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        TD-LTE室外頻率組網(wǎng)方案的仿真和測試

        2012-06-26 06:25:46徐宇強(qiáng)呂錦揚(yáng)聶磊張宇峰
        關(guān)鍵詞:頻點(diǎn)傳輸速率吞吐量

        徐宇強(qiáng),呂錦揚(yáng),聶磊,張宇峰

        (中國移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司廣州分公司, 廣州 510631)

        1 前言

        按3GPP協(xié)議規(guī)定,TD-LTE支持1.4~ 20MHz載波帶寬的靈活配置,因此在組網(wǎng)中存在不同的頻率組網(wǎng)方案。在有限的頻譜資源下如何選擇頻率組網(wǎng)方案,獲取更高的網(wǎng)絡(luò)性能,保證小區(qū)的業(yè)務(wù)性能和用戶的應(yīng)用體驗(yàn)是亟待研究和解決的問題。

        TD-LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能,特別是業(yè)務(wù)速率性能主要受SINR(信號與干擾加噪聲比)的影響。根據(jù)不同的無線環(huán)境質(zhì)量,TD-LTE協(xié)議制定了29種編碼調(diào)制方案,分別定義在特定的信噪比下,采用的編碼方式和調(diào)制方式。不同的無線傳播環(huán)境下系統(tǒng)性能相差最多可達(dá)幾十倍。而在相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)條件下,不同的頻率組網(wǎng)方案決定了整體的網(wǎng)絡(luò)干擾水平。

        根據(jù)理論研究,帶寬越大,基于OFDM的多用戶頻選調(diào)度性能越好。為了提高數(shù)據(jù)速率,一般建議采用10MHz以上大帶寬進(jìn)行組網(wǎng)部署。按照工信部的批復(fù),TD-LTE規(guī)模技術(shù)試驗(yàn)使用的頻率為2575~2615MHz,共40MHz。因此主流的頻率組網(wǎng)方案包括同頻組網(wǎng)、異頻組網(wǎng)和頻率移位頻率重用(FSFR,Frequency Shifted Frequency Reuse)等:

        同頻組網(wǎng):1×20MHz,單頻點(diǎn),另外一個(gè)頻點(diǎn)可以后續(xù)擴(kuò)容;

        異頻組網(wǎng):2×20MHz、4×10MHz;

        FSFR 組網(wǎng) :3×20MHz(重疊 10MHz)、5×20MHz(重疊15MHz)。

        我們在廣州珠江新城規(guī)模技術(shù)試驗(yàn)網(wǎng)選擇部分站點(diǎn),通過網(wǎng)絡(luò)仿真和現(xiàn)場測試兩種方法對不同的頻率組網(wǎng)方案進(jìn)行研究和對比。

        2 網(wǎng)絡(luò)仿真

        2.1 仿真的方法及條件

        網(wǎng)絡(luò)仿真采用中國移動(dòng)設(shè)計(jì)院開發(fā)的TD-LTE仿真軟件ANPOP,對不同頻率組網(wǎng)方案的網(wǎng)絡(luò)接入性能和吞吐量等指標(biāo)進(jìn)行了仿真分析。仿真區(qū)域共119個(gè)基站,305個(gè)小區(qū),所選區(qū)域?yàn)槊芗菂^(qū),總覆蓋面積18.44km2,平均站點(diǎn)密度為6.45站/km2,平均站間距423m,采用在實(shí)際路測校正后的SPM模型,公式如下(其中K4和K6為零):

        Lmodel=22.2+46.13lg(d)+5.83lg(HTxeff)-6.55lg(d)lg(HTxeff)+Kclutter×f(clutter)

        主要仿真參數(shù)如表1所示。

        表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)表

        2.2 接入成功率仿真結(jié)果及分析

        由于不同頻率組網(wǎng)方案的網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能完全一致,因此接入性能主要取決于網(wǎng)絡(luò)的信號質(zhì)量(SINR)及小區(qū)的可用資源。各種頻率組網(wǎng)方案中各種類型接入失敗的仿真結(jié)果如圖1所示(單位:%)。

        仿真結(jié)果分析:

        20MHz同頻組網(wǎng)方式下,由于干擾較大,所以用戶的接入失敗數(shù)量較多;

        在異頻組網(wǎng)時(shí),隨頻點(diǎn)數(shù)量增加,覆蓋區(qū)域內(nèi)的SINR的提高,用戶的上下行接入成功率均逐步提高;

        FSFR組網(wǎng)時(shí),由于不同小區(qū)的PDSCH隨中心頻點(diǎn)相互錯(cuò)開,下行的接入性能接近異頻組網(wǎng);但由于在上行時(shí)用戶間的干擾比較大,上行激活和接入的成功率均明顯低于異頻組網(wǎng),且頻點(diǎn)數(shù)增加導(dǎo)致子載波重疊的比例增加,接入性能隨之下降。

