胡恒杰 趙旭凇 徐德平 張華 張炎炎

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100080）

在TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，頻率使用策略、多天線方案選擇、調(diào)度算法在仿真中的實(shí)現(xiàn)以及基站傳輸帶寬需求等幾個(gè)問題對(duì)網(wǎng)絡(luò)部署具有很重要的意義。本文對(duì)上述4個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析和探討，并給出了現(xiàn)階段條件下的應(yīng)用策略和建議。

1 TD-LTE頻率使用方案

TD-LTE的頻率使用策略在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中具有至關(guān)重要的作用，它直接影響著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式、主設(shè)備及天線等設(shè)備形態(tài)和選型、終端產(chǎn)品開發(fā)及進(jìn)程等多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

現(xiàn)階段能夠供TD-LTE系統(tǒng)使用的頻段和使用場(chǎng)景如下：

（1） F頻段（1880～1900MHz，預(yù)計(jì)今后可使用1880～1920MHz）：室內(nèi)外場(chǎng)景均可使用；

（2） E頻段（2320～2350MHz）：只能在室內(nèi)場(chǎng)景應(yīng)用；

（3） D頻段（2570～2620MHz）：室內(nèi)外場(chǎng)景均可使用。

1.1 各頻段覆蓋差異

無線信號(hào)頻段不同，由于空間傳播的衰減程度以及穿透損耗等方面的差異造成覆蓋能力不同。

TD-LTE系統(tǒng)在室外可采用F、D兩個(gè)頻段，以COST 231密集市區(qū)傳播環(huán)境為例說明兩頻段的差異情況。通過計(jì)算得出，F(xiàn)頻段覆蓋半徑為D頻段1.64倍。按照覆蓋相同面積原則，將相對(duì)半徑關(guān)系進(jìn)行折算，F(xiàn)頻段需要站點(diǎn)數(shù)僅為D頻段站點(diǎn)數(shù)的43%。

與D頻段相比，F(xiàn)頻段傳播損耗、穿透損耗相對(duì)較小，可節(jié)省一半以上的基站數(shù)，因此，能夠節(jié)省大量資金投入、極大降低建設(shè)難度。

1.2 各頻段與TD-SCDMA共站差異

通過TD-LTE基站與TD-SCDMA基站覆蓋對(duì)比，得到如下主要結(jié)論：

TD-LTE采用D頻段覆蓋：與TD-SCDMA共站不能連續(xù)覆蓋，需要增加站址密度，由于目前正面臨選址難的現(xiàn)實(shí)問題，因此，采用D頻段連續(xù)覆蓋僅僅通過增加投資尚不能完全解決，會(huì)嚴(yán)重影響工程建設(shè)進(jìn)度，后續(xù)很可能將帶來一定的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量問題；

TD-LTE采用F頻段覆蓋：與現(xiàn)有TD-SCDMA共站下覆蓋較好，即工程實(shí)施中與TD-SCDMA共站建設(shè)，基本不需額外新選站址。同時(shí)，F(xiàn)頻段覆蓋能力明顯強(qiáng)于D頻段，覆蓋半徑可增加約40%，節(jié)省投資。

1.3 各頻段干擾共存條件

（1） F 頻段（1880～ 1920MHz）。

可實(shí)現(xiàn)與GSM、DCS、WCDMA、cdma2000、TDSCDMA 等系統(tǒng)共存、共址；

與TD-SCDMA系統(tǒng)鄰頻共存時(shí)，在保證上下行時(shí)隙同步時(shí)，可實(shí)現(xiàn)共存、共址；

低端被DCS干擾，通過分析和實(shí)際測(cè)試，1890MHz往上使用干擾很小，可以忽略；

高端對(duì)cdma2000系統(tǒng)造成干擾，需要F頻段退5MHz使用。

（2） D頻段（2570～2620MHz）：可實(shí)現(xiàn)與其他通信系統(tǒng)共存。

（3） E 頻段（2570～ 2620MHz）。

由于TD-LTE與TD-SCDMA共用2320～2370MHz頻段，與TD-SCDMA系統(tǒng)上下行時(shí)隙同步時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)共存、共址。

與WLAN的干擾情況較為嚴(yán)重，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中可采用WLAN末端合路、提高濾波精度、限制設(shè)備參數(shù)的方式規(guī)避。

