李秋香,徐晓东,周伯慧
(中国移动通信有限公司研究院 北京100053)
公共参考信号(common reference signal,CRS)用于控制信道和业务信道接收时的信道估计,其接收功率(common reference signal received power,CRS RSRP)间接反映控制信道和业务信道的信号强度。公共参考信号干扰噪声比 (common reference signal to interference and noise ratio,CRS SINR)是信号功率相对于噪声与干扰功率之和的比值,可反映信号质量。TD-LTE由于其特殊的设计方式,如随机序列加扰、跳频传输、功率控制及干扰抑制技术等,可进行同频组网,在进行LTE商用网络规划时,一般考虑CRS RSRP、CRS SINR、边缘速率等指标,而边缘速率与CRS SINR规划指标密切相关,因此本文主要对CRS RSRP和CRS SINR这两个规划指标进行分析。
TD-LTE在标准上与LTE FDD进行了融合,采用与LTE FDD等长的子帧结构,继承了TD-SCDMA帧结构的特点,包括上行子帧、下行子帧、特殊子帧,其中特殊子帧由下行导频时隙(downlink pilot time slot,DwPTS)、保护间隔 (guard period,GP)和上行导频时隙 (uplink pilot time slot,UpPTS)3部分组成。TD-LTE系统通过GP实现同一频段上同时进行上下行传输,在DwPTS上传输主同步信号(PSS),剩余资源可用于下行数据传输,UpPTS可承载随机接入信号和上行信号质量估计信道。与TD-SCDMA相比,TD-LTE具有更灵活的子帧配比和特殊子帧配比,以适应不同的业务速率要求,在进行网络规划时,需根据实际情况选择合适的子帧配比。
合理的CRS RSRP和CRS SINR规划指标是保证用户体验的前提。用户体验主要包括驻留网络、接入网络以及使用业务3个环节。不同的用户体验环节对RSRP的要求基本相同,RSRP满足用户驻留的要求后,一般也可满足用户接入和使用业务的要求。
不同的用户体验环节对SINR的要求不同。在用户驻留网络环节,SINR需保证用户可正确接收系统广播消息;在用户接入网络环节,SINR需保证可在网络中建立连接并发起业务;在用户使用业务环节,用户需求的数据速率不同,直接带来对SINR的要求不同。一般来说,在上述环节中,保证一定业务速率对SINR的要求最高,用户接入对SINR的要求次之,用户驻留对SINR的要求最低。
RSRP需满足用户驻留网络的要求,以保证终端可以正确接收系统消息。理论上用户驻留网络最小的RSRP要求与终端的接收机灵敏度相同。以8天线系统为例,接收灵敏度=热噪声密度+10lg(BW)+接收机噪声系数+解调门限=-174 dBm/Hz+10lg15 000+7 dB+解调门限=-125 dBm+解调门限。终端类型、实现及个体差异导致各终端的解调性能存在一定的差异性,在无其他干扰的情况下,假设解调门限为0 dB,接收灵敏度为-125 dBm,此时满足驻留网络对RSRP的要求为-125 dBm@15 kHz(TD-SCDMA终端接收机灵敏度对应RSCP为-106 dBm@1.28 MHz)。
上述驻留网络对RSRP的最小要求考虑的是下行,当系统为下行覆盖受限时,只要实际RSRP大于终端驻留所需求的最小RSRP,终端即可驻留网络。但在实际系统中,由于不同小区采用不同的天线配置或者负载,覆盖有可能是上行先受限,此时,即使实际RSRP大于驻留网络所需求的最小RSRP,终端可能由于上行覆盖较弱而无法驻留网络。以下仅从下行覆盖受限的角度来考虑RSRP的规划指标。
用户使用过程中,由于存在人体损耗、车体损耗、穿透损耗、邻区干扰等不确定因素的影响,为保证实际的覆盖效果,实际规划RSRP指标需预留一定的余量,所以实际规划RSRP指标应为驻留网络所需最小RSRP与预留余量之和,而余量和使用场景、频段、环境等有关。
在利用室外宏基站覆盖室内的场景下,室外宏基站RSRP规划指标,在终端驻留RSRP基础上,如果考虑人体损耗3 dB、邻区干扰余量(3 dB)、OTA(6 dB)和穿透损耗(假设一般主城区F频段室内覆盖目标的穿透损耗为13 dB左右),室外F频段非手持终端RSRP规划指标为-100 dBm。但在不同场景、不同频段情况下,需考虑不同穿透损耗和干扰余量。
