能力的技术。MIMO技术通过多天线提供不同的传输能力，提供空间复用的增益。同时考虑的引入如下：

1、边缘目标速率。不同于3G传统业务，由于采用AMC技术，用户的数据速率可变，不同的速率要求的SINR解调门限不同，因此覆盖范围不同 。

2、干扰消除技术。干扰的存在会引起接收机底噪的抬升，从而引起接收机灵敏度的下降，最终导致最大允许传输距离的减小，覆盖范围收缩。

3、资源分配。系统根据每个用户的链路状况分配给用户不同个数的RB资源，用户占用的载波资源越多，接收机底噪越大，从而导致系统覆盖收缩。

4、天线技术。基于传输分集的MIMO天线方式为系统提供了基于发射分集的下行覆盖增益；基于波束赋行的天线方式在下行方向提供了赋行增益和分集增益，在上行方向提供了接收分集增益。

5、自适应调制编码方式。LTE系统增加了64QAM高阶调制方式，不同的调制编码等级要求不同的SINR解调门限，导致不同的覆盖范围。

2.1可能使用的频段对覆盖的影响

不同频段、不同城市的传播损耗也不同。城市约密集，传播损耗越大，北上广深这样的大型一类城市，传播损耗大于西部中小型城市。以青海西宁无线环境为例，D频段的站间距适合设置在400米～500米，F频段的站间距适合放置在500～650米。在建设初期，F频段更合适快速建网及覆盖，建议用F频段来建设初期网络，后期通过D频段进行有效补充。

2.2系统帧结构对覆盖的影响

TD-LTE帧结构特点：

无论是正常子帧还是特殊子帧，长度均为1ms。FDD子帧长度也是1ms。

一个无线帧分为两个5ms半帧，帧长10ms。和FDD LTE的帧长一样。

特殊子帧 DwPTS + GP + UpPTS = 1ms

时隙长度不同。TD-LTE的子帧（相当于TD-S的时隙概念）长度和FDD LTE保持一致，有利于产品实现以及借助FDD的产业链。 TD-LTE的特殊时隙有多种配置方式，DwPTS，GP，UpPTS可以改变长度，以适应覆盖、容量、干扰等不同场景的需要。 在某些配置下，TD-LTE的DwPTS可以传输数据，能够进一步增大小区容量。

TD-LTE的调度周期为1ms，即每1ms都可以指示终端接收或发送数据，保证更短的时延。而TD-SCDMA的调度周期为5ms。

TD-LTE物理层有 5ms和10ms两种上下行切换周期：（图2）

由于LTE采用时域频域的两维调度，还需要确定不同速率的业务在小区边缘区域占用的RB数或者SINR要求，才能确定满足既定小区边缘最低保障速率下的小区覆盖半径。

2.3多样的调制编码方式对覆盖的影响

LTE系统设计中有测量信号RS，它可以检查信道的好坏，根据不同的，TD-LTE在下行方向采用QPSK、16QAM和64QAM，在上行方向采用QPSK和16QAM。高峰值传送速率是LTE下行链路需要解决的主要问题。为了实现系统下行100Mb/s峰值速率的目标，在3G原有的QPSK、16QAM基础上，LTE系统增加了64QAM高阶调制。64QAM的频谱利用率高，但是其归一化比特信噪比与QPSK相比降低了很多，即频谱利用率的提高是在牺牲信噪比和可靠性的前提下获得的。采用64QAM从信道利用率的角度看，可以将信道利用率提高60%，在以高速数据传输为主要目的LTE中，是一个很好的解决方案。不过，64QAM频谱利用率的提高势必要损失一些抗干扰能力，为达到相同的误码性能需要增加归一化信噪比，设备复杂性和设备成本有所增加。

2.4 MIMO/BOFORMING等对覆盖的影响

MIMO是LTE中的关键技术、对LET的容量和覆盖都有影响，但要注意的是，针对不同无线环境，MIMO的作用也不一样。研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输信息流s（k）经过空时编码形成N个信息子流ci（k），I=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。

由于LTE中采用了多种多天线技术，多天线技术如何选用及是否开启都会对覆盖产生直接的影响。TD-LTE与TD-SCDMA在天线技术上也保持很好的相容性。MIMO作为提高系统速率的最主要手段，LTE已确定MIMO天线个数的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考虑4×4的高阶天线配置。其中，LTE下行链路中MIMO的天线基本配置是2×2，即基站与用户端分别是两根天线，主要技术包括传输分集、空间复用及波束赋形等，最大支持4天线进行下行方向四层传输，但是需要注意的是，这里的天线数为虚拟的天线数目。

