0 前言
容量規(guī)劃在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中尤其是在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初始階段是非常重要的,只有全面正確地掌握LTE網(wǎng)絡(luò)承載能力,才能更加準(zhǔn)確的評(píng)估出LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)規(guī)模和確定LTE系統(tǒng)帶寬需求、天線及系統(tǒng)基帶配置等。
與3G采用的碼分多址技術(shù)不同,LTE主要基于OFDM和MIMO技術(shù),因此影響LTE網(wǎng)絡(luò)容量的各種因素也有所不同;此外FDD LTE的峰值速率和小區(qū)吞吐率由于技術(shù)體制的原因,與3G和TD-LTE也有一定的差異,這些差異都需要進(jìn)行分析和研究,為FDDLTE未來(lái)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)提供技術(shù)參考。
1 FDD LTE 容量影響因素
1.1 載波帶寬
LTE系統(tǒng)定義6種不同的系統(tǒng)帶寬,不同系統(tǒng)帶寬下傳輸帶寬和保護(hù)帶寬關(guān)系如表1所示。
資源塊(RB)表示LTE系統(tǒng)可調(diào)度的頻率資源單位組,1個(gè)RB由12個(gè)子載波組成。系統(tǒng)帶寬配置,直接決定小區(qū)的理論峰值速率,分配給用戶的RB個(gè)數(shù)越多,即系統(tǒng)帶寬越高,系統(tǒng)的吞吐量越大。在小區(qū)服務(wù)中,系統(tǒng)需要對(duì)用戶分配帶寬資源,用戶帶寬資源直接影響用戶的數(shù)據(jù)速率。用戶分配帶寬由兩個(gè)因素決定,一是激活用戶數(shù)目,二是資源分配算法。
1.2 循環(huán)前綴(CP)長(zhǎng)度
CP長(zhǎng)度需要大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展,以避免嚴(yán)重的符號(hào)間干擾(ISI)和子載波間干擾(ICI)。CP又不能過(guò)長(zhǎng),過(guò)大的CP開(kāi)銷會(huì)帶來(lái)額外的頻譜效率損失。在LTE 系統(tǒng)中,正常CP 的CP 開(kāi)銷=(5.21+6×4.67)/500=6.67%;擴(kuò)展CP 的CP 開(kāi)銷=16.67×6/500=20%。在使用擴(kuò)展CP時(shí),其傳輸開(kāi)銷要大于使用正常CP的傳輸開(kāi)銷,因此在滿足時(shí)延擴(kuò)展的條件下,使用正常CP比使用擴(kuò)展CP可提供更大的系統(tǒng)容量。
1.3 MIMO 模式
LTE網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)需要以及天線資源,實(shí)現(xiàn)單流分集、多流復(fù)用、復(fù)用與分集自適應(yīng)、單流波束賦形、多流波束賦形等,這些技術(shù)的使用場(chǎng)景不同,但是都會(huì)在一定程度上影響用戶容量。
1.4 上下行控制信道和參考信號(hào)開(kāi)銷
在為控制信令分配資源后,數(shù)據(jù)傳輸可以利用任何剩下的傳輸資源。因此最小化控制信令資源是最大化數(shù)據(jù)頻譜效率的關(guān)鍵。除PDCCH和RS外,其余下行控制信道和信號(hào)的開(kāi)銷都與LTE系統(tǒng)使用的帶寬有關(guān)。各個(gè)控制信道和信號(hào)的開(kāi)銷如下(NRB為L(zhǎng)TE系統(tǒng)分配的RB數(shù)量):
a)系統(tǒng)帶寬較寬情況下PUCCH所占系統(tǒng)開(kāi)銷可以忽略。
b)上行參考信號(hào)每個(gè)時(shí)隙占用1個(gè)OFDM符號(hào),開(kāi)銷比例為1/7=14.3%。
c)PDCCH:當(dāng)使用1子幀中一個(gè)OFDM符號(hào)(最小PDCCH分配),控制開(kāi)銷為7.1%(=1/14)。
d)下行RS:每3個(gè)子載波間有一個(gè)參考符號(hào),單天線傳輸每個(gè)時(shí)隙需要2個(gè)OFDM符號(hào),下行2天線傳輸需要4 個(gè)OFDM 符號(hào),下行4 天線傳輸需要6 個(gè)OFDM符號(hào)。開(kāi)銷比例4.8%~14.3%,需考慮與PDCCH重疊情況。
