TD-LTE覆蓋能力綜合分析

肖清華，楊春德，張 堃（華信郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 前言

LTE網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)在于能夠更好地支持高速數(shù)據(jù)與多媒體業(yè)務(wù)，通過(guò)采用OFDM、SC-FDMA和MIMO等多種關(guān)鍵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)比目前2G/3G系統(tǒng)更快的數(shù)據(jù)速率、提供更高的小區(qū)容量，以及顯著降低用戶平面和控制平面的時(shí)延。

關(guān)于LTE系統(tǒng)覆蓋能力的研究文獻(xiàn)目前已經(jīng)很多，但大部分描述得并不詳細(xì)或者缺乏對(duì)比和結(jié)論性的分析。為了解決這些問(wèn)題，本文對(duì)TD-LTE上下行鏈路的覆蓋能力、不同鏈路業(yè)務(wù)和控制信道的覆蓋能力進(jìn)行了詳細(xì)的分析和對(duì)比，并對(duì)鏈路預(yù)算中某些特殊項(xiàng)的取值給出了原理性的闡述和分析。結(jié)合TD-HSDPA等類似數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)，對(duì)今后混合組網(wǎng)的平滑性也作了對(duì)比分析。

1 TD-LTE的幀結(jié)構(gòu)及最大覆蓋能力

TD-LTE 下 行 采 用 PBCH、PCFICH、PDCCH、PDSCH和PMCH物理信道，上行則采用PUCCH、PUSCH和PRACH物理信道。在進(jìn)行OFDM符號(hào)的傅利葉逆變換（IFFT）之后插入循環(huán)前綴（CP）以防止符號(hào)間干擾，其幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

TD-LTE最大覆蓋能力一方面與幀結(jié)構(gòu)中GP的配置長(zhǎng)度有關(guān)（與TD-SCDMA類似），另一方面取決于小區(qū)邊緣用戶的最大接入距離（PRACH信道配置）。

對(duì)于GP配置，參考TD-LTE的幀結(jié)構(gòu)，最大覆蓋距離MaxD1=C×GP/2，其中C為光速。表1示出的是不同特殊時(shí)隙的最大覆蓋距離。

圖1 TD-LTE幀結(jié)構(gòu)

表1 不同特殊時(shí)隙的最大覆蓋距離

圖2示出的是PRACH的結(jié)構(gòu)。

圖2 PRACH的結(jié)構(gòu)

此時(shí)最大覆蓋距離MaxD2=C×GT/2，其中GT為PRACH中的空余時(shí)隙長(zhǎng)度。表2示出的是PRACH的最大接入距離。

表2 PRACH的最大接入距離

取兩者最大值，得出TD-LTE的理論最大覆蓋距離 MaxD=max（MaxD1，MaxD2）。

2 TD-LTE上下行鏈路預(yù)算

TD-LTE系統(tǒng)的覆蓋能力與鏈路預(yù)算指標(biāo)緊密相聯(lián)，但與其他系統(tǒng)不同的是，TD-LTE在系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上支持更大的覆蓋極限，覆蓋目標(biāo)也具備多樣化，更多依賴于邊緣用戶的速率。在TD-LTE系統(tǒng)規(guī)范中定義了6種載波帶寬，用戶占用的子載波帶寬由系統(tǒng)分配，對(duì)覆蓋產(chǎn)生很大影響。此外，增加64QAM的高階調(diào)制、更豐富的編碼率，引入OFDM和MIMO技術(shù)等都會(huì)對(duì)TD-LTE的覆蓋能力產(chǎn)生影響。

2.1 TD-LTE鏈路預(yù)算流程

TD-LTE的鏈路預(yù)算涉及業(yè)務(wù)信道和控制信道，由于控制信道不涉及RB分配，與用戶數(shù)據(jù)速率無(wú)關(guān)，因此，在流程上比業(yè)務(wù)信道更簡(jiǎn)單（見(jiàn)圖3）。

由圖3可見(jiàn)，無(wú)論是業(yè)務(wù)信道還是控制信道的鏈路預(yù)算，均包括共性參數(shù)。

a）基本條件：系統(tǒng)帶寬、天線數(shù)和發(fā)射模式（如發(fā)射分集或波束賦形）、天線增益、發(fā)射功率、接收靈敏度等。

b）干擾余量、信噪比（SINR）等。

另外，業(yè)務(wù)信道還包括要承載的業(yè)務(wù)速率（小區(qū)邊緣用戶的流量要求）、RB數(shù)目分配等參數(shù)。

為表述方便，下文將以20 MHz信道帶寬（100個(gè)RB）、常規(guī)CP配置、終端1天線收發(fā)、基站2天線收發(fā)（SFBC+分集）為例進(jìn)行鏈路預(yù)算分析。對(duì)于小區(qū)功率，由于下行功率是均分在所有RB上的，業(yè)務(wù)分配功率與其占用的RB數(shù)目成正比。而上行則是所有eUe發(fā)送功率都給所占用的RB。所以本文假定下行小區(qū)功率配置在20 MHz帶寬下為46 dBm，上行eUe發(fā)射功率為24 dBm。