MIMO和波束赋行等天线技术是TD-LTE系统的关键技术。基于传输分集（SFBC）的MIMO天线方式为系统提供了基于发射分集的下行覆盖增益；基于波束赋行的天线方式在下行方向提供了赋行增益和分集增益，在上行方向提供了接收分集增益。选择不同的天线使用方式，其覆盖能力差异较大。

2.5天线对覆盖的影响

F频段比D频段有明显的组网优势；

相比于2天线，8天线存在明显优势；

8天线赋形增益明显，比2天线高4～6db，吞吐量性能提升明显。

三、TD-LTE网络影响容量的因素

3.1 TD-LTE关键技术对网络容量的影响分析

LTE容量受到无线环境、RS信号、用户分布、用户业务、时隙配置编码配置等因素的影响。LTE容量估算的方法不能按照R4业务容量估算的方法（如等效爱尔兰、坎贝尔法）来进行，由于影响容量估算的因素太多，因此不能简单的利用公式来进行计算。

3.2系统调度用户数量

以两天线端口为例计算PDCCH在20MHz带宽下可调度用户数： （图4）

以3 symbol ， PHICH组数=3为例，可计算出用于PDCCH的CCE总数：（3600-16-12-400）/ 36 =88CCE

用户每10ms被调度一次，用户分布如下：

10%用户采用1CCE

20%用户采用2CCE

20%用户采用4CCE

50%用户采用8CCE

3.3容量测算方法

方法一：速率测算法

假设某市新建LTE基站1382个，F频段带宽20M，用户签约比10%，附着签约比100%，每使用业务用户平均流量5Mbps，开户用户平均吞吐量500kbps则：

（图5）可以看出满足模型的用户数为20万用户，做为规划初期网络容量的考虑。但不同城市用户通信需求略有不同，因此重点在讨论模型的建立上。

方法二：帧结构方法

假设某城市新建1321个F频段基站，按照20M带宽帧结构来划分，每个子帧有100个RB（最小资源块），要保证用户边缘吞吐量在500K，中心吞吐量在2.5M的前提下，至少需每用户25个RB，上下时隙配置1：3的情况下，每基站可容纳用户36人。

这种方法的优势在于根据不同的配置，可以精确测算出每小区用户数进行规划。

3.4 OFDM技术对容量规划的影响

LTE下行采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术作为其基本传输方案，它是多载波调制的一种，它的基本思想是将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各个子载波并行传输。LTE上行采用的是基于SC-OFDMA，准确来说是DFT-SC-OFDM的传输技术。这就决定了LTE在资源映射和导频结构上与基于码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）的3G系统有着本质的区别。

OFDMA信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。TD-LTE系统采用了OFDM和MIMO等新技术，因此在容量的设计与规划方面，与GSM和TD-SCDMA系统均截然不同。TD-LTE的容量规划更为复杂。

3.5 MIMO技术对容量规划的影响

为了实现增加峰值速率、提高系统容量等演进目标，LTE下行支持多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术。MIMO 无线通信系统在以下一些方面具有巨大的潜力，如频谱的高效使用、带宽的动态分配、安全的无线应用、更高的服务质量、高性能的信号调制传输技术。MIMO技术的关键是有效避免天线之间的干扰（Inter-antenna Interference，IAI），以区分多个并行数据流。目前已确定下行采用2×2的基本天线配置。同时，为了进一步提高系统容量，LTE下行支持最大4根发射天线的天线配置。在不增加带宽和天线发射功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。

（1）下行MIMO模式

发射分集： 通过在多个天线上重复发送一个数据流的不同版本，获得分集增益，用来改善小区的覆盖，适用于大间距的天线阵；

空间复用： 通过在多个天线上并行发送多个数据流， 获得复用增益， 用来提高峰值速率和小区吞吐量；

波束赋形： 通过在多个天线阵元的波干涉，在指定方向的性能能量集中的波束，获得赋形增益，用来改善小区覆盖，适用于小间距的天线阵；

空间多址： 与空间复用机理相似， 只是多个并行数据流用于多个用户，而非单个用户，从而提高系统用户容量。

（2）上行 MIMO 模式

空间多址：上行由于受到终端发送天线和发送功放的数量限制 ，只支持了空分多址模式。

双流波束赋形技术是TD-LTE的多天线增强型技术，是TD-LTE建网的主流技术，结合了智能天线波束赋形技术与MIMO空间复用技术，是中国移动和大唐移动共同创新的成果，也是中国通信产业技术能力的体现。