e)PSS和SSS開(kāi)銷:2×2×6/7/10/2/NRB。
f)PBCH開(kāi)銷:4×6/7/10/2/ NRB。
g)PCFICH 開(kāi)銷:4×4/7/2/(12×NRB),需考慮與PDCCH重疊情況。
h)一個(gè)PHICH組開(kāi)銷:12/7/2/(12×NRB),需考慮與PDCCH重疊情況。
表2給出了在不同天線配置和系統(tǒng)帶寬下,下行控制信道和信號(hào)的開(kāi)銷占用度。雖然下行4天線會(huì)相比下行2天線的系統(tǒng)開(kāi)銷要高一些,但4×4 MIMO相比2×2 MIMO的系統(tǒng)容量要增加一倍,增加相應(yīng)的參考信號(hào)開(kāi)銷是值得的。帶寬越高,系統(tǒng)開(kāi)銷比重越小,因此建議FDD LTE采用2×20 MHz同頻組網(wǎng)。
1.5 干擾消除技術(shù)
LTE系統(tǒng)設(shè)計(jì)所支持頻率復(fù)用因子為1,這意味著一個(gè)小區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)和控制信道會(huì)受到其他小區(qū)的干擾,尤其是最接近的相鄰小區(qū)。為了避免低的小區(qū)邊緣吞吐量性能,采用干擾消除技術(shù)很重要,干擾消除技術(shù)允許在小區(qū)邊緣性能和整個(gè)小區(qū)平均的頻譜效率之間有一個(gè)有效的折中。
ICIC技術(shù)使用靈活,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,仿真效果較好,是目前LTE系統(tǒng)抗同頻干擾的主流技術(shù)。ICIC從資源限制方式方面可以分為部分頻率復(fù)用(FFR)、軟頻率復(fù)用(SFR)和全頻率復(fù)用3種。SFR和FFR相對(duì)于FR=1,下行鏈路邊緣頻譜利用率均有提高,但是SFR相對(duì)于FFR來(lái)說(shuō)以更低的整體頻譜利用率的損失,獲得和FFR相近的邊緣頻譜利用率的增益。FFR和SFR在系統(tǒng)低負(fù)載時(shí),增益非常有限;在系統(tǒng)中高負(fù)荷時(shí)對(duì)邊緣頻譜利用率有明顯增益;在中等負(fù)荷時(shí),對(duì)邊緣頻譜利用率增益最大。
1.6 調(diào)度方式
LTE的幾乎所有的應(yīng)用與業(yè)務(wù)都是使用共享信道,由于各個(gè)業(yè)務(wù)與應(yīng)用對(duì)服務(wù)質(zhì)量(QoS)的要求是不同的,因此調(diào)度的好壞直接影響的就是QoS是否可以滿足,也即是用戶的使用體驗(yàn)是否比較好。調(diào)度器的主要功能是在不同時(shí)間點(diǎn)上為不同的用戶調(diào)度各種資源,是基站中最重要的組成部分之一,調(diào)度器的設(shè)計(jì)好壞直接決定了基站的工作效率和實(shí)際性能。調(diào)度相關(guān)的內(nèi)容絕大多數(shù)是不在標(biāo)準(zhǔn)化工作范圍內(nèi),主要是設(shè)備實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。調(diào)度器在工作時(shí)需要考慮多種因素,例如終端所處位置處信道質(zhì)量、終端緩存狀態(tài)、基站系統(tǒng)資源、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)、用戶優(yōu)先級(jí)等,利用合理的調(diào)度算法使系統(tǒng)資源利用效率最高,同時(shí)盡量保證用戶有更好的使用體驗(yàn)。
目前在實(shí)際商用的FDD LTE系統(tǒng)中應(yīng)用較多的是改進(jìn)的比例公平算法,因?yàn)樵摲椒ǹ梢酝瑫r(shí)兼顧系統(tǒng)資源利用效率和用戶的使用體驗(yàn)。在FDD LTE系統(tǒng)部署初期,LTE用戶數(shù)較少時(shí),使用輪詢的方法也基本可以達(dá)到類似于比例公平的效果。
2 FDD LTE 同時(shí)可調(diào)度最大用戶數(shù)
LTE同時(shí)能夠得到調(diào)度的用戶數(shù)目受限于控制信道的可用資源數(shù)目。同時(shí)調(diào)度用戶數(shù)的定義為:系統(tǒng)在每個(gè)調(diào)度周期(1 ms)同時(shí)調(diào)度的用戶數(shù),進(jìn)一步可計(jì)算1無(wú)線幀(10 ms)時(shí)間內(nèi)可調(diào)度的用戶數(shù)。
