中國(guó)普天信息產(chǎn)業(yè)北京通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院 李江浩 劉 軍 李 果

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TD-LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與仿真應(yīng)用

中國(guó)普天信息產(chǎn)業(yè)北京通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院 李江浩 劉 軍 李 果

【摘要】隨著中國(guó)4G牌照的正式發(fā)布，LTE制式網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)無(wú)疑成為了諸多建設(shè)環(huán)節(jié)中的重中之重，其中網(wǎng)絡(luò)仿真的水平與成品網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量有著密不可分的關(guān)系。如何正確的在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中合理的使用仿真軟件成為了許多規(guī)劃設(shè)計(jì)人員需要考慮的問(wèn)題，文章就TD-LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及仿真應(yīng)用給出了指導(dǎo)和建議。

【關(guān)鍵詞】TD-LTE；規(guī)劃；仿真；傳播模型

0 前言

針對(duì)用戶(hù)持續(xù)提升的業(yè)務(wù)需求，3GPP推出了EPS演進(jìn)分組系統(tǒng)：LTE-無(wú)線接口長(zhǎng)期演進(jìn)和SAE-系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)。LTE系統(tǒng)具有更高的頻譜效率、傳輸速率和較低的時(shí)延性能。LTE作為現(xiàn)有3G通信系統(tǒng)向4G演進(jìn)的路線和方向，共分為兩個(gè)版本：TDD和FDD分別為T(mén)D-SCDMA的長(zhǎng)期演進(jìn)方向，CDMA2000和WCDMA的長(zhǎng)期演進(jìn)方向。

1 概述

中國(guó)工信部于2013年12月4日向中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司、中國(guó)電信集團(tuán)公司和中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司頒發(fā)“LTE/第四代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信業(yè)務(wù)（TD-LTE）”經(jīng)營(yíng)許可。中國(guó)移動(dòng)獲得130MHz頻譜資源，分別為1880 -1900 MHz、2320-2370 MHz、2575-2635 MHz；中國(guó)聯(lián)通獲得40MHz頻譜資源，分別為2300-2320 MHz、2555-2575 MHz；中國(guó)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)無(wú)疑成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。規(guī)劃作為設(shè)計(jì)工作的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)深層次處理而得出規(guī)劃目標(biāo)站點(diǎn)，然后進(jìn)行仿真優(yōu)化后的工程參數(shù)輸出，最通過(guò)工程優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的再次矯正，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

對(duì)于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵指標(biāo)包括覆蓋指標(biāo)、邊緣用戶(hù)速率、塊差錯(cuò)率目標(biāo)值等。其網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程大致可劃分為：需求分析、網(wǎng)絡(luò)預(yù)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(gòu)

TD-LTE系統(tǒng)架構(gòu)分為兩部分：EPC和E-UTRAN。如圖1所示，與3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，TD-LTE僅由eNodeB組成，提供到UE的E-UTRAN控制平面與用戶(hù)平面的協(xié)議終止點(diǎn)。eNodeB之間通過(guò)X2接口相連，eNodeB通過(guò)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(luò)架構(gòu)相比，接入網(wǎng)僅包括eNodeB一種邏輯節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加趨于扁平化。

圖1 TD-LTE系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 TD-LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃分為核心網(wǎng)規(guī)劃和無(wú)線接入網(wǎng)規(guī)劃。本文主要研究無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，其主要任務(wù)是根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)、射頻要求、無(wú)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(mǎn)足覆蓋、容量及質(zhì)量要求。TD-LTE主要關(guān)鍵技術(shù)為OFDM（正交頻分復(fù)用）和MIMO（多輸入/多輸出），其規(guī)劃特點(diǎn)如下：

● 覆蓋特點(diǎn)

相對(duì)于TD-SCDMA系統(tǒng)的專(zhuān)用信道方式，通過(guò)鏈路預(yù)算得到覆蓋范圍。TD-LTE系統(tǒng)中業(yè)務(wù)信道為共享方式，所以需要先確定邊緣用戶(hù)最低保障速率，根據(jù)速率要求和資源分配進(jìn)行鏈路預(yù)算，確定覆蓋范圍；此外，其多天線技術(shù)也會(huì)對(duì)覆蓋產(chǎn)生直接的影響。