1.4 主設(shè)備支持情況

由于LTE系統(tǒng)取消了RNC，因此，無線系統(tǒng)的主設(shè)備僅包括BBU、RRU兩部分：

（1）BBU設(shè)備：目前F、E、D頻段主設(shè)備均已支持；F、E頻段支持在現(xiàn)有TD-SCDMA設(shè)備上軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)。

（2）RRU設(shè)備：存在以下幾種情況：

F頻段：支持在現(xiàn)有TD-SCDMA設(shè)備上軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)；

E頻段：支持在現(xiàn)有TD-SCDMA設(shè)備上軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)；

D頻段：由于目前正在評(píng)估F/A/D寬頻天線性能，考慮到其技術(shù)上的實(shí)際困難和可能帶來的性能損失，初步建議D頻段采用獨(dú)立天饋方式部署，同時(shí)，建議D頻段采用獨(dú)立RRU設(shè)備。

1.5 小結(jié)

根據(jù)TD-LTE可用頻譜、不同頻段的覆蓋能力、干擾分析以及設(shè)備支持情況等多方面進(jìn)行了研究，得出了現(xiàn)階段TD-LTE的頻率使用方案和組網(wǎng)建議：

（1）室內(nèi)采用E頻段組網(wǎng)，與TD-SCDMA共用2320～2370Hz頻段；

（2）室外采用D頻段，積極探討F頻段在后續(xù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的應(yīng)用；

（3）在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)部署中，建議采用20MHz帶寬同頻組網(wǎng)。

2 TD-LTE系統(tǒng)中多天線方案比較

多天線技術(shù)能夠有效的提高系統(tǒng)吞吐量，增加頻譜效率，提升用戶體驗(yàn)，因而成為TD-LTE系統(tǒng)中重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。但是，由于多天線技術(shù)的多樣化和不同技術(shù)所使用的場(chǎng)景不同，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了多種的天線技術(shù)的傳輸模式。在運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行設(shè)備選擇時(shí)，就需要選擇合適的傳輸模式以保證投資回報(bào)比最高。

TD-LTE R9協(xié)議中規(guī)定了8種多天線傳輸方式，但是通過分析可知，頻譜效率較高且更易于實(shí)際應(yīng)用的傳輸方式主要有3種，即：傳輸方式4（主傳輸方式為閉環(huán)空間復(fù)用），傳輸方式7（基于專用導(dǎo)頻的單流波束賦形）和傳輸方式8（基于雙端口導(dǎo)頻的雙流波束賦形）。下面將針對(duì)這3種傳輸方式進(jìn)行性能分析，并對(duì)現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提出相關(guān)建議。

2.1 仿真比較

為了仿真的公平性，在進(jìn)行仿真之前，需要首先進(jìn)行仿真參數(shù)的校準(zhǔn)。本次仿真使用的主要參數(shù)如下：仿真場(chǎng)景選擇了密集市區(qū)和一般城區(qū)。采用六邊形小區(qū)、19個(gè)站址57個(gè)小區(qū)的模型，載波頻率為2.6GHz，穿透損耗模型為經(jīng)過重新校準(zhǔn)的COST 231模型，穿透損耗20dB。不考慮使用ICIC算法，即小區(qū)頻率復(fù)用因子為1，10用戶均勻分布。其余細(xì)節(jié)仿真參數(shù)不在此詳述。

仿真中所考慮的場(chǎng)景較多，本文僅列出密集城區(qū)仿真結(jié)果中的下行頻譜效率增益進(jìn)行對(duì)比。

圖1 各廠家密集城區(qū)下行小區(qū)頻譜效率8天線性能增益對(duì)比

圖1給出了3個(gè)不同廠商設(shè)備在密集城區(qū)環(huán)境中下行小區(qū)頻譜效率的仿真結(jié)果，其中柱1表示兩天線仿真結(jié)果，柱2表示8天線單流仿真結(jié)果，柱3表示8天線雙流仿真結(jié)果。由圖可知，其中圖（1）和（3）的仿真結(jié)果顯示8天線單流波束賦形較2天線傳輸方式4的性能略有下降，而8天線雙流波束賦形則會(huì)有一定提升，但提升效果不明顯。但圖（2）則顯示8天線性能較2天線有較明顯的提升，其中雙流波束賦形的性能增益幾乎可以達(dá)到雙天線性能的2倍。