上述RSRP规划指标指的是终端天线口接收到的信号电平值。实际上,验收时所用终端、终端所处位置都是多样的,一般来说验收位置都在室外,可能在车内也可能在车外,验收所采用的终端也有可能是手持终端或非手持终端。如果在车内验收,需考虑车体损耗;如果采用手持终端,则实际测量的RSRP已经包含人体损耗,无论是手持还是非手持终端,测量值都已经包含了OTA。总之,验收位置和终端决定了验收评估时的RSRP值,该值与规划指标是不同的。
对于室内用户而言,只要终端接收到的RSRP在-122 dBm以上即可,考虑了接收灵敏度加邻区干扰余量,以保证用户体验的稳定性。
对于室外而言,如果采用车外手持终端验收,以F频段为例,终端已包含OTA,人体损耗也已经计算在内,因此需在规划指标的基础上排除OTA和人体损耗,因此,RSRP评估指标为:-100 dBm-6 dBm-3 dBm=-109 dBm;如果采用车内非手持终端验收,终端已包含OTA,不包含人体损耗,但存在车体损耗,假设车体损耗为6 dB,则车内非手持终端评估指标为:-100 dBm-6 dBm-6 dBm=-112 dBm。
因此,在评估网络覆盖水平时,在考虑网络规划指标的基础上,还需考虑终端类型及所处位置。
网络规划中使用的CRS SINR为公共参考信号的信干噪比,而和业务速率等用户体验直接相关的是业务信道的SINR。CRS SINR与业务信道SINR之间(进而与业务速率之间)的关系受全网负载水平、天线传输模式和传播环境、终端性能以及速率满足的概率等因素共同影响。
(1)网络负载水平的影响
在网络空载情况下,服务小区公共参考信号仅受到邻区与其模3相同的公共参考信号的干扰,而业务信道则受到与本小区非模3冲突的公共参考信号干扰,公共参考信号受到的干扰与业务信道受到的干扰不一致。在50%网络负载情况下,公共参考信号和业务信道在多个小区间会相互产生干扰,在调度算法相对固定的情况下,业务信道与公共参考信号的SINR对应关系相对收敛;在100%网络负载下,邻区公共参考信号及业务信道均占满全部资源,CRS受到的干扰与用户业务信道受到的干扰一致,业务信道与公共参考信号的SINR对应关系相对固定。在网络实际规划或验收时,可综合考虑未来网络典型负载情况、公共参考信号与业务信道SINR之间的关系等因素,确定应采用何种网络负载水平进行规划或验收。
(2)传播环境和天线模式的影响
信道传播环境直接影响LTE的天线模式选择,而不同天线模式下CRS SINR与用户业务速率之间的关系存在差异。以8天线为例,在信道质量较差区域,一般采用波束成形TM7及发送分集TM2两种天线模式。TM2在各种场景下的性能相对比较固定,TM7相对TM2的性能有所提升,因此在保证一定速率的前提下,TM7与TM2相比,可降低对CRS SINR的要求。传播环境和天线模式对CRS SINR规划指标的影响见表1。测试结果显示,同一场景下,以95%高于某SINR的取值作为规划指标,在满足相同的边缘速率的要求下,TM7较TM2对CRS SINR的要求可降低1~3 dB,不同场景SINR的规划指标有所差异。TM7的性能增益与应用场景、厂商实现和算法等密切相关。
表1 传播环境和天线模式对CRS SINR规划指标的影响
在实际网络规划中,若使用TM2固定模式进行规划,可以确保信号质量CRS SINR和用户业务速率关系稳定,可反映最差情况下对网络的要求,用户实际使用TM2/TM7自适应模式验收时将获得更高速率;若同时采用自适应模式进行规划和验收,则规划与验收时的天线模式和用户体验基本一致,但不同环境、不同厂商波束成形增益波动性较大,CRS SINR和用户业务速率关系波动较大,实际操作较为复杂。
(3)端到端产品性能的影响
不同芯片、品牌、类型的终端的解调性能存在较大差异,导致在相同位置处的速率存在较大差异。在发射功率一定的情况下,基站和终端的接收机性能指标越差,达到相同目标速率时需要的SINR越高。如果兼顾性能较差的终端,SINR规划指标要预留一定余量。
(4)达到一定速率的概率的影响