        圖1 接入性能仿真結(jié)果

        根據(jù)仿真結(jié)果,網(wǎng)絡(luò)總體為上行受限,因此接入性能異頻組網(wǎng)優(yōu)于FSFR,F(xiàn)SFR優(yōu)于同頻組網(wǎng),且在異頻組網(wǎng)環(huán)境下,接入性能隨頻率數(shù)量的增加而提高。

        2.3 吞吐量仿真結(jié)果及分析

        吞吐量仿真結(jié)果如表2所示。

        仿真結(jié)果分析:

        表2 吞吐量仿真結(jié)果

        20MHz同頻組網(wǎng)可獲得最高的頻率利用率和邊緣頻率利用率;

        異頻組網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)干擾較低,可獲得最高的小區(qū)平均吞吐量和邊緣吞吐量,異頻組網(wǎng)頻點(diǎn)數(shù)量減少時(shí)小區(qū)邊緣吞吐量下降,頻點(diǎn)數(shù)量增加時(shí)小區(qū)平均吞吐量下降;

        FSFR的的小區(qū)平均吞吐量性能接近異頻組網(wǎng)方式,但邊緣吞吐量較低,F(xiàn)SFR的頻點(diǎn)數(shù)量越多,邊緣吞吐量的下降越明顯。

        根據(jù)仿真結(jié)果,異頻組網(wǎng)和FSFR的小區(qū)平均吞吐量優(yōu)于同頻組網(wǎng),異頻組網(wǎng)的小區(qū)邊緣吞吐量優(yōu)于FSFR和同頻組網(wǎng),同頻組網(wǎng)的頻率利用率最佳。

        3 現(xiàn)場測試

        3.1 測試方法

        由于現(xiàn)有終端對異頻的支持不好,直接進(jìn)行測試無法準(zhǔn)確對比不同頻率組網(wǎng)下的網(wǎng)絡(luò)性能。我們通過采用掃頻儀對不同組網(wǎng)方式下的RSRP和SINR進(jìn)行測量,通過逆向擬合推導(dǎo)接入成功率、網(wǎng)絡(luò)容量等關(guān)鍵指標(biāo),從而得到不同頻率配置情況下的網(wǎng)絡(luò)性能。具體方法如下:

        根據(jù)TD-LTE協(xié)議的規(guī)定,網(wǎng)絡(luò)中的下行傳輸速率是終端的SINR決定的。SINR越高,信道環(huán)境越好,就可以使用更高的碼率和更高的調(diào)制方法。不同的平均SINR對應(yīng)于不同的有效傳輸速率,這個(gè)對應(yīng)關(guān)系可由系統(tǒng)仿真確定?,F(xiàn)場掃頻儀可以測出每個(gè)點(diǎn)的SINR值,對應(yīng)得出各點(diǎn)的傳輸速率,最終計(jì)算出全網(wǎng)的平均下行速率。在下行的測量中,可通過系統(tǒng)模擬加載的方式對不同負(fù)載情況下的SINR進(jìn)行測量,從而得到不同負(fù)載情況下的下行傳輸速率等網(wǎng)絡(luò)性能。

        對于上行,無法直接測得各點(diǎn)對應(yīng)的SINR,因此我們根據(jù)不同的組網(wǎng)方式,計(jì)算出相應(yīng)的下上行干擾抬升值;利用測試得到的RSRP值計(jì)算出空間的路徑損耗;根據(jù)基站配置,計(jì)算出上行的發(fā)射功率(如果發(fā)射功率大于UE最發(fā)發(fā)射功率,按照最大發(fā)射功率計(jì)算)。根據(jù)以上三者可以計(jì)算各點(diǎn)對應(yīng)的SINR值,最后得出相應(yīng)的上行傳輸速率。同樣的,可以根據(jù)用戶業(yè)務(wù)對干擾的抬升,推算出加擾情況下的上行SINR值,從而得到不同負(fù)載情況下的上行傳輸速率等網(wǎng)絡(luò)性能。

        用以上方法得到的速率通常高于實(shí)際系統(tǒng)中測量的數(shù)據(jù),主要原因在于掃頻儀給出的始終都是最好的小區(qū)測量得出SINR值,但在實(shí)際系統(tǒng)中,由于為了防止乒乓切換,切換過程中UE的服務(wù)小區(qū)可能不是最優(yōu)的小區(qū);小區(qū)切換時(shí)會(huì)有切換時(shí)延,期間無法傳輸數(shù)據(jù);逆向擬合是假設(shè)數(shù)據(jù)是足夠的,想發(fā)就有數(shù)據(jù)可發(fā)的理想狀態(tài)。而在實(shí)際系統(tǒng)中,由于服務(wù)器原因和TCP層反饋原因,可能會(huì)存在服務(wù)器給出的流量不夠的情況。但這些在不同頻率組網(wǎng)的系統(tǒng)中對網(wǎng)絡(luò)性能的影響是基本一致的,因此在研究不同組網(wǎng)模式的性能對比時(shí),逆向擬合方式得到的數(shù)據(jù)具有較大的參考意義。由于在FSFR中,不同的子載波的SINR不相同,無法采用逆向擬合的方式進(jìn)行計(jì)算,因此在現(xiàn)場只完成了同頻和異頻的性能測試。