圖2 各廠家密集城區(qū)下行小區(qū)邊緣用戶頻譜效率8天線性能增益對(duì)比

圖2給出了3個(gè)不同廠商設(shè)備在密集城區(qū)環(huán)境中下行小區(qū)邊緣用戶頻譜效率的仿真結(jié)果，其中柱1表示兩天線仿真結(jié)果，柱2表示八天線單流仿真結(jié)果，柱3表示八天線雙流仿真結(jié)果。由圖可知，其中圖（1）和（2）的仿真結(jié)果均顯示8天線波束賦形較2天線傳輸方式4在小區(qū)邊緣用戶的性能上有明顯的提升，其頻譜效率的提升達(dá)到100%～150%。但圖（3）則給出了不同的結(jié)論，即8天線較2天線性能提升有限，僅能達(dá)到15%～24%。

2.2 小結(jié)

通過以上分析，由仿真性能比較可知，在進(jìn)行仿真條件校準(zhǔn)的前提下，各廠商設(shè)備在8天線設(shè)備較2天線設(shè)備的性能增益上表現(xiàn)有較大差異。因此，現(xiàn)階段需要針對(duì)2/8天線性能進(jìn)行專項(xiàng)對(duì)比測(cè)試，進(jìn)一步研究確定其對(duì)組網(wǎng)性能的影響。

3 調(diào)度算法在TD-LTE仿真中的應(yīng)用

與TD-SCDMA相比，TD-LTE在實(shí)現(xiàn)技術(shù)上有很大改進(jìn)，如鄰區(qū)干擾消除、MIMIO技術(shù)和業(yè)務(wù)調(diào)度的引入。因此，在LTE規(guī)劃仿真中，業(yè)務(wù)調(diào)度是必不可少的一部分功能，同時(shí)也是LTE規(guī)劃仿真的核心技術(shù)；從規(guī)劃仿真技術(shù)角度看，LTE規(guī)劃仿真中業(yè)務(wù)調(diào)度的地位等同于CDMA規(guī)劃仿真中的功率控制。

3.1 調(diào)度算法在LTE系統(tǒng)中的作用

LTE系統(tǒng)eNode B負(fù)責(zé)管理上行和下行鏈路的資源調(diào)度。其目標(biāo)是在滿足盡可能多的用戶條件下，同時(shí)盡量滿足業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量需求（QoS）。

通常調(diào)度算法需要信道狀態(tài)信息和業(yè)務(wù)測(cè)量信息作為依據(jù)，這些信息eNode B直接測(cè)量得到，也可以通過反饋信令。信令反饋通常會(huì)更準(zhǔn)確的反映信道狀態(tài)和業(yè)務(wù)信息；另一方面則需要一定的資源開銷。

3.2 規(guī)劃仿真的多用戶調(diào)度實(shí)現(xiàn)

目前常用的多用戶調(diào)度算法分為兩類：（1）最大速率調(diào)度。 （2）比例公平調(diào)度。最大速率調(diào)度是指只有擁有信道條件的用戶才被調(diào)度，但缺乏用戶的公平性。通常調(diào)度算法會(huì)采用比例公平方式，這種調(diào)度方式是在考慮了用戶間調(diào)度的公平性的基礎(chǔ)上，提升小區(qū)的吞吐量。

調(diào)度算法會(huì)影響小區(qū)的吞吐量，小區(qū)吞吐量是也LTE規(guī)劃仿真的重要輸出指標(biāo)。為保證仿真結(jié)果的可靠性和可信性，LTE規(guī)劃仿真必須引入多用戶的調(diào)度。經(jīng)過大量研究和驗(yàn)證，本文提出適于規(guī)劃仿真實(shí)現(xiàn)的如圖3調(diào)度算法和流程。