对RSRP和SINR的规划指标而言,通常要求全网95%以上的概率高于某规划指标。对业务需求而言,需包含一定的业务速率要求以及达到该速率的概率,因为即使同一速率要求,若要求满足的概率不同,对SINR规划指标的要求也不同。假设在某特定场景下,邻区100%负载、TM2模式下,目标规划速率为2 Mbit/s,若规划SINR指标为[-4,-3],约73%概率高于2 Mbit/s;若规划SINR指标为[-3,2],约86%概率高于2 Mbit/s。
(5)接入过程对SINR的要求
为了保证用户的感知,需保证用户具有一定的接入成功率,从表2某终端在加扰情况下的实际测试结果中可以看出,终端在不同SINR下的接入成功率是不同的。
表2 SINR和接入成功率的关系
因CRS SINR和用户业务速率之间关系复杂,不同场景下两者的对应关系有所差异,在实际确定网络规划指标时,需结合实际的目标速率及概率要求,并充分考虑不同场景的差异来确定CRS SINR的规划指标。
在干扰情况相对复杂、干扰比较随机的场景(如室外道路场景)中,速率主要随SINR变化,不同RSRP下的速率也有可能相同。但在干扰情况简单、干扰相对收敛的场景中,如室内分布、“孤站”等场景,随着RSRP的增加,SINR也随之增加,此时,RSRP越高,速率越高。实际复杂的网络环境下,用户速率与信号强度RSRP无必然联系,主要取决于信号质量SINR。
此外,RSRP与基站发射功率、站间距有较大关系,但SINR与这两者的关系不明显。不同发射功率下全网CRS RSRP CDF与CRS SINR CDF分别如图1和图2所示。在网络结构固定的情况下,全网RSRP水平随基站发射功率提高而增强,存在较为确定的对应关系;而网络中的有用信号和干扰信号随功率同升同降,整体上看,在不同功率配置下,小区边缘/平均SINR没有明显差异。
TD-LTE帧结构如图3所示,1个无线帧包含10个子帧,1个子帧长1 ms,常规子帧包含2个时隙,下行和上行子帧之间有1个特殊子帧,包含3个部分,即DwPTS、GP和UpPTS。上下行子帧配比和特殊子帧配比有很多种,通过调整上行和下行子帧数的配比,TD-LTE系统可以满足不同的上下行数据传输业务比例的需求。特殊子帧的配比也有多种选择,以适应不同的传输距离。TD-LTE上下行子帧配置见表3(其中,S表示特殊子帧,D表示下行子帧,U表示上行子帧)。TD-LTE特殊子帧配置见表4。
表3 TD-LTE上下行子帧配置
表4 TD-LTE特殊子帧配置
与TD-SCDMA帧结构相比,TD-LTE系统保留了TD-SCDMA系统的一些基本特征,如灵活的上下行时隙配比,根据业务需求实现灵活的上下行子帧配置;特殊子帧保留和TD-SCDMA系统类似的结构,由DwPTS、GP和UpPTS 3部分依次组成。
同时,TD-LTE在TD-SCDMA的基础上做了一些改进,与TD-SCDMA的子帧结构有所差别,具体如下。
·子帧长度不同:TD-SCDMA正常子帧长度是0.675 ms,但特殊子帧长度是0.275 ms,而TD-LTE的正常子帧和特殊子帧长度都是1 ms。
·调度周期不同:TD-SCDMA的调度周期是5 ms,而TD-LTE的调度周期是1 ms,具有更短的时延和更大的灵活性。
·特殊子帧配置不同:TD-LTE特殊子帧可灵活配置,
DwPTS、GP、UpPTS可以选择不同的长度,以适应覆盖、容量、邻频共存、规避远距离基站干扰等不同场景的需要,且在某些配置下,DwPTS可以传输数据,进一步提高资源利用效率。而TD-SCDMA的特殊子帧的DwPTS、GP、UpPTS是固定的,且不能传输数据。
TD-LTE具有灵活的上下行子帧和特殊子帧配置方式,实际配置需考虑多方面的影响因素。
第一,上下行业务需求。移动宽带业务的上下行流量是不对称的,其上下行业务流量比为1∶4~1∶6。而TD-LTE可提供灵活的上下行配置。移动宽带业务上下行流量之比见表5。在上下行时隙配比为1∶3的情况下,TD-LTE上下行数据速率比例约为1∶5.94,与移动宽带业务的上下行流量之比接近。TD-LTE上下行速率之比见表6。