        現(xiàn)場選取仿真區(qū)域的東南角作為測試區(qū)域,測試區(qū)域共18個(gè)基站,26個(gè)小區(qū),所選區(qū)域?yàn)槊芗菂^(qū)。同頻組網(wǎng)下各相關(guān)參數(shù)配置已經(jīng)過充分優(yōu)化,在異頻組網(wǎng)下同eNode B的不同小區(qū)盡量采用不同頻點(diǎn),存在切換關(guān)系的小區(qū),切換優(yōu)先級最高的小區(qū)也盡量配置不同頻點(diǎn)。

        3.2 吞吐量測試結(jié)果分析

        測試結(jié)果分析:

        在空載時(shí),20MHz同頻組網(wǎng)可獲得最高的頻率利用率;

        2×20MHz異頻組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)干擾較低,網(wǎng)絡(luò)的容量和用戶接入性能最佳,加載時(shí)2×20MHz異頻組網(wǎng)的邊緣頻率利用率最高;

        4×10MHz異頻組網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)干擾最低,其邊緣頻率利用率與20MHz同頻組網(wǎng)的相當(dāng),但由于單小區(qū)帶寬太低,導(dǎo)致系統(tǒng)的峰值速率較低。

        根據(jù)測試結(jié)果,不同的頻率組網(wǎng)方案可應(yīng)用于不同的網(wǎng)絡(luò)場景:在建網(wǎng)初期,用戶數(shù)量不多的場景下可通過同頻組網(wǎng)降低頻譜資源的占用,降低投資風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)網(wǎng)絡(luò)用戶和業(yè)務(wù)量增加后,采用2×20MHz異頻組網(wǎng),可以獲得較佳的網(wǎng)絡(luò)性能;4×10MHz異頻組網(wǎng)可用于大型場館等干擾較大但對單用戶峰值速率要求不高的特殊場景。

        表3 吞吐量測試結(jié)果分析

        4 初步結(jié)論及應(yīng)用建議

        在不同頻率組網(wǎng)方案的對比中,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真和現(xiàn)場測試的結(jié)果基本一致。因此,在采用D頻段共40MHz頻率組網(wǎng)的情況下,同頻組網(wǎng)、異頻組網(wǎng)和FSFR方案的對比如下:

        同頻組網(wǎng)的頻率利用率最高,且用戶數(shù)不多的情況下網(wǎng)絡(luò)性能較好,因此在建網(wǎng)初期,用戶數(shù)量不多的場景可廣泛使用,降低頻譜資源的占用,降低投資風(fēng)險(xiǎn);

        異頻組網(wǎng)可獲得較佳的網(wǎng)絡(luò)接入性能和吞吐量性能,其中2×20MHz異頻組網(wǎng)適用于用戶和業(yè)務(wù)量較多的一般場景,4×10MHz異頻組網(wǎng)可用于大型場館等干擾較大但對單用戶峰值速率要求不高的特殊場景;

        根據(jù)仿真結(jié)果,F(xiàn)SFR在接入性能和吞吐量均沒有明顯優(yōu)勢,且由于FSFR導(dǎo)致頻譜使用不均勻,將為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化帶來較大的實(shí)際困難。

        目前TD-LTE網(wǎng)絡(luò)頻率組網(wǎng)方案的性能和應(yīng)用仍受限于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,如系統(tǒng)設(shè)備和終端對系統(tǒng)帶寬的支持能力、系統(tǒng)設(shè)備和終端對同頻段異頻點(diǎn)/異頻段異頻點(diǎn)切換功能的支持能力、半靜態(tài)/動(dòng)態(tài)ICIC等干擾抑制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)、智能天線的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)等。因此,仍需要在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中對不同的頻率組網(wǎng)方案進(jìn)行不斷的測試和優(yōu)化,才能找到適合TD-LTE技術(shù)的頻率組網(wǎng)方案。

        [1]3GPP TS 36.213 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical layer procedures[S].

        [2]鄭侃, 趙慧, 王文博. 3G長期演進(jìn)技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社.

        [3]胡宏林, 徐景. 3GPP LTE無線鏈路關(guān)鍵技術(shù)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社.

        [4]周恩, 張興, 呂召彪, 孫宇昊. 下一代寬帶無線通信OFDM與MIMO技術(shù)[M]. 北京:人民郵電出版社.

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