TD-LTE 无线网络规划若干问题探讨

胡恒杰 赵旭凇 徐德平 张华 张炎炎

（中国移动通信集团设计院有限公司 北京 100080）

在TD-LTE无线网络规划中，频率使用策略、多天线方案选择、调度算法在仿真中的实现以及基站传输带宽需求等几个问题对网络部署具有很重要的意义。本文对上述4个关键问题进行了分析和探讨，并给出了现阶段条件下的应用策略和建议。

1 TD-LTE频率使用方案

TD-LTE的频率使用策略在TD-LTE网络建设中具有至关重要的作用，它直接影响着网络建设规模、网络建设方式、主设备及天线等设备形态和选型、终端产品开发及进程等多个关键环节。

现阶段能够供TD-LTE系统使用的频段和使用场景如下：

（1） F频段（1880～1900MHz，预计今后可使用1880～1920MHz）：室内外场景均可使用；

（2） E频段（2320～2350MHz）：只能在室内场景应用；

（3） D频段（2570～2620MHz）：室内外场景均可使用。

1.1 各频段覆盖差异

无线信号频段不同，由于空间传播的衰减程度以及穿透损耗等方面的差异造成覆盖能力不同。

TD-LTE系统在室外可采用F、D两个频段，以COST 231密集市区传播环境为例说明两频段的差异情况。通过计算得出，F频段覆盖半径为D频段1.64倍。按照覆盖相同面积原则，将相对半径关系进行折算，F频段需要站点数仅为D频段站点数的43%。

与D频段相比，F频段传播损耗、穿透损耗相对较小，可节省一半以上的基站数，因此，能够节省大量资金投入、极大降低建设难度。

1.2 各频段与TD-SCDMA共站差异

通过TD-LTE基站与TD-SCDMA基站覆盖对比，得到如下主要结论：

TD-LTE采用D频段覆盖：与TD-SCDMA共站不能连续覆盖，需要增加站址密度，由于目前正面临选址难的现实问题，因此，采用D频段连续覆盖仅仅通过增加投资尚不能完全解决，会严重影响工程建设进度，后续很可能将带来一定的网络质量问题；

TD-LTE采用F频段覆盖：与现有TD-SCDMA共站下覆盖较好，即工程实施中与TD-SCDMA共站建设，基本不需额外新选站址。同时，F频段覆盖能力明显强于D频段，覆盖半径可增加约40%，节省投资。

1.3 各频段干扰共存条件

（1） F 频段（1880～ 1920MHz）。

可实现与GSM、DCS、WCDMA、cdma2000、TDSCDMA 等系统共存、共址；

与TD-SCDMA系统邻频共存时，在保证上下行时隙同步时，可实现共存、共址；

低端被DCS干扰，通过分析和实际测试，1890MHz往上使用干扰很小，可以忽略；

高端对cdma2000系统造成干扰，需要F频段退5MHz使用。

（2） D频段（2570～2620MHz）：可实现与其他通信系统共存。

（3） E 频段（2570～ 2620MHz）。

由于TD-LTE与TD-SCDMA共用2320～2370MHz频段，与TD-SCDMA系统上下行时隙同步时，可以实现共存、共址。

与WLAN的干扰情况较为严重，网络建设中可采用WLAN末端合路、提高滤波精度、限制设备参数的方式规避。

1.4 主设备支持情况

由于LTE系统取消了RNC，因此，无线系统的主设备仅包括BBU、RRU两部分：

（1）BBU设备：目前F、E、D频段主设备均已支持；F、E频段支持在现有TD-SCDMA设备上软件升级实现。

（2）RRU设备：存在以下几种情况：

F频段：支持在现有TD-SCDMA设备上软件升级实现；

E频段：支持在现有TD-SCDMA设备上软件升级实现；

D频段：由于目前正在评估F/A/D宽频天线性能，考虑到其技术上的实际困难和可能带来的性能损失，初步建议D频段采用独立天馈方式部署，同时，建议D频段采用独立RRU设备。

1.5 小结

根据TD-LTE可用频谱、不同频段的覆盖能力、干扰分析以及设备支持情况等多方面进行了研究，得出了现阶段TD-LTE的频率使用方案和组网建议：

（1）室内采用E频段组网，与TD-SCDMA共用2320～2370Hz频段；

（2）室外采用D频段，积极探讨F频段在后续网络建设中的应用；

（3）在实际的网络部署中，建议采用20MHz带宽同频组网。

2 TD-LTE系统中多天线方案比较

多天线技术能够有效的提高系统吞吐量，增加频谱效率，提升用户体验，因而成为TD-LTE系统中重要的关键技术之一。但是，由于多天线技术的多样化和不同技术所使用的场景不同，标准中规定了多种的天线技术的传输模式。在运营商进行设备选择时，就需要选择合适的传输模式以保证投资回报比最高。