第二,与TD-SCDMA同频共存或邻频共存。当TD-LTE与TD-SCDMA同频共存或当TD-SCDMA采用FA宽频功放,与TD-SCDMA在FA邻频共存时,两个网络的上下行转换时间一定要对齐以避免干扰。TD-SCDMA和TD-LTE邻频共存时的子帧配比如图4所示。TD-SCDMA上下行子帧配比为3∶3时,TD-LTE上下行子帧配比应为2∶2,特殊子帧 最 佳 配 置 为10∶2∶2,此 时DwPTS可 用 于 传 输 数 据。TD-SCDMA上下行子帧配比为2∶4时,TD-LTE上下 行 子 帧配比应为1∶3,TD-LTE特殊子帧可采用3∶9∶2或3∶10∶1等配置,此时,DwPTS无法承载业务数据或部分承载数据,峰值/平均吞吐量较10:2:2配比,有一定的吞吐量损失。
表5 移动宽带业务上下行流量之比
表6 TD-LTE上下行速率之比
图4 TD-SCDMA和TD-LTE邻频共存时子帧配比
因此TD-LTE的子帧配比应该遵循两方面的原则:TD-LTE的子帧配比需保证TD-LTE与TD-SCDMA的上下行转换时间对齐;TD-LTE特殊子帧的GP长度尽可能小,使TD-LTE下行吞吐量最大。
TD-LTE子帧配置,需综合考虑上下行业务需求及与TD-SCDMA邻频共存,同时尽可能使吞吐量最大化,即使用GP较短的特殊子帧配置。根据上下行业务需求差异,上下行子帧配比主要考虑1∶3和2∶2。
对于F频段而言,为了与TD-SCDMA在同频段(如F频段)共存,需要保持子帧上下行转换点保持对齐;对于TD-SCDMA采用宽带功放(F+A)RRU设备的情况,TD-SCDMA的A频段和LTE的F频段邻频共存时也需子帧对齐。因此当TD-SCDMA上下行时隙配比为2∶4时,TD-LTE只能配置为1∶3,但特殊子帧的配比可有多种选择,具体如下。
·DwPTS∶GP∶UpPTS配比为3∶9∶2。系统和终端支持能力较好,但DwPTS不能用于传输下行数据。由于控制信道配置不同、符号/子帧计算方式不同,3∶1时隙配比下,3∶9∶2相 对10∶2∶2下行吞吐量损失为18.7%~20%。
·DwPTS∶GP∶UpPTS配比为6∶6∶2。DwPTS可用于传输下行数据,相比10∶2∶2的配置,容 量损失降至 约10%。目前尚在标准化过程中。
对于D频段而言,不存在与TD-SCDMA共存干扰的问题,上下行子帧配比可以配置为2∶2或1∶3,为使下行吞吐量最大化,特殊子帧配比建议配置为10∶2∶2。
本文对TD-LTE组网的关键规划指标CRS RSRP和CRS SINR及两者之间的关系展开分析。从终端接收灵敏度出发,结合干扰余量、人体损耗及满足一定程度的室内覆盖要求等,理论分析CRS RSRP规划指标要求,给出CRS RSRP规划指标参考值,并在规划指标的基础上,考虑验收时所采用的终端类型及终端所处位置,给出实际验收时的评估指标参考值;从网络负载、传播环境及天线模式、边缘速率要求、终端性能等多个方面分析CRS SINR规划指标的影响因素;分析CRS RSRP和CRS SINR两者之间关系,得出在实际复杂的网络中,CRS RSRP与CRS SINR无必然联系,CRS RSRP与基站发射功率、站间距有较大关系,但SINR与这两者的关系不明显。
此外,本文还对TD-LTE子帧结构特点进行了分析,并与TD-SCDMA的子帧结构进行比较,结合上下行业务速率需求、与TD-SCDMA共存等因素,给出不同频段的子帧配置建议。对F频段而言,考虑到与TD-SCDMA同频共存,或当TD-SCDMA采用FA宽频功放时与TD-SCDMA在FA邻频共存,TD-LTE上下行子帧配比应为1∶3,特殊子帧配比为3∶9∶2、9∶3∶2或6∶6∶2等;对于D频段而言,上下行子帧配比主要考虑上下行业务速率需求灵活配置,为使TD-LTE的速率最大化,特殊子帧配比考虑为10∶2∶2。
1 3GPP TS 36.212.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Multiplexing and Channel Coding
2 3GPP TS 36.211.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation
3 3GPP TS 36.213.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedures
4 戴源,朱晨鸣,王强等.TD-LTE无线网络规划与设计.北京:人民邮电出版社,2012