圖3 調(diào)度算法流程圖

如圖3中所示，首先要進(jìn)行調(diào)度預(yù)處理，也稱為調(diào)度預(yù)熱。因?yàn)榈谝淮握{(diào)度沒有歷史信息，需要進(jìn)行預(yù)處理用于生成正式調(diào)度所需的歷史流量和SINR。預(yù)處理的具體方式是進(jìn)行N次迭代處理，其結(jié)果即可作為正式調(diào)度前所需的數(shù)據(jù)；然后進(jìn)行上/下行業(yè)務(wù)調(diào)度。上下行的調(diào)度方式相同；調(diào)度流程為：優(yōu)先級(jí)排序-〉RB資源分配-〉記錄調(diào)度結(jié)果-〉收斂判決。

3.3 基于時(shí)間調(diào)度的收斂判決方法

容量仿真是規(guī)劃仿真的重要組成部分，是評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)。容量仿真采用蒙特卡羅仿真方法，通過一定的規(guī)則不斷迭代使其達(dá)到平穩(wěn)分布，作為最終的輸出結(jié)果?，F(xiàn)有3G各制式均基于CDMA技術(shù)，CDMA系統(tǒng)以功率控制為核心，在CDMA無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真中，使用蒙特卡羅仿真收斂的判決條件是系統(tǒng)中各網(wǎng)元發(fā)射功率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

LTE系統(tǒng)以調(diào)度為核心，經(jīng)過大量研究和驗(yàn)證，本文提出在LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真中，使用蒙特卡羅仿真收斂的判決條件是所有小區(qū)吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。只有穩(wěn)定狀態(tài)的仿真結(jié)果才能夠真實(shí)的反映當(dāng)前狀態(tài)下LTE網(wǎng)絡(luò)容量。

具體方法為：將區(qū)域內(nèi)所有小區(qū)均收斂作為一次快照的輸出結(jié)果，為得到網(wǎng)絡(luò)平均性能，蒙特卡羅仿真是以統(tǒng)計(jì)多次快照的平均結(jié)果作為網(wǎng)絡(luò)性能。判斷小區(qū)收斂有兩個(gè)條件：（1）小區(qū)整體吞吐量收斂；（2）小區(qū)邊緣吞吐量收斂。而小區(qū)邊緣吞吐量和小區(qū)吞吐量收斂判決流程相同，區(qū)別在于計(jì)算吞吐量時(shí)，只考慮邊緣用戶。

3.4 小結(jié)

LTE規(guī)劃仿真中，采用本文提出的多用戶調(diào)度算法及基于調(diào)度機(jī)制吞吐量的變化率作為仿真收斂的依據(jù)，能夠真實(shí)的反映給定條件下的LTE網(wǎng)絡(luò)性能。

4 TD-LTE基站傳輸帶寬需求

在北京懷柔以及上海世博的TD-LTE試驗(yàn)網(wǎng)的測(cè)試中，TD-LTE的峰值速率均可以達(dá)到每小區(qū)80Mbit/s左右的理論傳輸速率。更高的傳輸速率決定了無線基站所需要的傳輸帶寬要求更高，而無線基站傳輸帶寬要求的不同，也決定了對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)要求的不同。

4.1 峰值傳輸帶寬計(jì)算

根據(jù)TD-LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以看到，eNode B基站的總傳輸帶寬需求包括S1用戶平面的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)帶寬需求、S1控制平面的信令傳輸帶寬需求、X2用戶平面的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)帶寬需求和X2控制平面的信令傳輸帶寬需求幾部分。

具體計(jì)算公式為：

eNode B總帶寬需求=（S1用戶平面帶寬需求+X2用戶平面帶寬需求）×扇區(qū)數(shù)＋S1控制平面帶寬需求+ X2控制平面帶寬需求＋其他開銷帶寬

從上面的公式可知，要計(jì)算基站的峰值傳輸帶寬，需要計(jì)算單小區(qū)的峰值速率。目前，單小區(qū)峰值速率計(jì)算有兩種方法。

方法一是采用單時(shí)隙承載的bit數(shù)進(jìn)行計(jì)算。首先分別計(jì)算一定帶寬和調(diào)制方式下的子幀時(shí)隙和特殊時(shí)隙的所能承載的bit數(shù)，然后根據(jù)時(shí)隙配比、MIMO方式計(jì)算單小區(qū)的峰值速率。

