基于FDD LTE 商用網(wǎng)絡(luò)的4T4R 容量分析

王 君，慕德俊

（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院, 西安710072）

1 引 言

隨著無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，F(xiàn)DD LTE 網(wǎng)絡(luò)基站逐步從兩天線發(fā)射向四天線發(fā)射發(fā)展。在熱點(diǎn)和高價(jià)值區(qū)域甚至開始部署多天線陣列，引入Massive MIMO 技術(shù)來(lái)保障下行容量。對(duì)于四天線發(fā)射，運(yùn)營(yíng)商期待的往往的是4×4 MIMO 技術(shù)的引入，但由于用戶群中仍以兩天線接收終端為主，在基站四天線發(fā)射的場(chǎng)景下，引入的是4×2 MIMO 技術(shù)，最大僅有兩流；而在兩天線發(fā)射基站引入的僅為2×2 MIMO技術(shù)。在終端以兩天線接收為主的現(xiàn)狀下，基站四天線發(fā)射是否會(huì)帶來(lái)容量大幅度提升，將是決定運(yùn)營(yíng)商是否規(guī)模部署4T4R（四天線發(fā)射四天線接收）技術(shù)的關(guān)鍵因素。在此，以FDD LTE 網(wǎng)絡(luò)基站2T2R（兩天線發(fā)射兩天線接收）技術(shù)容量為基準(zhǔn)，通過(guò)基于SCME 信道模型的容量仿真和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署來(lái)探索基站4T4R 技術(shù)在兩天線終端場(chǎng)景下的容量提升可行性。

無(wú)線系統(tǒng)容量仿真的關(guān)鍵是信道模型選擇。粗略模型瑞利（Rayleigh）和萊斯（Rice）等存在不精確性問(wèn)題，經(jīng)由大量的實(shí)地測(cè)試和研究[1]，更貼近實(shí)際的MIMO 無(wú)線信道模型被提出，獲得廣泛應(yīng)用，例如：空間信道模 SCM（Spatial Channel Model）[2]、空間信道擴(kuò)展模型 SCME（Spatial Channel Model Extended）[3]以及WINNER 模型[4]等。文獻(xiàn)[5]從帶寬擴(kuò)展、載頻擴(kuò)展、視距徑擴(kuò)展和抽頭時(shí)延線TDL（Tapped Delay Line）等方面論證了SCME 相比于SCM 的優(yōu)勢(shì)，并基于MATLAB 仿真驗(yàn)證了SCME 信道模型的精確性。為了在Band 3 上研究4T4R 技術(shù)的容量，在此，考慮頻點(diǎn)和信道模型精確性，選擇SCME 來(lái)做基站4T4R 技術(shù)和2T2R 技術(shù)的容量仿真。

2 基于SCME 信道模型的容量仿真

在FDD LTE 商用網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)吞吐量是一項(xiàng)直觀反映容量的關(guān)鍵指標(biāo)[6]。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，PRB 利用率為100%時(shí)，即是小區(qū)的實(shí)際容量，因此，在站點(diǎn)選取時(shí)，無(wú)論2T2R 還是4T4R，PRB 的利用率要盡可能接近100%。另外，隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，運(yùn)營(yíng)商也開始關(guān)注用戶體驗(yàn)，用戶平均速率也成為客戶考核網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵指標(biāo)。影響用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵指標(biāo)包括小區(qū)用戶數(shù)、MCS（Modulation and Coding Scheme）、CQI 和RI（Ranking Indicator）的激活比率等。

SCME 信道模型是基于散射體的隨機(jī)模型，通過(guò)信道參數(shù)描述傳播路徑的方向，此外，角度、時(shí)延、功率和天線相關(guān)參數(shù)則由用戶定義。信道傳播參數(shù)和天線之間相互獨(dú)立。其支持的頻率范圍是2GHz~6 GHz；支持的場(chǎng)景包含室內(nèi)熱點(diǎn)、城區(qū)微小區(qū)、城市宏小區(qū)、農(nóng)村宏小區(qū)和郊區(qū)宏小區(qū)。其中郊區(qū)宏小區(qū)是可選場(chǎng)景。如圖1 所示為典型的SCME模型框架，由 ITU 為 IMT-Advanced 所定義[7-8]。