2.2 典型鏈路預(yù)算參數(shù)

典型參數(shù)包括干擾余量和目標(biāo)SINR（見(jiàn)圖3中黃色部分）。對(duì)于干擾余量，由于每個(gè)業(yè)務(wù)在多個(gè)RB上承載，實(shí)際占用帶寬是變化的，因此非常難以給出一個(gè)定值。通常情況下，由于TD-LTE的上行是快速功率控制，可以有效地控制干擾攀升，而下行是功率分配，不存在快速功控，干擾相對(duì)會(huì)大些。

圖3 TD-LTE鏈路預(yù)算流程

通過(guò)采用仿真得到不同條件下的單小區(qū) （無(wú)小區(qū)間干擾）、多小區(qū)邊緣吞吐率，然后得到給定邊緣吞吐率所對(duì)應(yīng)的單小區(qū)半徑和多小區(qū)半徑。最后通過(guò)空口路損模型，得到單小區(qū)半徑、多小區(qū)半徑所對(duì)應(yīng)的路損，兩者之差即為干擾余量。

假定小區(qū)邊緣用戶目標(biāo)吞吐量為THtar時(shí)，單小區(qū)邊緣用戶的信噪比為

同理，多小區(qū)邊緣用戶的信噪比為

Sreq和S分別表示單小區(qū)和多小區(qū)的覆蓋半徑，Itotal和PN則分別表示其干擾。

在相同小區(qū)覆蓋范圍（Sreq=S）的前提下，多小區(qū)邊緣用戶在滿足THtar吞吐量時(shí)的干擾余量為

具體結(jié)果如表3所示。

表3 干擾余量

對(duì)于SINR，一定的邊緣速率所需要的目標(biāo)SINR與用戶RB配置、MCS等級(jí)、傳輸模式、信道模型等有關(guān)。只有在確定相關(guān)的系統(tǒng)條件和配置，通過(guò)鏈路仿真獲取該信道的SINR。鏈路仿真顯示不同MCS下的SINR與MAC速率的關(guān)系（見(jiàn)圖4）。

不同業(yè)務(wù)速率對(duì)應(yīng)不同的RB分配，進(jìn)而需要不同的MAC速率承載，通過(guò)速率匹配，查詢所需要的調(diào)制編碼方式，則可以獲取SINR數(shù)值（見(jiàn)表4）。

此外，為方便下文的鏈路預(yù)算，再統(tǒng)一給出其他的常規(guī)參數(shù)（見(jiàn)表5）。

表4 不同配置下的SINR

表5 TD-LTE鏈路預(yù)算常規(guī)參數(shù)

2.3 上行TD-LTE鏈路預(yù)算

上行鏈路預(yù)算又可分為控制信道和業(yè)務(wù)信道的鏈路預(yù)算，兩者均適用于式（4）。

式中：

LUL——上行鏈路最大傳播損耗（dB）

PB——終端最大發(fā)射功率（dBm）

GB——基站天線增益（dBi）

GU——終端天線增益（dBi）

Lf——饋線損耗（dB）

Mf——陰影衰落余量（dB）

M1——干擾余量（dB）

Lp——建筑物穿透損耗（dB）

Lb——人體損耗（dB）

圖4 TD-LTE SINR鏈路仿真

SU——基站接收靈敏度（dBm）

a）上行鏈路預(yù)算（業(yè)務(wù)信道）。在取定上文的典型參數(shù)和常規(guī)參數(shù)的前提下，以64~1 000 kbit/s數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為例，給出TD-LTE上行鏈路的業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算（見(jiàn)表 6）。

b）上行鏈路預(yù)算（控制信道）。上行控制信道主要是PUCCH，包括Format1~Format2b等6種格式。當(dāng)采用Format2b格式時(shí)，使用QPSK+QPSK調(diào)制，總BIT數(shù)超過(guò)20，覆蓋距離是最短的（見(jiàn)表7）。

下文以Format2系列格式為例對(duì)上行控制信道的鏈路預(yù)算進(jìn)行說(shuō)明。由于大部分參數(shù)與業(yè)務(wù)信道相同，在此只列出不同部分（見(jiàn)表8）。