3.6小区容量及边缘吞吐量

在对TD-LTE覆盖规划时，可以为边缘用户指定速率目标，即在覆盖区域的边缘，要求用户的数据业务满足某一特定速率的要求，例如64kbps，128kbps，甚至根据业务需要，在某些场景可以提出512kbps或1Mbps更高的速率目标。只要不超过TD-LTE系统的实际峰值速率，TD-LTE系统通过系统资源的分配与配置就能满足用户不同的业务速率目标要求。从目前所具备的大量仿真结果综合分析，对于10个用户的系统，TD-LTE所能达到的下行小区吞吐量为18Mbit/s、上行为6Mbit/s（基本配置同本节上文所述），也就是说，平均用户吞吐量达到了下行1.8Mbit/s、上行0.6Mbit/s，比目前的2G和3G系统所标称能支持的平均吞吐量有了很大的提升。由于系统内同频干扰的普遍存在，需要采取包括功控和小区间干扰协调在内的各种算法，以保证边缘用户的吞吐量性能。从对设备能力的要求来看，需要保证边缘小区吞吐量下行不低于1Mbit/s，上行不低于0.5Mbit/s。

小区边缘速率主要根据运营商LTE业务定位确定，如上行覆盖边缘速率为500kbit/s，而下行覆盖边缘速率为1Mbit/s。但对TD-LTE覆盖规划，还需要根据现网数据及预测分析LTE网络承载的各类业务总体需求，使得后续链路预算分析更能满足建网需求。提高小区边缘传输速率，改善用户在小区边缘的体验，增强系统的覆盖性能，主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现。

从实际运营的角度看，我们更关注采用典型配置的系统，上下行同时可以达到的，除去系统控制面开销的数据净荷峰值。从初期TD-LTE的网络设备能力看，对于20MHz的带宽，采用下行2发2收、上行1发2收的天线配置，在上下行时隙配比为2∶2时，理论上，下行峰值速率为80Mbit/s左右，上行为20Mbit/s左右。

对于涉及到网络规划优化方面的容量规划，我们必须以峰值速率为参照，更多地分析系统实际能达到的平均吞吐量性能。由于TD-LTE为所有连接用户提供自适应调制编码方式（AMC）的数据传输，因此小区整体吞吐量受整体无线环境的影响较大。在不具备大规模测试能力的阶段，只能从仿真结果来预估TD-LTE在各类环境下的吞吐量性能，这确实会给系统容量规划带来一定的难度。而从另一个角度来看，TD-LTE的这个特性，恰恰是为网络提供了更多的优化空间，因为仅对目标信噪比有要求的GSM或者TD-SCDMA系统，即便系统环境再好，也只能达到设计的容量，在网络整体达到规划要求的质量后，小区或用户吞吐量不会因为网络环境的进一步提升而有任何改善。

3.7天线双流波束赋形可大大提升网络性能

8天线增益为4～10dB，同时8天线拉远距离优于2天线。8天线抗干扰能力强，可以提高系统的吞吐率。但是8天线同2天线KPI性能相当。

所以我们在建网时在考虑无线环境和施工状况的前提下灵活选用适合的天线进行组网，不同的天线，对系统的容量和覆盖都有影响，而且2/8天线的选择对今后网络的升级也同样有影响，在升级方面两者也各有利弊。建议在建网初期，具备条件的物业点可先选择8天线。

3.8 TD-LTE网络预规划原则

LTE建设初期规划，主要考虑热点地区的覆盖和容量以及对原有2G/3G网络的影响。基本的规划原则如下。

网络预规划所做的主要工作是无线网络估算，包括：

链路预算；

小区覆盖计算；

容量估算；

基站数量估算；

站址初选等

频率规划原则：TD-LTE极有可能使用2300～2400MHz频段，每个频点带宽20MHz。

资源利用原则：在TD-LTE基站建设时，应尽量与原有的2G/3G系统共站点，充分利用其机房及传输等资源。

工程建设原则：尽量避免TD-LTE对现有通信网络的影响，减少对现有设备的改造。

对于同频组网和异频组网的优劣，目前还没有明确的结论，鉴于TD-SCDMA组网初期存在较严重的同频干扰，建议LTE初期以异频组网。（图8）

四、总结

LTE中新的理念、及创新的技术是我们发展的方向，TD-LTE采用的OFDMA、MIMO、64QAM、SC-DFT等新技术对网络规划和组网方式产生重大影响，与3G共享站址、保证3G的部分设备能够平滑升级到LTE、利用最优的基础网络设施等是解决方式之一。

LTE使用的频段较高，建筑穿透损耗更加严重，室内分布系统的建设更加重要，因而需透彻论证LTE的网络技术问题与演进方案，稳妥慎重发展，是保证LTE走向成功根本策略。

要坚持TDD/FDD融合的发展方向，将主要承载高速数据业务，并具备承载话音业务功能。网络建设关键还在于将设备和终端价格大幅降低，为客户提供全球通信漫游，构建全球精品LTE网络。