覆蓋規(guī)劃首先需要確定鏈路預(yù)算的系統(tǒng)配置，如：系統(tǒng)帶寬、每小區(qū)用戶(hù)數(shù)、天線模式等。在此基礎(chǔ)上，還需確定小區(qū)邊緣用戶(hù)的保障速率，及分配到的RB數(shù)（resource block）。系統(tǒng)平均帶寬開(kāi)銷(xiāo)可以折算得到每個(gè)RB所需要承載的bit數(shù)，從而確定需求的SINR，作為接收機(jī)信號(hào)強(qiáng)度預(yù)算的輸入值，SINR是覆蓋估算中最為關(guān)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(jī)、接收機(jī)，附加損耗等參數(shù)，通過(guò)計(jì)算信道最大路徑損耗，得出信道的覆蓋半徑。

● 容量特點(diǎn)

對(duì)于任何無(wú)線通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，頻率資源是系統(tǒng)容量最根本的決定因素。通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)提高頻譜利用率，增加系統(tǒng)容量是無(wú)線通信系統(tǒng)的重中之重。

在TD-LTE系統(tǒng)中，用戶(hù)可以從時(shí)域、頻域、空域和碼域復(fù)用空中接口資源。在帶寬一定的情況下，系統(tǒng)的容量與時(shí)頻分割的物理資源塊數(shù)、資源單元數(shù)相關(guān)；在空域與無(wú)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(guān)；擴(kuò)頻調(diào)制信道與可用碼資源相關(guān)。

該系統(tǒng)空中接口分為控制面及用戶(hù)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(guān)；用戶(hù)面承載用戶(hù)上下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，其容量與業(yè)務(wù)信道資源配置、業(yè)務(wù)質(zhì)量要求（QoS）、編碼調(diào)制方式（MCS）、無(wú)線信道傳播環(huán)境相關(guān)。

綜上所述，TD-LTE系統(tǒng)容量分析特點(diǎn)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(jié)構(gòu)及時(shí)隙配比、控制信道與業(yè)務(wù)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(wù)質(zhì)量要求、信道環(huán)境、干擾水平等時(shí)變因素密切相關(guān)，動(dòng)態(tài)地變化；

（3）網(wǎng)絡(luò)硬件的處理能力對(duì)于系統(tǒng)容量的影響不可忽視；因此，對(duì)于TD-LTE系統(tǒng)的容量分析應(yīng)客觀根據(jù)時(shí)變條件對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，在理論估算系統(tǒng)容量的基礎(chǔ)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)或系統(tǒng)仿真的方式進(jìn)行調(diào)整修正，逼近網(wǎng)絡(luò)實(shí)際容量。

● 參數(shù)規(guī)劃特點(diǎn)

TD-LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(guò)頻率復(fù)用，使得可以使用較少的頻率資源達(dá)到覆蓋要求。

PCI碼資源規(guī)劃：與TD-SCDMA的擾碼規(guī)劃類(lèi)似，建議在覆蓋區(qū)交疊的相鄰小區(qū)不分配互相關(guān)性相對(duì)較高的碼字。

4 TD-LTE網(wǎng)絡(luò)仿真應(yīng)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(guó)Forsk 的Atoll軟件在TD-LTE仿真上的應(yīng)用做簡(jiǎn)單的介紹如下。該軟件是法國(guó) FORSK 公司開(kāi)發(fā)的,是一個(gè)全面的、基于Windows的、支持2G、3G、4G多種技術(shù)，用戶(hù)界面友好的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(chǎng)上第一個(gè)3G無(wú)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(shè)置：