對(duì)比上行控制信道和業(yè)務(wù)信道的鏈路預(yù)算，可知：a）上行控制信道的覆蓋能力受限于PUCCH 2b。b）即便是PUCCH 2b，其覆蓋能力也好于上行業(yè)務(wù)信道，所以上行鏈路是業(yè)務(wù)信道PUSCH受限。

c）上行業(yè)務(wù)信道覆蓋范圍隨著小區(qū)邊緣目標(biāo)的速率增加而減少。

2.4下行TD-LTE鏈路預(yù)算

類似地，可先對(duì)下行鏈路進(jìn)行鏈路預(yù)算的分析。

式中：

LDL——下行鏈路最大傳播損耗（dB）

PB——基站最大發(fā)射功率（dBm）

SU——終端接收靈敏度（dBm）

a）下行鏈路預(yù)算（業(yè)務(wù)信道）。以64~2 000 kbit/s數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為例，具體鏈路預(yù)算參見(jiàn)表9。

b）下行鏈路預(yù)算（控制信道）。下行控制信道包括PBCH、PDCCH、PCFICH等，由于大部分參數(shù)與業(yè)務(wù)信道相同，在此只列出不同部分（見(jiàn)表10）。

對(duì)比下行控制信道和業(yè)務(wù)信道的鏈路預(yù)算，可知：

a）下行控制信道的覆蓋能力受限于PDCCH，PBCH能夠達(dá)到最優(yōu)覆蓋。

b）與下行業(yè)務(wù)信道相比，PDCCH覆蓋能力仍然受限，所以下行鏈路是PDCCH受限。

c）下行業(yè)務(wù)信道PDSCH覆蓋范圍隨著小區(qū)邊緣目標(biāo)的速率增加而減少。

3 TD-LTE的覆蓋能力綜合分析

圖5示出的是TD-LTE不同業(yè)務(wù)、不同信道、不同鏈路的覆蓋能力。

由圖5可知：

表6 TD-LTE上行業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算

表7 PUCCH格式

表8 TD-LTE上行控制信道與業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算差異

a）TD-LTE的上行信道受限于PUSCH，即業(yè)務(wù)信道。

b）TD-LTE的下行信道受限于PDCCH，即控制信道。

c）在上下行業(yè)務(wù)信道目標(biāo)速率相同時(shí)，PDSCH覆蓋優(yōu)于PUSCH，即上行業(yè)務(wù)受限。

d）對(duì)比上下行覆蓋范圍，TD-LTE系統(tǒng)覆蓋受限于PDCCH，即下行控制信道。

此外，為了更好地了解數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)TD-LTE與TD-HSDPA在覆蓋能力上的差異，本文在取定相同參數(shù)、區(qū)域類型的前提下給出TD-HSDPA的鏈路預(yù)算，（見(jiàn)表 11）。

表9 TD-LTE下行業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算

表10 TD-LTE下行控制信道與業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算預(yù)算差異

圖6示出的是TD-LTE與TD-HSDPA覆蓋能力對(duì)比。

由圖6可知：

a） 在相仿業(yè)務(wù)能力（TD-LTE 500 kbit/s、TD-HSDPA384 kbit/s）情況下，TD-LTE上下行業(yè)務(wù)信道要優(yōu)于TD-HSDPA。

b）在相同前提下，TD-LTE的上行控制信道覆蓋能力優(yōu)于TD-HSDPA，下行PUCCH 2b要略遜于HSHSCCH，但PBCH和PCFICH控制信道的覆蓋能力要優(yōu)于后者。

c）因此，對(duì)于TD-LTE與TD-HSDPA的混合組網(wǎng)完全可以在目前的TD-HSDPA網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行規(guī)劃。

4 結(jié)束語(yǔ)

TD-LTE的覆蓋性能是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估的重要指標(biāo)，決定了是否可以帶給用戶穩(wěn)定、可靠的業(yè)務(wù)感知。本文基于TD-LTE幀結(jié)構(gòu)，首先分析了其最大覆蓋能力，之后分別具體給出了上下行控制及業(yè)務(wù)信道的鏈路預(yù)算，并結(jié)合TD-HSDPA的覆蓋能力進(jìn)行綜合對(duì)比分析，對(duì)于今后從事TD-LTE的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃有著一定的指導(dǎo)作用。

當(dāng)然，TD-LTE的覆蓋性能與RB資源塊的分配算法、調(diào)度模式、調(diào)制方法緊密相關(guān)，所以在實(shí)際中也是千變?nèi)f化的。本文也只是以典型案例進(jìn)行介紹，限于篇幅，對(duì)2天線TD-LTE與TD-HSUPA的對(duì)比，8天線情況下的TD-LTE等均未作分析。

表11 TD-HSDPA鏈路預(yù)算

圖5 TD-LTE的上下行鏈路預(yù)算分析

圖6 TD-LTE與TD-HSDPA覆蓋能力對(duì)比（TD-LTE 2天線，HSDPA 8天線）

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