LTE中PDCCH支持的4種格式如表3所示。
使用于特定PDCCH傳輸?shù)腃CE數(shù)量是由eNode B根據(jù)信道條件決定的。例如,如果PDCCH是針對(duì)一個(gè)良好下行鏈路信道的UE(如接近eNode B),那么一個(gè)CCE可能就夠了。然而,對(duì)于信道條件不好的UE,為了充分實(shí)現(xiàn)其健壯性,可能需要8個(gè)CCE。另外可調(diào)整PDCCH的功率水平,以適配信道條件。
PHICH組數(shù)目有4種可能性。
MIB中相應(yīng)的指示信息分別對(duì)應(yīng)于Ng=1/6、1/2、1或2。其中,Ng=1是上行每一個(gè)PRB對(duì)應(yīng)1個(gè)HARQ進(jìn)程的時(shí)候所需要的PHICH組數(shù)目;Ng=2是MU-MIMO情況下上行每一個(gè)PRB對(duì)應(yīng)2個(gè)HARQ進(jìn)程的時(shí)候所需要的PHICH 組數(shù)目;Ng=1/6、1/2 分別對(duì)應(yīng)于1 個(gè)HARQ進(jìn)程占用6個(gè)和2個(gè)PRB的情況。
在一個(gè)子幀時(shí)間(1 ms)內(nèi),最大可支持用戶數(shù)的計(jì)算如下:
式中:
N——最大可同時(shí)調(diào)度用戶數(shù)
nˉ ——平均一個(gè)PDCCH所需的CCE個(gè)數(shù)
N
PDCCH——調(diào)度1個(gè)用戶所需的PDCCH數(shù)目,在對(duì)稱業(yè)務(wù)下通常NPDCCH=2
——使用的PHICH組數(shù)
N
PCFICH——PCFICH所占用的RE數(shù),NPCFICH=16
N
RS—— 下行參考信號(hào)所占用的PDCCH 所在OFDM符號(hào)的RE數(shù),由信道帶寬決定,在10和20 MHz
帶寬下使用2下行天線N
RS分別為200和400
N
RE——PDCCH所在OFDM符號(hào)的RE總數(shù),表4給出了在10和20 MHz帶寬下的N
RE值
假設(shè)調(diào)度一個(gè)用戶需要2個(gè)PDCCH并且LTE系統(tǒng)使用正常CP,表5 給出了在10 和20 MHz 帶寬下PDCCH分別占用1、2、3個(gè)OFDM符號(hào)且Ng=1時(shí),LTE系統(tǒng)在一幀內(nèi)(10 ms)內(nèi)可同時(shí)調(diào)度的最大用戶數(shù)。
由此可見(jiàn),在其他條件固定的情況下,PDCCH占用的OFDM符號(hào)數(shù)越多,同時(shí)可調(diào)度的用戶數(shù)越多;PDCCH所使用的格式占用的CCE個(gè)數(shù)越多,可同時(shí)調(diào)度的用戶數(shù)也就越少。
3 FDD LTE 峰值速率
根據(jù)LTE 3GPP標(biāo)準(zhǔn),1個(gè)無(wú)線幀包含10個(gè)無(wú)線子幀,1 個(gè)無(wú)線子幀包含2 個(gè)時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙包含7 個(gè)OFDM符號(hào)(使用常規(guī)CP),1個(gè)OFDM符號(hào)包含n 比特信息(使用64QAM,n=6;使用16QAM,n=4;使用QPSK,n=2)。1個(gè)無(wú)線子幀的時(shí)間為1 ms。在使用常規(guī)CP、64QAM調(diào)制方式且不考慮開(kāi)銷的情況下,下行峰值速率為
峰值速率(理想)=(NRB×12×7×2×n)bit/1 ms (4)
假設(shè)PDCCH、參考信號(hào)、同步信號(hào)、信道編碼等開(kāi)銷為η(可通過(guò)1.4節(jié)得出),則理論下行峰值速率為
峰值速率(理論)=C×(1-η)×編碼效率×峰值速率(理想)(5)
其中,當(dāng)天線模式為雙流傳輸時(shí),C=2;當(dāng)天線為其他模式時(shí),C=1。
當(dāng)采用20 MHz帶寬,雙流傳輸,編碼效率為0.9,PDCCH占用1個(gè)OFDM符號(hào)時(shí),下行理論峰值速率為
2×(1-14.63%)×0.9×(100×12×7×2×6)bit/1 ms=155
上行峰值速率為
(1-14.3%)×0.9×(100×12×7×2×6)bit/1 ms=77.75