圖1 SCME 信道模型

在場(chǎng)景的選擇上，基站4T4R 用來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)容量，面對(duì)的多是高話務(wù)區(qū)域，其中以城市密集區(qū)域?yàn)橹?，選擇SCME 信道模型中的城市宏小區(qū)。而在基站傳輸模式中，用戶速度較慢，采用閉環(huán)的TM4自適應(yīng)模式。站點(diǎn)仿真規(guī)模為7 個(gè)站21 個(gè)小區(qū)的連片簇容量，其基于SCME 信道模型的參數(shù)設(shè)置輸入見表1。基站天線數(shù)的參數(shù)包含2 天線和4 天線，分別用來(lái)仿真基站2T2R 和基站4T4R 的場(chǎng)景。

表1 基于SCME 信道模型容量仿真參數(shù)

如表2 所示為基于SCME 信道模型的容量仿真結(jié)果。在終端是兩天線的場(chǎng)景下，基站2T2R 的小區(qū)吞吐量達(dá)到23.95 Mb/s；基站4T4R 的小區(qū)吞吐量則為25.23 Mb/s，只有5.34%的增益。在頻譜效率上，基站 2T2R 達(dá) 1.60 b·s/Hz,而基站 4T4R 是 1.70 b·s/Hz,提升6.25%。從小區(qū)吞吐量和頻譜效率的仿真來(lái)看，基站4T4R 在終端兩天線場(chǎng)景下提升有限。

表2 基于SCME 模型容量仿真結(jié)果

3 基站關(guān)鍵指標(biāo)定義

商用網(wǎng)絡(luò)中的性能研究從兩方面入手，一是路測(cè)，二是網(wǎng)管的后臺(tái)指標(biāo)。對(duì)于路測(cè)，一般是測(cè)試人員坐在汽車?yán)锘蛘卟叫?，用專業(yè)的測(cè)試儀表對(duì)小區(qū)覆蓋的特定路線測(cè)試相應(yīng)的指標(biāo)，如RSRP、SINR、定點(diǎn)速率測(cè)試等。文獻(xiàn)[9]就是通過(guò)對(duì)單站進(jìn)行路測(cè)拉網(wǎng)定點(diǎn)的方式來(lái)研究分析4T4R 技術(shù)的增益。但由于這種定點(diǎn)測(cè)試是單用戶的速率體驗(yàn)，不能反應(yīng)多用戶場(chǎng)景下的速率體驗(yàn)，特別是高話務(wù)區(qū)域用戶過(guò)多的場(chǎng)景，因此，就需要利用網(wǎng)管的后臺(tái)指標(biāo)來(lái)真實(shí)反應(yīng)小區(qū)的性能，關(guān)鍵指標(biāo)有小區(qū)平均PDCP 流量、RI=2 的比率、平均 MCS、平均 CQI、用戶平均速率、掉話率等。對(duì)其部分重要指標(biāo)的相關(guān)定義如下（指標(biāo)若無(wú)特殊指明，即是表示下行）：

1. 下行平均MCS

平均MCS 的公式如下：

NMCSi表示有效 TTIs（Time Transmission Intervals）之下MCS 取值為i 時(shí)的調(diào)度數(shù)。

2. 小區(qū)平均流量

小區(qū)平均流量的公式如下：

VTotalPDCP表示在所有有效 TTIs 里的小區(qū)的PDCP SDU 數(shù)據(jù)的總流量。TSch是個(gè)計(jì)數(shù)器，會(huì)累加從數(shù)據(jù)到緩沖到釋放的時(shí)間，采樣時(shí)間間隔是1 秒。因此，在PRB 利用率接近99%時(shí)，小區(qū)平均流量就近似等于小區(qū)吞吐量。