TD-LTE R9协议中规定了8种多天线传输方式，但是通过分析可知，频谱效率较高且更易于实际应用的传输方式主要有3种，即：传输方式4（主传输方式为闭环空间复用），传输方式7（基于专用导频的单流波束赋形）和传输方式8（基于双端口导频的双流波束赋形）。下面将针对这3种传输方式进行性能分析，并对现阶段网络建设提出相关建议。

2.1 仿真比较

为了仿真的公平性，在进行仿真之前，需要首先进行仿真参数的校准。本次仿真使用的主要参数如下：仿真场景选择了密集市区和一般城区。采用六边形小区、19个站址57个小区的模型，载波频率为2.6GHz，穿透损耗模型为经过重新校准的COST 231模型，穿透损耗20dB。不考虑使用ICIC算法，即小区频率复用因子为1，10用户均匀分布。其余细节仿真参数不在此详述。

仿真中所考虑的场景较多，本文仅列出密集城区仿真结果中的下行频谱效率增益进行对比。

图1 各厂家密集城区下行小区频谱效率8天线性能增益对比

图1给出了3个不同厂商设备在密集城区环境中下行小区频谱效率的仿真结果，其中柱1表示两天线仿真结果，柱2表示8天线单流仿真结果，柱3表示8天线双流仿真结果。由图可知，其中图（1）和（3）的仿真结果显示8天线单流波束赋形较2天线传输方式4的性能略有下降，而8天线双流波束赋形则会有一定提升，但提升效果不明显。但图（2）则显示8天线性能较2天线有较明显的提升，其中双流波束赋形的性能增益几乎可以达到双天线性能的2倍。

图2 各厂家密集城区下行小区边缘用户频谱效率8天线性能增益对比

图2给出了3个不同厂商设备在密集城区环境中下行小区边缘用户频谱效率的仿真结果，其中柱1表示两天线仿真结果，柱2表示八天线单流仿真结果，柱3表示八天线双流仿真结果。由图可知，其中图（1）和（2）的仿真结果均显示8天线波束赋形较2天线传输方式4在小区边缘用户的性能上有明显的提升，其频谱效率的提升达到100%～150%。但图（3）则给出了不同的结论，即8天线较2天线性能提升有限，仅能达到15%～24%。

2.2 小结

通过以上分析，由仿真性能比较可知，在进行仿真条件校准的前提下，各厂商设备在8天线设备较2天线设备的性能增益上表现有较大差异。因此，现阶段需要针对2/8天线性能进行专项对比测试，进一步研究确定其对组网性能的影响。

3 调度算法在TD-LTE仿真中的应用

与TD-SCDMA相比，TD-LTE在实现技术上有很大改进，如邻区干扰消除、MIMIO技术和业务调度的引入。因此，在LTE规划仿真中，业务调度是必不可少的一部分功能，同时也是LTE规划仿真的核心技术；从规划仿真技术角度看，LTE规划仿真中业务调度的地位等同于CDMA规划仿真中的功率控制。

3.1 调度算法在LTE系统中的作用

LTE系统eNode B负责管理上行和下行链路的资源调度。其目标是在满足尽可能多的用户条件下，同时尽量满足业务服务质量需求（QoS）。

通常调度算法需要信道状态信息和业务测量信息作为依据，这些信息eNode B直接测量得到，也可以通过反馈信令。信令反馈通常会更准确的反映信道状态和业务信息；另一方面则需要一定的资源开销。

3.2 规划仿真的多用户调度实现

目前常用的多用户调度算法分为两类：（1）最大速率调度。 （2）比例公平调度。最大速率调度是指只有拥有信道条件的用户才被调度，但缺乏用户的公平性。通常调度算法会采用比例公平方式，这种调度方式是在考虑了用户间调度的公平性的基础上，提升小区的吞吐量。

调度算法会影响小区的吞吐量，小区吞吐量是也LTE规划仿真的重要输出指标。为保证仿真结果的可靠性和可信性，LTE规划仿真必须引入多用户的调度。经过大量研究和验证，本文提出适于规划仿真实现的如图3调度算法和流程。

图3 调度算法流程图

如图3中所示，首先要进行调度预处理，也称为调度预热。因为第一次调度没有历史信息，需要进行预处理用于生成正式调度所需的历史流量和SINR。预处理的具体方式是进行N次迭代处理，其结果即可作为正式调度前所需的数据；然后进行上/下行业务调度。上下行的调度方式相同；调度流程为：优先级排序-〉RB资源分配-〉记录调度结果-〉收敛判决。

3.3 基于时间调度的收敛判决方法

容量仿真是规划仿真的重要组成部分，是评估网络性能的重要指标。容量仿真采用蒙特卡罗仿真方法，通过一定的规则不断迭代使其达到平稳分布，作为最终的输出结果。现有3G各制式均基于CDMA技术，CDMA系统以功率控制为核心，在CDMA无线网络规划仿真中，使用蒙特卡罗仿真收敛的判决条件是系统中各网元发射功率达到稳定状态。

LTE系统以调度为核心，经过大量研究和验证，本文提出在LTE无线网络规划仿真中，使用蒙特卡罗仿真收敛的判决条件是所有小区吞吐量和小区边缘吞吐量达到稳定状态。只有稳定状态的仿真结果才能够真实的反映当前状态下LTE网络容量。

