愛立信（中國）通信有限公司LTE產(chǎn)品專家 堵久輝

LTE FDD外場性能研究

愛立信（中國）通信有限公司LTE產(chǎn)品專家 堵久輝

本文討論了LTE的理論峰值與對應(yīng)信噪比的關(guān)系，通過國內(nèi)某運(yùn)營商預(yù)商用網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果與全球領(lǐng)先運(yùn)營商的商用性能進(jìn)行了橫向?qū)Ρ龋⑼ㄟ^對比測試展示了愛立信LTE產(chǎn)品性能優(yōu)勢。

自2008年底3GPP發(fā)布了LTE第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)版本Rel-8，到2009年底北歐運(yùn)營商TeliaSonera率先商用，再到2013年7月韓國運(yùn)營商全球首次商用Rel-10關(guān)鍵技術(shù)之一的載波聚合功能，LTE標(biāo)準(zhǔn)化與商用推進(jìn)的步伐從未停歇。根據(jù)GSA統(tǒng)計(jì)，截至2014年2月底，LTE已在全球101個(gè)國家的274個(gè)運(yùn)營商獲得商用，發(fā)展勢頭之迅猛遠(yuǎn)超之前所有通信技術(shù)。

隨著2013年12月4日工業(yè)和信息化部在其網(wǎng)站的一“紙”公告，國內(nèi)開啟了4G（第四代移動通信技術(shù)）即LTE在中國大陸正式商用的大門。盡管本次官方只向中國移動、中國電信和中國聯(lián)通發(fā)放了TDD LTE（或TD-LTE）牌照，但實(shí)際上部分運(yùn)營商也同時(shí)啟動了LTE FDD試驗(yàn)網(wǎng)的籌備和部署，以技術(shù)儲備及積累網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)。

技術(shù)層面上，我們是否可以期望其他國家和地區(qū)的全球領(lǐng)先運(yùn)營商在LTE網(wǎng)絡(luò)部署及與商用性能方面的經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論能夠簡單地照搬到中國？答案是否定的。誠然，一些共性的部署經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)問題是可以借鑒和規(guī)避的，但是由于部署頻段、供貨廠商、采購設(shè)備、站址條件、應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)等差異將導(dǎo)致LTE網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)不盡相同。因此，在中國大陸的實(shí)際部署條件下進(jìn)行LTE性能研究是十分必要和非常重要的。

本文以某運(yùn)營商在中國南方某省的示范片區(qū)為例，針對LTE FDD外場性能方面進(jìn)行驗(yàn)證和探討，以期對未來中國LTE特別是LTE FDD的部署和發(fā)展提供參考。

理論分析與需求

3G向4G演進(jìn)的背后驅(qū)動力是移動設(shè)備新服務(wù)的創(chuàng)新和發(fā)展，并通過可用于移動通信系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步來實(shí)現(xiàn)。從通信技術(shù)本身來看，LTE相對3G標(biāo)準(zhǔn)是革命性的。為支持以數(shù)據(jù)交換類型為核心的新業(yè)務(wù)，特別是互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)帶動的IP業(yè)務(wù)，LTE無線接口的主要底層設(shè)計(jì)參數(shù)有：數(shù)據(jù)速率、延遲、容量、頻譜效率等。本文重點(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)速率。為了獲得峰值速率所需要達(dá)到的信道條件，可由香農(nóng)公式推導(dǎo)出：

圖1 信噪比與帶寬利用率之間對應(yīng)關(guān)系

圖2 應(yīng)用覆蓋APP coverage

其中，Eb是每信息比特的接收能量，N0是噪聲功率譜密度（單位為W/Hz），無線鏈路帶寬利用率定義為γ=R/BW，R為通信的信息速率，BW是通信可用的帶寬。更直觀地理解信噪比與帶寬利用率之間的對應(yīng)關(guān)系可參見圖1的實(shí)例。

以LTE FDD下行鏈路為例，20MHz系統(tǒng)帶寬下的物理層理論峰值速率為150Mbit/s。將這兩個(gè)數(shù)據(jù)代入上式可以得到信噪比需求至少為(27.5-1)/7.5 = 24dB。但從3GPP協(xié)議角度來看，這種計(jì)算并不嚴(yán)謹(jǐn)。為獲得Rel-8標(biāo)準(zhǔn)的理論峰值速率，協(xié)議規(guī)定需要選擇傳輸塊大小TB size為75376比特，對應(yīng)的MCS需要達(dá)到28。這里的SINR由基站根據(jù)UE的信道質(zhì)量信息CQI反饋計(jì)算得到，并且多高SINR才能影射到MCS28并實(shí)現(xiàn)峰值速率傳輸還與系統(tǒng)廠商實(shí)現(xiàn)算法和終端解調(diào)能力有關(guān)。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，通常需要30dB左右的信噪比才能獲得理論峰值速率。