方法二是采用最大TBsize的方式進(jìn)行計(jì)算。首先根據(jù)RB數(shù)量及下行調(diào)制階數(shù)確定下行時(shí)隙的Tbsize ，根據(jù)RB數(shù)量及上行調(diào)制階數(shù)確定上行時(shí)隙的Tbsize以及特殊子幀的Tbsize ，然后在分別計(jì)算上下行的峰值速率。

這樣，如果采用方法一的計(jì)算結(jié)果，一個(gè)TD-LTE基站的峰值傳輸帶寬需求可以按照表1計(jì)算。

表1所計(jì)算的是一個(gè)TD-LTE基站的峰值傳輸帶寬需求，在實(shí)際的傳輸網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè)中，為了保證傳輸網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)效益，一般不按照峰值傳輸帶寬進(jìn)行傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，而是按照一定的方式來計(jì)算基站的保證帶寬需求。

4.2 保證傳輸帶寬計(jì)算

在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，由于無線傳播環(huán)境的差異以及用戶分布位置不同等原因，用戶終端不可能都按照峰值速率工作。如果按照峰值傳輸帶寬進(jìn)行傳輸網(wǎng)絡(luò)的的建設(shè)，將會(huì)造成很大的傳輸資源浪費(fèi)。所以為了保證傳輸網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)效益，一般按照一定的方式來計(jì)算基站的保證帶寬需求，按照保證帶寬需求進(jìn)行傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)。

保證帶寬的計(jì)算有采用多種方式，可以根據(jù)峰值帶寬按照一定的收斂比計(jì)算，也可以按照峰值和平均值進(jìn)行配比計(jì)算，還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)仿真進(jìn)行估算。

4.2.1 根據(jù)峰值帶寬按照收斂比計(jì)算

根據(jù)峰值按照收斂比進(jìn)行計(jì)算的方法是在實(shí)際配置傳輸接口時(shí)，考慮不同的收斂比進(jìn)行計(jì)算。

表1 傳輸帶寬需求

在實(shí)際帶寬需求大的場(chǎng)景下應(yīng)設(shè)置較小的收斂比，甚至是不設(shè)置收斂比；在實(shí)際帶寬需求較小的場(chǎng)景下可以設(shè)置較大的收斂比。

4.2.2 按照峰值和平均值進(jìn)行配比計(jì)算

按照峰值和平均值進(jìn)行配比計(jì)算的計(jì)算方法，是在實(shí)際配置傳輸接口時(shí)根據(jù)平均值和峰值配比進(jìn)行計(jì)算。

4.2.3 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)仿真進(jìn)行估算

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)仿真進(jìn)行估算的方法，是在一定的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)條件下，考慮相應(yīng)的業(yè)務(wù)需求，利用仿真工具對(duì)TDLTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，得到網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)基站的上下行的平均吞吐量，考慮一定的傳輸倍增系數(shù)，再加上相應(yīng)的控制平面帶寬需求，從而得到該TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中基站實(shí)際所需要的帶寬。但仿真結(jié)果將因仿真條件的變化，仿真工具算法的差異而有所不同。

5 小結(jié)

前面給出了TD-LTE基站的峰值傳輸帶寬的計(jì)算方法，然后在峰值傳輸帶寬的基礎(chǔ)上，給出了3種保證帶寬的計(jì)算方法，對(duì)TD-LTE基站的傳輸帶寬需求進(jìn)行了分析。3種保證帶寬的計(jì)算方法所計(jì)算出來的結(jié)果相差較大，在TD-LTE實(shí)際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，推薦在方法三的基礎(chǔ)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置需求。

[1]3GPP TS 36.211 V8.8.0, Physical Channels and Modulation

[2]3GPP TS 36.212 V9.0.0, Multiplexing and Channel Coding

[3]3GPP TS 36.213 V9.0.1, Physical Layer Procedures

[4]3GPP TS 36.201 :Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Long Term Evolution (LTE) Physical Layer; General Description

[5]3GPP TS 36.300: Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)and Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRAN); Overall description; Stage 2

[6]沈嘉，索士強(qiáng)，全海洋，趙訓(xùn)威，胡海靜，姜怡華. 3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：人民郵電出版社

[7]趙訓(xùn)威, 林輝, 張明, 姜怡華, 張鵬, 岳然, 李國(guó)榮. 3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)規(guī)范. 北京：人民郵電出版社