TD-LTE外場性能研究[圖]

摘要：本文針對(duì)TD-LTE在中國移動(dòng)商用網(wǎng)絡(luò)下的性能及產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析和探討。

一、背景介紹

自2008年底3GPP發(fā)布了LTE第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)版本Rel-8，到2009年底北歐運(yùn)營商TeliaSonera率先商用，再到2013年7月韓國運(yùn)營商全球首次商用Rel-10關(guān)鍵技術(shù)之一的載波聚合功能，LTE標(biāo)準(zhǔn)化與商用推進(jìn)的步伐從未停歇。根據(jù)GSA統(tǒng)計(jì)，截至2014年2月底，LTE已在全球101個(gè)國家的274個(gè)運(yùn)營商獲得商用，發(fā)展勢(shì)頭之迅猛遠(yuǎn)超之前所有通信技術(shù)。在GTI的推動(dòng)下，LTE TDD（又稱TD-LTE）得到了良好協(xié)同發(fā)展[1]。

2013年12月4日，國內(nèi)開啟了4G（第四代移動(dòng)通信技術(shù)）即LTE在中國大陸正式商用的大門。本次官方向中國移動(dòng)、中國電信和中國聯(lián)通發(fā)放了TD-LTE牌照。僅中國移動(dòng)而言，其2014年目標(biāo)為建設(shè)50萬個(gè)基站，預(yù)計(jì)明年再加20萬個(gè)站后接近其GSM二十年部署基站數(shù)的90%。

技術(shù)層面上，中國移動(dòng)的TD-LTE以八通道雙極化智能天線為主而日本軟銀主要復(fù)用PHS（國內(nèi)又稱小靈通）的八通道圓陣天線，其他LTE TDD運(yùn)營商以兩天線部署為主，同時(shí)各家應(yīng)用的頻譜也不盡相同（大多為B41、B38、B40，只有中國移動(dòng)以B39作為室外部署主要頻段），結(jié)合供貨設(shè)備商、采購設(shè)備質(zhì)量、站址條件、應(yīng)用場景及應(yīng)用業(yè)務(wù)等差異將導(dǎo)致TD-LTE網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)存在差異。因此，自2010年初起在中國大陸上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室、小規(guī)模外場、大規(guī)模外場、擴(kuò)大規(guī)模外場、商用后評(píng)估等一系列性能研究測(cè)試，為TD-LTE全國范圍部署積累商用經(jīng)驗(yàn)。

本文以中國移動(dòng)在某省的商用示范片區(qū)為例，針對(duì)TD-LTE外場性能方面進(jìn)行驗(yàn)證和探討，以期對(duì)未來部署和優(yōu)化提供更為準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。

二、理論分析與需求

3G向4G演進(jìn)的背后驅(qū)動(dòng)力是移動(dòng)設(shè)備新服務(wù)的創(chuàng)新和發(fā)展，并通過可用于移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步來實(shí)現(xiàn)。從通信技術(shù)本身來看，LTE相對(duì)3G標(biāo)準(zhǔn)是革命性的。為支持以數(shù)據(jù)交換類型為核心的新業(yè)務(wù)，特別是互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)的IP業(yè)務(wù)，LTE無線接口的主要底層設(shè)計(jì)參數(shù)有[3]：數(shù)據(jù)速率、延遲、容量等。本文重點(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)速率。

　　以TD-LTE下行鏈路為例，20MHz系統(tǒng)帶寬、3D:1U時(shí)隙配比、10:2:2特殊時(shí)隙配置下的物理層理論峰值速率約120Mbps。由于TDD系統(tǒng)的上下行鏈路共享頻譜，因此應(yīng)當(dāng)折算為全時(shí)頻譜利用的速率，即120Mbps / (4ms/5ms) = 150Mbps，經(jīng)過香農(nóng)公式迭代計(jì)算可得信噪比需求至少為24dB。但從3GPP協(xié)議角度來看，該計(jì)算并不嚴(yán)謹(jǐn)。為獲得Rel-8標(biāo)準(zhǔn)的理論峰值速率，協(xié)議規(guī)定需要選擇的傳輸塊大小TB size為75376比特，對(duì)應(yīng)的MCS需要達(dá)到28[4]。這里的SINR由基站根據(jù)UE的信道質(zhì)量信息CQI反饋計(jì)算得到，并且多高SINR才能影射到MCS28并實(shí)現(xiàn)峰值速率傳輸還與系統(tǒng)廠商實(shí)現(xiàn)算法和終端解調(diào)能力有關(guān)。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，通常需要30dB左右的信噪比才能獲得理論峰值速率。