上述速率為物理層傳輸速率，而實(shí)際應(yīng)用通?？紤]PDCP層速率，假定誤塊率BLER為10%，可簡單折算PDCP層速率為物理層傳輸速率的90%。對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商而言，用戶體驗(yàn)尤為重要，是激烈市場競爭中吸引新老用戶、樹立品牌和口碑的根基。因此，愛立信結(jié)合全球商用經(jīng)驗(yàn)提出了應(yīng)用覆蓋APP coverage的概念，如圖2所示。智能手機(jī)及相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)成為移動通信的主流，因此如何保障終端用戶獲得主流應(yīng)用的良好體驗(yàn)成為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商差異性的重要體現(xiàn)，同時(shí)分組交流類業(yè)務(wù)的接通率、掉線率等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)KPI也不再像電路交換類業(yè)務(wù)那么敏感。圖2中三個(gè)百分比對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，三個(gè)數(shù)字為各覆蓋百分比下應(yīng)保障的應(yīng)用層速率，單位為Mbit/s，其值可能因不同運(yùn)營商而不同。但是為了確保主流應(yīng)用的良好用戶體驗(yàn)及網(wǎng)絡(luò)性能競爭優(yōu)勢，愛立信建議值為1、10、30。通常，商用網(wǎng)絡(luò)測試表明：90%點(diǎn)的連續(xù)覆蓋速率約為50%點(diǎn)的平均覆蓋速率的1/3。

以LTE發(fā)展最為活躍的美、日、韓為例，PCMagazine測試報(bào)告：北美LTE FDD網(wǎng)絡(luò)中AT&T性能較好（15MHz帶寬），但只有17Mbit/s的平均速率和8Mbit/s的連續(xù)覆蓋速率，仍有一定的優(yōu)化空間。相對而言，Signals Research在東京和首爾的測試結(jié)果更優(yōu)異：其中東京為軟銀TDD LTE商用網(wǎng)絡(luò)，平均速率和連續(xù)覆蓋速率為31Mbit/s和10Mbit/s；而LGU+在首爾應(yīng)用3GPP Rel-10的載波聚合（10+10MHz帶寬）技術(shù)后達(dá)到了62Mbit/s的平均速率和20Mbit/s的連續(xù)覆蓋速率，為業(yè)界樹立了新的性能標(biāo)桿。

測試片區(qū)及測試工具和方法

如本文開始所討論，部署頻段、供貨廠商、采購設(shè)備、站址條件、應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)等差異將導(dǎo)致各運(yùn)營商的LTE網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)不盡相同。為此，我們選擇了中國南方某省的一個(gè)LTE FDD建設(shè)示范區(qū)域進(jìn)行測試，其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)可被視為預(yù)商用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。示范區(qū)如下圖藍(lán)色虛線框所示，9個(gè)連片的基站，帶寬20MHz (1.8G)，平均站間距950米，覆蓋面積6平方公里，平均站高32米。測試地點(diǎn)情況如圖3所示。

測試使用了兩類終端，分別為Quanta D2 (CAT3)，HISI E5375 (CAT4)。測試軟件使用CDS7.1版本。對于上下行速率測試采用單UE在網(wǎng)絡(luò)中分開進(jìn)行上下行測試的方法，其中下行使用FTP業(yè)務(wù)，上行使用UDP業(yè)務(wù)。

測試結(jié)果

本次道路測試線路以及通過CAT3 UE獲得的CRS-RSRP和CRS-SINR打點(diǎn)圖如圖4所示，可見該片區(qū)的覆蓋優(yōu)化狀態(tài)良好。

采用CAT3 UE進(jìn)行道路測試獲得的上下行PDCP速率分布如圖5所示。

上述測試結(jié)果為采用CAT3和CAT4兩類終端獲得各性能指標(biāo)累積分布函數(shù)CDF中50%點(diǎn)即統(tǒng)計(jì)平均的數(shù)值。考慮CAT3和CAT4兩類終端進(jìn)行測試是因?yàn)椋寒?dāng)前商用終端大多為CAT3，其測試結(jié)果代表了大多數(shù)終端的用戶體驗(yàn)；而CAT4終端具有更高能力，可以充分體現(xiàn)出測試片區(qū)的網(wǎng)絡(luò)承載潛力。

實(shí)際商用網(wǎng)絡(luò)中，由于多用戶聯(lián)合調(diào)度以及小區(qū)間一定程度干擾等因素的存在，通常平均速率為理論峰值速率的三分之一左右，以CAT3 UE為例，約為100/3=33Mbit/s，與本文第二章給出的應(yīng)用覆蓋推薦均值所對應(yīng)。表格中好色高亮所示的測試結(jié)果遠(yuǎn)好于該指標(biāo)是由于該片區(qū)經(jīng)過了深度優(yōu)化，其20MHz系統(tǒng)帶寬性能與本文第二章第三方咨詢機(jī)構(gòu)展示的LGU+在首爾應(yīng)用了載波聚合（10+10MHz帶寬）后速率基本一致，相互印證。