3. 平均CQI

在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)營(yíng)商往往也把平均CQI 作為關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)驗(yàn)收，其定義如下：

其中NCQIi表示在一定時(shí)間內(nèi)終端上報(bào)給基站的CQI 數(shù)值為i 的個(gè)數(shù)。

4 基站指標(biāo)分析

如表3 所示為同一片區(qū)域的2T2R 和4T4R 單站的關(guān)鍵指標(biāo)在15 分鐘粒度的平均值。對(duì)此，選取的指標(biāo)都是PRB 利用率超過(guò)99%的，小區(qū)內(nèi)的平均流量等效于小區(qū)吞吐量，2T2R 的站點(diǎn)平均小區(qū)吞吐量是15.77 Mb/s，4T4R 站點(diǎn)平均小區(qū)吞吐量是16.83 Mb/s，比 2T2R 站點(diǎn)高 7.6%。

表3 關(guān)鍵指標(biāo)平均值

與2T2R 單站相比，4T4R 單站在平均用戶數(shù)增加11.9%而平均小區(qū)吞吐量只增加7.6%的情況下，平均用戶速率仍提升2.5%。

與2T2R 單站相比，4T4R 單站在平均 MCS 和RI=2 比率各高于28.3%和99.3%。

從表3 來(lái)看，在實(shí)際測(cè)試的平均小區(qū)吞吐量和平均用戶速率兩個(gè)衡量小區(qū)性能的指標(biāo)上，4T4R 單站的增益有限，與基于SCME 信道模型的容量仿真結(jié)果相近。然而影響小區(qū)容量的因素很多，如天線增益、天線高度、天線傾角、功率、用戶數(shù)、用戶分布以及覆蓋區(qū)域等都有影響，而小區(qū)的平均MCS 是能夠間接衡量小區(qū)內(nèi)的業(yè)務(wù)信道的環(huán)境，可以用來(lái)定量分析4T4R 技術(shù)的增益。

接下來(lái)以下行平均MCS 來(lái)定量分析小區(qū)的各個(gè)指標(biāo)。

如圖2 所示為不同平均MCS 的小區(qū)吞吐量。當(dāng)2T2R 單站和4T4R 單站在8 到13 間波動(dòng)，小區(qū)吞吐量也在11Mbps 和25Mb/s 間波動(dòng)，但4T4R 單站在不同平均MCS 下小區(qū)吞吐量比2T2R 單站分別提升 5.4%（MCS 值為 9）、10.3%（MCS 值為 10）、13.5%（MCS 值為 11）和 14.4%（MCS 值為 12），可見MCS 值越大，增益越明顯。

圖2 2T2R 和4T4R 單站不同平均MCS 小區(qū)吞吐量

如圖3 所示為不同MCS 的RI=2 的比率。4T4R單站比2T2R 單站在相同MCS 下，傳輸達(dá)到兩流的比率提升至少100%。

圖 3 2T2R 和 4T4R 單站不同 MCS 的 RI=2 比率

如圖4 所示為不同MCS 的平均CQI。4T4R 單站的平均CQI 比2T2R 的平均CQI 高一階，因此，4T4R 單站可以提升小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量，從而增加了兩流的比例，也是4T4R 站小區(qū)吞吐量高于2T2R 站點(diǎn)的原因之一。

圖4 2T2R 和4T4R 單站不同MCS 的平均CQI

5 結(jié)束語(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果和分析可以看出，4T4R 技術(shù)可以提升小區(qū)信道質(zhì)量、提高傳輸兩流的比例，從而提升小區(qū)吞吐量。隨著信道質(zhì)量的提升，小區(qū)整體MCS 也會(huì)提升；隨著MCS 的提升，4T4R 單站的小區(qū)吞吐量相比2R 從MCS 為9 時(shí)的5.4%增益提升到MCS 為12 時(shí)的14.4%，有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。為獲取更高小區(qū)容量，小區(qū)信道質(zhì)量越好，4T4R技術(shù)帶來(lái)的增益越高。