在3GPP 36.213規(guī)范中,定義了不同MCS、RB承載下的數(shù)據(jù)塊數(shù)量(TBS),即在一個(gè)子幀/傳輸時(shí)間間隔(TTI)時(shí)間內(nèi)的最大傳輸比特?cái)?shù)量,TBS直接限制了LTE上下行信道的峰值速率。不同RB和IMCS對(duì)應(yīng)的LTE 網(wǎng)絡(luò)上下行峰值速率可查詢3GPP 36.213 中表7.1.7.2.1-1和表7.1.7.2.2-1獲得。圖1給出了在不同MCS和系統(tǒng)帶寬下,單流和使用2×2 MIMO雙流LTE下行信道的峰值速率。可以看出MCS越大,LTE下行峰值速率越大,這是由于MCS越大相應(yīng)的系統(tǒng)開(kāi)銷就越小,但對(duì)信道質(zhì)量的要求也越高。在使用20 MHz下行系統(tǒng)帶寬(即下行分配100個(gè)RB),使用最大MCS方式2×2 MIMO雙流傳輸?shù)那闆r下,LTE下行峰值速率可以達(dá)到149.78 Mbit/s,已經(jīng)超出LTE下行100 Mbit/s目標(biāo)峰值速率50%。在相同RB下,LTE系統(tǒng)的上行峰值速率與單流下行峰值速率相同。當(dāng)系統(tǒng)帶寬為20MHz時(shí),上行峰值速率為75.376 Mbit/s。
LTE單用戶的上行和下行峰值速率不但與分配的RB 數(shù)量以及MCS 方式有關(guān),還與LTE 終端類型有關(guān)。單用戶的峰值速率為:
單用戶峰值速率=min(終端能力,網(wǎng)絡(luò)能力)(6)
其中終端能力由參考文獻(xiàn)4列出。
在單用戶測(cè)試條件下(即小區(qū)所有資源分配給一個(gè)用戶),小區(qū)的峰值速率與UE 的能力有關(guān),在20MHz帶寬、PDCCH占用3個(gè)OFDM符號(hào)情況下,使用Cat 3 UE實(shí)際下行峰值速率只能達(dá)到100 Mbit/s,實(shí)際上行峰值速率為40~50 Mbit/s;使用Cat 5 UE實(shí)際下行峰值速率可達(dá)到127 Mbit/s,實(shí)際上行峰值速率可達(dá)到60 Mbit/s。Cat 5 UE沒(méi)有達(dá)到理論峰值速率的原因是由于實(shí)際測(cè)試中PDCCH占用了3個(gè)OFDM符號(hào),不能夠使用最大資源塊傳輸有效數(shù)據(jù),所以沒(méi)有達(dá)到LTE系統(tǒng)支持的最高峰值速率。
4 FDD LTE 吞吐量
下行吞吐量指標(biāo)與LTE的PDSCH能力息息相關(guān),主要包括小區(qū)頻譜效率、小區(qū)平均吞吐量指標(biāo)和小區(qū)邊緣吞吐量指標(biāo),其定義如下:
a)小區(qū)頻譜效率:指用戶按照一定規(guī)律分布時(shí),整個(gè)小區(qū)的平均吞吐量=所有小區(qū)吞吐量之和/小區(qū)數(shù)/系統(tǒng)帶寬。
b)小區(qū)平均吞吐量:指用戶按照一定規(guī)律分布時(shí),整個(gè)小區(qū)的平均吞吐量=所有小區(qū)吞吐量之和/小區(qū)數(shù)。
c)小區(qū)邊緣吞吐量:指分布在小區(qū)邊緣的用戶吞吐量,在系統(tǒng)仿真時(shí),邊緣用戶定義為對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有用戶按照用戶吞吐量的大小降序排列,取5%處的那個(gè)用戶。
圖2分別描述了盡力而為全緩沖業(yè)務(wù),Case 1和Case 3部署場(chǎng)景下行信道的頻譜效率、小區(qū)平均用戶吞吐量和小區(qū)邊緣用戶吞吐量,仿真場(chǎng)景是由多個(gè)廠家仿真結(jié)果進(jìn)行平均得出。場(chǎng)景使用一個(gè)10 MHz帶寬、20 dB的建筑物穿透損耗以及3 km/h的UE速度。
對(duì)于eNodeB間距離為500和1 732 m,分別稱之為場(chǎng)景Case 1和場(chǎng)景Case 3。仿真中使用19個(gè)站址,每個(gè)站址3個(gè)扇區(qū),每個(gè)扇區(qū)均勻分布10個(gè)用戶。對(duì)于LTE,列出了2×2、4×2和4×4天線配置下的系統(tǒng)性能。下行4×2 MIMO天線和下行2×2 MIMO相比,小區(qū)平均下行吞吐率和邊緣用戶下行吞吐率性能提升不大;上行1×4接收分集相比1×2接收分集,小區(qū)平均上行吞吐率和邊緣用戶上行吞吐率性能有明顯提升,可根據(jù)實(shí)際LTE網(wǎng)絡(luò)部署需求進(jìn)行天線配置。