除了以上提到的深度優(yōu)化等專業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)外，還有一些通用方法可改善應(yīng)用覆蓋以進(jìn)一步提升更優(yōu)異的用戶體驗(yàn)，簡單羅列如下，以供參考。

● 應(yīng)用更多系統(tǒng)帶寬以及載波聚合，韓國、日本等國家尤為突出。韓國三大運(yùn)營商均已完成了雙載波以及10+10MHz載波聚合商用，最新獲得的第三個(gè)頻點(diǎn)也將盡快應(yīng)用，甚至各別運(yùn)營商在未來5年內(nèi)規(guī)劃到了第7個(gè)頻點(diǎn)。

● 采用更先進(jìn)功能以提高頻譜效率如多天線技術(shù)應(yīng)用與增強(qiáng)、上行多點(diǎn)聯(lián)合調(diào)度COMP等，其主要目的是解決相對較高網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷下的小區(qū)間干擾問題，通過聯(lián)合調(diào)度將鄰小區(qū)較強(qiáng)干擾信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏眯盘栆灾攸c(diǎn)改善小區(qū)邊界的終端用戶體驗(yàn)。

● 除頻譜和軟件功能外，縮短終端與網(wǎng)絡(luò)天線端口的距離也是行之有效的異構(gòu)組網(wǎng)發(fā)展方向，具體來講，如在話務(wù)量密集區(qū)域引入小基站并與所屬宏基站進(jìn)行良好協(xié)調(diào)。

圖5 采用CAT3 UE進(jìn)行道路測試獲得的上下行PDCP速率分布

圖6 愛立信2T2R產(chǎn)品與友商2T4R產(chǎn)品的性能比較

圖7 加拿大某運(yùn)營商AWS (2.1G) 頻段10MHz帶寬 LTE FDD網(wǎng)絡(luò)測得的產(chǎn)品性能比較曲線

● 對于LTE發(fā)展較慢或覆蓋不佳的運(yùn)營商，可以在部署過程中加強(qiáng)LTE與現(xiàn)網(wǎng)2G/3G的網(wǎng)間互操作和負(fù)載均衡等多網(wǎng)融合技術(shù)。

產(chǎn)品性能

為衡量愛立信LTE產(chǎn)品性能及業(yè)界水平，我們與某國內(nèi)領(lǐng)先設(shè)備商的產(chǎn)品性能進(jìn)行外場對比測試，測試終端與方法同上。測試片區(qū)情況為：站間距約為600米，73個(gè)站中絕大多數(shù)為2T4R產(chǎn)品。

圖6展示了愛立信2T2R產(chǎn)品與友商2T4R產(chǎn)品的性能比較，測試結(jié)果顯示：在覆蓋中差情況下兩產(chǎn)品性能接近：良好覆蓋情況下愛立信產(chǎn)品穩(wěn)定而友商性能較差且波動嚴(yán)重。理論上講，2T4R產(chǎn)品比2T2R產(chǎn)品多一倍的接收通道，可獲得3dB左右的接收分集增益。這與愛立信在全球不同網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行類似產(chǎn)品性能的對等測試的結(jié)論相同，即愛立信的上行鏈路具有至少3dB的性能優(yōu)勢。

圖7是加拿大某運(yùn)營商AWS (2.1G)頻段10MHz帶寬 LTE FDD網(wǎng)絡(luò)測得的產(chǎn)品性能比較曲線，該曲線在對不同友商的產(chǎn)品性能對比中具有典型特性。愛立信2T2R比該友商的2T2R至少高出3dB，并且在良好的無線條件下上行速率要好過友商的2T2R約25%。

這3dB優(yōu)勢是一個(gè)綜合結(jié)果，受益于愛立信在硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用了高于3GPP標(biāo)準(zhǔn)及競爭對手的設(shè)計(jì)目標(biāo)值、選用了性能更好的器件、更穩(wěn)健而高效的調(diào)度算法、更為專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化服務(wù)以及更為充分的端到端性能驗(yàn)證等。這一優(yōu)勢可以為運(yùn)營商在CAPEX和OPEX節(jié)省大量投入。

結(jié)語

本文討論了LTE的理論峰值與對應(yīng)信噪比的關(guān)系，通過國內(nèi)某運(yùn)營商預(yù)商用網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果與全球領(lǐng)先運(yùn)營商的商用性能進(jìn)行了橫向?qū)Ρ?，并通過對比測試展示了愛立信LTE產(chǎn)品性能優(yōu)勢。愛立信認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)是體現(xiàn)運(yùn)營商差異化的重要指標(biāo)。目前，愛立信在全球有大約50%的LTE市場份額，正是歸功于優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)性能。我們希望在中國市場上同樣展示出優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)性能，服務(wù)于中國運(yùn)營商和中國用戶。

表 測試結(jié)果