上述速率為物理層傳輸速率，而實(shí)際應(yīng)用通�？紤]的是PDCP層速率，假定誤塊率BLER為10%，可簡單折算PDCP層速率為物理層傳輸速率的90%。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商而言，用戶體驗(yàn)在流量經(jīng)營的時(shí)代是核心競爭能力之一。因此，愛立信結(jié)合全球商用經(jīng)驗(yàn)提出了應(yīng)用覆蓋APP coverage的概念，如下圖所示。智能手機(jī)及相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)成為移動(dòng)通信的主流，因此如何保障終端用戶獲得主流應(yīng)用的良好體驗(yàn)成為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商差異性的重要體現(xiàn)，同時(shí)分組交流類業(yè)務(wù)的接通率、掉線率等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)KPI也不再像電路交換類業(yè)務(wù)那么敏感。下圖中三個(gè)百分比對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，三個(gè)數(shù)字為各覆蓋百分比下應(yīng)保障的應(yīng)用層速率，單位為Mbps，其值可能因不同運(yùn)營商而不同。但是為了確保主流應(yīng)用的良好用戶體驗(yàn)及網(wǎng)絡(luò)性能競爭優(yōu)勢(shì)，愛立信建議值為1、10、30。通常，商用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試表明：90%點(diǎn)的連續(xù)覆蓋速率約為50%點(diǎn)的平均覆蓋速率的1/3。

以LTE發(fā)展最為活躍的美、日、韓為例，PCMagazine測(cè)試報(bào)告：北美LTE FDD網(wǎng)絡(luò)中AT&T 性能較好（15MHz帶寬），但也只有17Mbps的平均速率和8Mbps的連續(xù)覆蓋速率，仍有一定的優(yōu)化空間。相對(duì)而言，Signals Research在東京和首爾的測(cè)試結(jié)果更為優(yōu)異[5]：東京為軟銀LTE TDD商用網(wǎng)絡(luò)，平均速率和連續(xù)覆蓋速率為31Mbps和10Mbps；而LGU+在首爾應(yīng)用3GPP Rel-10的載波聚合（10+10MHz帶寬）技術(shù)后達(dá)到了62Mbps的平均速率和20Mbps的連續(xù)覆蓋速率，為業(yè)界樹立了新的性能標(biāo)桿。

三、測(cè)試片區(qū)及測(cè)試工具和方法

如本文開始說討論，部署頻段、供貨廠商、采購設(shè)備、站址條件、應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)等差異將導(dǎo)致各運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)不盡相同。為此，我們選擇了中國移動(dòng)某省的TD-LTE商用示范區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)可被視為預(yù)商用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。示范區(qū)及測(cè)試線路如下圖所示：共57個(gè)連片基站（其中33個(gè)D頻段8通道站位于中心，22個(gè)F頻段8通道站位于周邊），帶寬20MHz，平均站間距470米，平均站高約30米。網(wǎng)絡(luò)配置為：3D:1U時(shí)隙配比、10:2:2特殊時(shí)隙。

測(cè)試使用了兩類終端，分別為Quanta D2 (CAT3)，HISI E5776 (CAT4)。測(cè)試軟件使用CDS7.1版本。對(duì)于上下行速率測(cè)試采用單UE在網(wǎng)絡(luò)中分開進(jìn)行上下行測(cè)試的方法，均使用FTP業(yè)務(wù)。

四、測(cè)試結(jié)果

本次道路測(cè)試結(jié)果通過CDS導(dǎo)出的網(wǎng)絡(luò)覆蓋統(tǒng)計(jì)，可見網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀況良好，但SINR均值表明還具有一定的優(yōu)化空間。

通過CAT3 UE獲得的CRS-RSRP和CRS-SINR打點(diǎn)圖如下所示。

采用CAT3 UE進(jìn)行道路測(cè)試獲得的上下行PDCP速率分布如下圖所示：

上述測(cè)試結(jié)果為采用CAT3和CAT4兩類終端獲得各性能指標(biāo)累積分布函數(shù)CDF中50%點(diǎn)即統(tǒng)計(jì)平均的數(shù)值�？紤]CAT3和CAT4兩類終端進(jìn)行測(cè)試是因?yàn)椋寒?dāng)前商用終端大多為CAT3，其測(cè)試結(jié)果代表了大多數(shù)終端的用戶體驗(yàn)；而CAT4終端具有更高能力，可以充分體現(xiàn)出測(cè)試片區(qū)的網(wǎng)絡(luò)承載潛力。

實(shí)際商用網(wǎng)絡(luò)中，由于多用戶聯(lián)合調(diào)度以及小區(qū)間一定程度干擾等因素的存在，通常平均速率為理論峰值速率的三分之一左右，以CAT3 UE為例，約為80 / 3 = 27Mbps，接近本文第二章給出的應(yīng)用覆蓋推薦均值。表格中好色高亮的測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)好于該指標(biāo)是由于該片區(qū)采取了一定程度的深度優(yōu)化，其性能好于本文第二章第三方咨詢機(jī)構(gòu)展示的軟銀在東京的測(cè)試結(jié)果，是由于中國移動(dòng)應(yīng)用的8通道智能天線相比8通道全向天線性能更好。

除了以上提到的深度優(yōu)化等專業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)外，還有一些通用方法可改善應(yīng)用覆蓋以進(jìn)一步提升更優(yōu)異的用戶體驗(yàn)，簡單羅列如下，以供參考：