圖3給出了6個(gè)用戶均勻分布時(shí),實(shí)際FDD LTE外場(chǎng)測(cè)試扇區(qū)吞吐量結(jié)果。相對(duì)于10 MHz帶寬,20MHz能夠提升單用戶速率一倍左右。對(duì)于上行,小區(qū)吞吐率在不同加載條件下變化均不明顯,因此底噪的抬升對(duì)LTE上行容量的影響并不明顯。這是由于對(duì)于上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),空口容量受限于終端發(fā)射功率,隨著無(wú)線環(huán)境變差,發(fā)射功率會(huì)逐步提升直到最大發(fā)生功率限制,在達(dá)到最大發(fā)射功率之前,上行吞吐率基本保持不變。
5 FDD LTE 可容納VoIP 用戶數(shù)
一般情況下,某用戶在使用VoIP進(jìn)行語(yǔ)音通信時(shí),若98%的數(shù)據(jù)包時(shí)延在50 ms以內(nèi),則認(rèn)為該用戶是滿意的。而如果小區(qū)內(nèi)95%的用戶是滿意的,則認(rèn)為該小區(qū)所能容納的VoIP用戶總數(shù)為該小區(qū)的VoIP容量。
假設(shè)5 MHz系統(tǒng)帶寬語(yǔ)音編碼率為12.2 kbit/s,初傳需要占用2個(gè)RB的用戶占50%,需要占用3和4個(gè)RB的用戶分別占用40%和10%,為HARQ重傳預(yù)留20%的系統(tǒng)資源,PUCCH占用碼道為2 RB,根據(jù)參考文獻(xiàn)3中理論公式,F(xiàn)DD LTE小區(qū)的理論VoIP容量為
由于仿真中使用的IOT、控制信道限制以及調(diào)度方案不同,導(dǎo)致不同廠家仿真得到的可容納的VoIP用戶也有所不同。圖4給出了在不同場(chǎng)景下LTE下行可容納VoIP用戶數(shù),仿真結(jié)果由各個(gè)廠家的結(jié)果平均得出,可見(jiàn)在可承載VoIP數(shù)量方面,主要受限于上行信道。在5MHz帶寬條件下,在Case 1和Case 3仿真場(chǎng)景下FDD LTE上行分別可容納約241和123個(gè)VoIP用戶,覆蓋距離的增加也會(huì)明顯減小可容納的VoIP用戶數(shù)。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文首先研究分析了影響LTE系統(tǒng)容量的因素,包括系統(tǒng)帶寬、調(diào)度算法、CP長(zhǎng)度、上下行鏈路開(kāi)銷、MIMO、干擾消除等。接著通過(guò)峰值速率的研究,計(jì)算出在給定系統(tǒng)帶寬下LTE系統(tǒng)理論所能承載的最大用戶吞吐率,研究了在不同系統(tǒng)帶寬下的FDD LTE上下行理論峰值速率,并給出了實(shí)際LTE單用戶的峰值速率。LTE系統(tǒng)并發(fā)用戶容量主要受限于調(diào)度信令和業(yè)務(wù)信道資源,研究分析了在不同信道帶寬和控制信道配置下,F(xiàn)DD LTE系統(tǒng)同時(shí)可調(diào)度的最大用戶數(shù)。最后通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了FDD LTE系統(tǒng)的小區(qū)平均吞吐量、小區(qū)邊緣用戶吞吐量以及VoIP容量。
通過(guò)分析研究FDD LTE網(wǎng)絡(luò)容量及其影響因素,對(duì)于FDD LTE未來(lái)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模估算以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃都具有實(shí)際意義。
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作者簡(jiǎn)介:
李佳俊,畢業(yè)于北京交通大學(xué),工程師,博士,主要從事3G 和LTE 移動(dòng)通信系統(tǒng)研究;
文博,高級(jí)工程師,主要從事移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)相關(guān)技術(shù)研究;許國(guó)平,畢業(yè)于北京郵電大學(xué),高級(jí)工程師,博士,主要從事3G/B3G 移動(dòng)通信系統(tǒng)信號(hào)處理技術(shù)研究和WCDMA網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化相關(guān)工作。