√ 地圖：采用20/50米精度三維地圖；

√ 傳播模型為SPM模型；

√ 手機(jī)發(fā)射功率23dBm；

√ 小區(qū)發(fā)射功率43dBm；

√ 靜態(tài)業(yè)務(wù)負(fù)載：上行：50%；下行：50%；

√ MiMO模式：上行：分集；下行：分集；

√ TD LTE轉(zhuǎn)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(jié)果

其它示例圖：點(diǎn)分析示例：

仿真方法簡(jiǎn)述

仿真工程首先需要確定目標(biāo)覆蓋范圍，劃定預(yù)規(guī)劃區(qū)域。對(duì)于全新網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)預(yù)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的頻段結(jié)合當(dāng)?shù)氐孛蔡卣魍ㄟ^(guò)鏈路預(yù)算得到合理的站間距，按蜂窩結(jié)構(gòu)確定站點(diǎn)數(shù)量及位置（Nominal Site的概念），然后通過(guò)實(shí)地聯(lián)合勘察確定備選站點(diǎn)（Candidate Site，通常3-5個(gè)/站，建議搜索圈半徑根據(jù)不同場(chǎng)景約為50-200米），反饋勘察站點(diǎn)信息后再通過(guò)仿真軟件校驗(yàn)備選站點(diǎn)可行性；如果可行可交由談?wù)痉絽f(xié)同談定站點(diǎn)，如站址偏移過(guò)大需二次勘察選定并重復(fù)以上步驟直到仿真結(jié)果可行。站址勘察建議采用聯(lián)合勘察的機(jī)制，保證站點(diǎn)獲取成功率，減少重復(fù)工作量。對(duì)于既有網(wǎng)絡(luò)，可直接提取現(xiàn)網(wǎng)工程參數(shù)作為仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，適當(dāng)矯正，對(duì)新增擬覆蓋區(qū)域劃定并通過(guò)鏈路預(yù)算確定新增站點(diǎn)規(guī)模，中心站點(diǎn)坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，后續(xù)步驟同全新網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法。

但對(duì)于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，其主要功能為分流3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及覆蓋數(shù)據(jù)熱點(diǎn)區(qū)域，因此站點(diǎn)建設(shè)方式多為共站、共享，即直接在已有2G或3G站點(diǎn)上疊加。

以甘肅聯(lián)通為例，各地市TD-LTE站點(diǎn)建設(shè)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(diǎn)區(qū)域，這樣的呈現(xiàn)結(jié)果多為單點(diǎn)覆蓋或小范圍連片覆蓋。

針對(duì)TD-LTE的這種建設(shè)思路，我們?cè)诜抡嬷锌梢灾苯尤」こ虒?shí)勘中的站點(diǎn)工參直接作為仿真工參來(lái)進(jìn)行設(shè)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(dǎo)致其實(shí)際覆蓋效果較W2.1GHZ的頻段稍差，這樣就要求我們?cè)诠こ毯笃诘腄T測(cè)試中對(duì)其實(shí)際覆蓋區(qū)域進(jìn)行確認(rèn)，并進(jìn)行參數(shù)矯正優(yōu)化，工程優(yōu)化無(wú)法解決的弱覆蓋問(wèn)題可通過(guò)新增獨(dú)立RRU拉遠(yuǎn)配合特型增益天線來(lái)解決。

工程優(yōu)化DT測(cè)試效果

本工程網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完成后由網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方面取得的測(cè)試結(jié)果如下：

RSCP：

RSRP：

SINR：

由DT測(cè)試結(jié)果可以看出，預(yù)規(guī)劃區(qū)域邊緣RSCP、RSRP、SINR均為可接受范圍內(nèi)，對(duì)預(yù)期覆蓋目標(biāo)完成了有效覆蓋，規(guī)劃合理可行（由于涉及運(yùn)營(yíng)商保密性信息，本文在此對(duì)具體項(xiàng)目信息不再詳細(xì)描述，僅作為工程示例結(jié)果呈現(xiàn)）。

實(shí)測(cè)結(jié)果：下行平均速率71Mbps（峰值約85Mpbs-90Mbps），上行11Mbps。本次測(cè)試結(jié)果基于單站FTP測(cè)試得出，受無(wú)線環(huán)境、傳輸、終端等因素的影響，基本滿(mǎn)足理論值數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

本文強(qiáng)調(diào)了仿真部分在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)模型（實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)根據(jù)CW測(cè)試結(jié)果對(duì)傳播模型進(jìn)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(shuō)明使用Atoll軟件進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣遠(yuǎn).TD-LTE原理與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)[M].通信技術(shù),人民郵電出版社2012.

李江浩（1982-），男，遼寧沈陽(yáng)人，畢業(yè)于大連交通大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)任中國(guó)普天信息產(chǎn)業(yè)北京通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)部高級(jí)工程師，主要研究方向：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、仿真、優(yōu)化。

作者簡(jiǎn)介：