具体方法为：将区域内所有小区均收敛作为一次快照的输出结果，为得到网络平均性能，蒙特卡罗仿真是以统计多次快照的平均结果作为网络性能。判断小区收敛有两个条件：（1）小区整体吞吐量收敛；（2）小区边缘吞吐量收敛。而小区边缘吞吐量和小区吞吐量收敛判决流程相同，区别在于计算吞吐量时，只考虑边缘用户。

3.4 小结

LTE规划仿真中，采用本文提出的多用户调度算法及基于调度机制吞吐量的变化率作为仿真收敛的依据，能够真实的反映给定条件下的LTE网络性能。

4 TD-LTE基站传输带宽需求

在北京怀柔以及上海世博的TD-LTE试验网的测试中，TD-LTE的峰值速率均可以达到每小区80Mbit/s左右的理论传输速率。更高的传输速率决定了无线基站所需要的传输带宽要求更高，而无线基站传输带宽要求的不同，也决定了对传输网络规划建设要求的不同。

4.1 峰值传输带宽计算

根据TD-LTE的网络架构可以看到，eNode B基站的总传输带宽需求包括S1用户平面的业务数据带宽需求、S1控制平面的信令传输带宽需求、X2用户平面的业务数据带宽需求和X2控制平面的信令传输带宽需求几部分。

具体计算公式为：

eNode B总带宽需求=（S1用户平面带宽需求+X2用户平面带宽需求）×扇区数＋S1控制平面带宽需求+ X2控制平面带宽需求＋其他开销带宽

从上面的公式可知，要计算基站的峰值传输带宽，需要计算单小区的峰值速率。目前，单小区峰值速率计算有两种方法。

方法一是采用单时隙承载的bit数进行计算。首先分别计算一定带宽和调制方式下的子帧时隙和特殊时隙的所能承载的bit数，然后根据时隙配比、MIMO方式计算单小区的峰值速率。

方法二是采用最大TBsize的方式进行计算。首先根据RB数量及下行调制阶数确定下行时隙的Tbsize ，根据RB数量及上行调制阶数确定上行时隙的Tbsize以及特殊子帧的Tbsize ，然后在分别计算上下行的峰值速率。

这样，如果采用方法一的计算结果，一个TD-LTE基站的峰值传输带宽需求可以按照表1计算。

表1所计算的是一个TD-LTE基站的峰值传输带宽需求，在实际的传输网络的规划建设中，为了保证传输网络的经济效益，一般不按照峰值传输带宽进行传输网络的建设，而是按照一定的方式来计算基站的保证带宽需求。

4.2 保证传输带宽计算

在实际网络中，由于无线传播环境的差异以及用户分布位置不同等原因，用户终端不可能都按照峰值速率工作。如果按照峰值传输带宽进行传输网络的的建设，将会造成很大的传输资源浪费。所以为了保证传输网络的经济效益，一般按照一定的方式来计算基站的保证带宽需求，按照保证带宽需求进行传输网络规划建设。

保证带宽的计算有采用多种方式，可以根据峰值带宽按照一定的收敛比计算，也可以按照峰值和平均值进行配比计算，还可以根据网络仿真进行估算。

4.2.1 根据峰值带宽按照收敛比计算

根据峰值按照收敛比进行计算的方法是在实际配置传输接口时，考虑不同的收敛比进行计算。

表1 传输带宽需求

在实际带宽需求大的场景下应设置较小的收敛比，甚至是不设置收敛比；在实际带宽需求较小的场景下可以设置较大的收敛比。

4.2.2 按照峰值和平均值进行配比计算

按照峰值和平均值进行配比计算的计算方法，是在实际配置传输接口时根据平均值和峰值配比进行计算。

4.2.3 根据网络仿真进行估算

根据网络仿真进行估算的方法，是在一定的网络建设条件下，考虑相应的业务需求，利用仿真工具对TDLTE网络进行仿真，得到网络中每个基站的上下行的平均吞吐量，考虑一定的传输倍增系数，再加上相应的控制平面带宽需求，从而得到该TD-LTE网络中基站实际所需要的带宽。但仿真结果将因仿真条件的变化，仿真工具算法的差异而有所不同。

5 小结

前面给出了TD-LTE基站的峰值传输带宽的计算方法，然后在峰值传输带宽的基础上，给出了3种保证带宽的计算方法，对TD-LTE基站的传输带宽需求进行了分析。3种保证带宽的计算方法所计算出来的结果相差较大，在TD-LTE实际网络建设中，推荐在方法三的基础通过网络实测数据进一步优化网络配置需求。

[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，索士强，全海洋，赵训威，胡海静，姜怡华. 3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计. 北京：人民邮电出版社

[7]赵训威, 林辉, 张明, 姜怡华, 张鹏, 岳然, 李国荣. 3GPP长期演进(LTE)系统架构与技术规范. 北京：人民邮电出版社