♦應(yīng)用更多系統(tǒng)帶寬以及載波聚合，韓國、日本等國家尤為突出。韓國三大運(yùn)營商均已完成了雙載波以及10+10MHz載波聚合商用，最新獲得的第三個(gè)頻點(diǎn)也將盡快應(yīng)用，甚至各別運(yùn)營商在未來5年內(nèi)規(guī)劃到了第7個(gè)頻點(diǎn)；

♦采用更先進(jìn)功能以提高頻譜效率如多天線技術(shù)應(yīng)用與增強(qiáng)、上行多點(diǎn)聯(lián)合調(diào)度COMP等，其主要目的是解決相對(duì)較高網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷下的小區(qū)間干擾問題，通過聯(lián)合調(diào)度將鄰小區(qū)較強(qiáng)干擾信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏眯盘?hào)以重點(diǎn)改善小區(qū)邊界的終端用戶體驗(yàn)；

♦除頻譜和軟件功能外，縮短終端與網(wǎng)絡(luò)天線端口的距離也是行之有效的異構(gòu)組網(wǎng)發(fā)展方向，具體來講，如在話務(wù)量密集區(qū)域引入小基站并與所屬宏基站進(jìn)行良好協(xié)調(diào)；

♦對(duì)于LTE發(fā)展較慢或覆蓋不佳的運(yùn)營商，可以在部署過程中加強(qiáng)LTE與現(xiàn)網(wǎng)2G/3G的網(wǎng)間互操作和負(fù)載均衡等多網(wǎng)融合技術(shù)。

五、產(chǎn)品性能

為衡量愛立信LTE產(chǎn)品性能及業(yè)界水平，我們與某國內(nèi)TD-LTE領(lǐng)先設(shè)備商的產(chǎn)品性能進(jìn)行外場對(duì)比測(cè)試，測(cè)試終端與方法相同。左下圖為上行鏈路性能對(duì)比（系統(tǒng)配置為：B38、20MHz、2D:2U、SSF為10:2:2）。圖中的路損為SIB2中獲得的CRS配置減去RSRP。結(jié)果展示，愛立信上行鏈路具有至少3dB的性能優(yōu)勢(shì)，這與愛立信在國內(nèi)及全球不同網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行類似產(chǎn)品性能的對(duì)等測(cè)試的結(jié)論相同[6]。這3dB優(yōu)勢(shì)是一個(gè)綜合結(jié)果，受益于愛立信在硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用了高于3GPP標(biāo)準(zhǔn)及競爭對(duì)手的設(shè)計(jì)目標(biāo)值、選用了性能更好的器件、更穩(wěn)健而高效的調(diào)度算法、更為專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化服務(wù)以及更為充分的端到端性能驗(yàn)證等。這一優(yōu)勢(shì)可以為運(yùn)營商在CAPEX和OPEX節(jié)省大量投入。

如果單看掉話點(diǎn)，如右上圖所示，愛立信比該友商好9dB（150dB v.s. 141dB），而之前的測(cè)試證明八天線TD-LTE系統(tǒng)中的覆蓋受限信道并非PUSCH而是PDCCH。除了基站接收機(jī)靈敏度的優(yōu)勢(shì)外，還體現(xiàn)了愛立信在PDCCH信道上的更多思考及算法優(yōu)勢(shì)。第一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于愛立信擁有創(chuàng)新專利的TD-LTE PDCCH無損廣播方案，該方案已在之前六城市的大規(guī)模外場測(cè)試中得到了廣泛驗(yàn)證，相對(duì)傳統(tǒng)的天線廠商權(quán)值方案具有2 ~ 3 dB增益，被運(yùn)營商推廣商用；第二個(gè)優(yōu)勢(shì)在于PDCCH鏈路自適應(yīng)的魯棒性，如右上圖所示愛立信比該友商的穩(wěn)健性要好很多，類似的性能測(cè)試對(duì)比展示愛立信比其他友商在此項(xiàng)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

六、結(jié)論

本文討論了LTE的理論峰值與對(duì)應(yīng)信噪比的關(guān)系，通過國內(nèi)某預(yù)商用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果與全球領(lǐng)先運(yùn)營商的商用性能進(jìn)行了橫向?qū)Ρ�，并通過對(duì)比測(cè)試展示了愛立信TD-LTE產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)。愛立信認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)是體現(xiàn)運(yùn)營商差異化的重要指標(biāo)。目前，愛立信在全球有大約50%的LTE市場份額[7]，正是歸功于優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)性能。愛立信在中國發(fā)展的歷史已超過120年，上世紀(jì)90年代至今的GSM建設(shè)更積累了良好口碑，希望在當(dāng)下及未來中國LTE市場上同樣展示出優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)性能，服務(wù)于中國運(yùn)營商和中國用戶。

七、參考文獻(xiàn)

1、www.lte-tdd.org/

2、www.gsacom.com

3、《4G移動(dòng)通信技術(shù)權(quán)威指南》，堵久輝、繆慶育譯，人民郵電出版社，2012年；原著為”4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband”, Erik Dahlman, etc, Elsevier, 2011

4、3GPP 36.213

5、“LTE TDD and LTE Advanced Carrier Aggregation LIVE”,www.signalresearch.com

6、LTE FDD外場性能研究，堵久輝

7、www.ericsson.com

作者：堵久輝