长期演进无线容量和承载能力分析

中国移动通信集团江苏移动有限公司 张永庆

1 LTE无线资源概述

LTE（长期演进）物理层包含下行信道和上行信道，其中下行信道包含PBCH（物理广播信道）、PDCCH（物理下行控制信道）、PDSCH（物理下行共享信道）、PCFICH（物理控制格式指示信道）、PHICH〔物理HARQ（混合自动重传请求）指示信道〕、PMCH（物理多播信道）。PBCH承载小区ID（标识）等系统信息，用于小区搜索过程。PDCCH承载寻呼和用户数据的资源分配信息以及与用户数据相关的HARQ信息。PDSCH承载下行用户数据。PCFICH承载控制信道所在OFDM（正交频分多址）符号的位置信息。PHICH承载HARQ的ACK/NACK（确认/非确认）信息。PMCH承载多播信息。

上行信道包含PRACH（物理随机接入信道）、PUSCH（物理上行共享信道）、PUCCH（物理上行控制信道）。PRACH承载随机接入前导。PUSCH承载上行用户数据。PUCCH承载HARQ的ACK/NACK，调度请求，信道质量指示。

分析上述LTE信道，限制LTE无线容量的主要因素是：

1）下行业务资源。下行业务资源主要是下行PRB（物理无线块）资源和带宽资源。

2）下行信令资源。下行信令资源主要是PDCCH资源和寻呼资源。

3）上行业务资源。上行业务资源主要是上行PRB资源和带宽资源。

4）上行信令资源。上行信令资源主要是PRACH资源。

2 LTE上下行业务容量

LTE采用OFDM技术，不同于WCDMA（宽带码分多址）采用的扩频技术（每个symbol占用带宽都是3.84MHz），通过扩频增益等技术来对抗干扰。OFDM则是每个symbol都对应一个正交子载波，通过载波间正交性来对抗干扰。协议规定，通常情况下子载波间隔15 kHz，normalCP（循环前缀）情况下，每个子载波一个slot有7个symbol；extend CP情况下，每个子载波一个slot有6个symbol。频率上连续12个子载波，时域上一个slot，称为1个RB（无线块），1个RB带宽为180 kHz。

LTE时隙帧结构见图1。

RB是业务面数据最小调度单位，下行PRB利用率和上行PRB利用率可作为衡量前向业务信道负荷指标的参数。但基于无线数据业务特性，在高速率情况下少数几个用户就能将所有业务资源全部占用，因此PRB利用率并不能完全反映LTE网络的业务资源负荷，还需小区用户数共同反映LTE网络业务资源负荷情况。

LTE下行吞吐量在密集城区平均吞吐率能力仿真如下。

LTE数据吞吐率见表1。

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小区承载能力采用基于用户体验和话务模型的分析方法。图2为五步骤分析方法。

忙时用户激活比Rb：放号用户中，有多少用户在忙时使用网络。在LTE中用户开机，就会attach附着，因此用户激活比就是相当于开机率。

其中，Ub为忙时总附着用户数，n为放号数。

忙时业务激活比Rs：附着的用户中，建立RRC（无线资源连接）的平均时长比例。

其中，tba为忙时平均每附着用户RRC连接时长，Ubr为忙时平均RRC用户数，Ua为忙时总附着用户数。

忙时同时传输比Rt：指空口连接时，有多大比例时间传输数据。

其中，tbt为忙时平均每用户传输时长，tb为忙时平均每用户RRC连接时长。

参考当前业界LTE的话务模型，取LTE的话务用户模型见表2，LTE小区承载能力见表3。

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根据上表得出的结论，LTE在无线容量侧主要是下行受限，小区支持的最大放号用户数约为2 656个。

3 LTE上行信令容量

PRACH信道容量定义：在满足碰撞概率为1%的前提下，每秒能够支持的成功接入次数。

PRACH信道容量主要受限于：

·每帧中配置的PRACH时隙数；

·产品处理能力。

竞争接入与竞争前导数和PRACH数量相关，根据R2-070206，碰撞概率P与竞争前导数、PRACH数量的关系为

其中，G为每秒竞争接入次数，即为PRACH容量；L为每秒内RA（路由区）资源的总数。P的目标值一般设为1%。

每秒PRACH数量计算举例：

·20MHz带宽；

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·普通CP配置；

·每帧中配置2个PRACH时隙；

·前导序列总数为64（假定其中52个配置为随机前导）；

·L为每秒内RA（路由区）资源的总数（随机前导数量乘每秒内PRACH数量）；

·P为用户接入碰撞概率，通常取值0.01。

根据下式可以得到PRACH信道的容量G为

根据以上的分析，在满足碰撞概率为1%的条件下，接入信道每秒能够支持的成功接入次数约为104次。

其中，C为接入信道容量，U c为单用户忙时呼叫次数。参考当前信令模型，单用户忙时呼叫次数为64次，则LTE上行信令容量分析为

4 LTE下行信令容量

寻呼容量的定义：每秒钟可发送的寻呼消息数量。

按照协议，每一个TTI（传输时间间隔）只能发送一个paging消息，最多携带16个UEID（终端识别号）。paging消息指示〔DL（下行）grant〕在PDCCH发送，paging消息内容在PDSCH发送。

每秒最大可以发送的寻呼消息数计算结果见表4。

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Nb是每个寻呼周期有多少个TTI可以发送寻呼，实际上就是表征每个帧有多少个子帧可以发寻呼。如果4个寻呼周期表示每个帧有4个TTI可以发寻呼，1/4个寻呼周期表示每4个帧有一个TTI可以发送寻呼。

在表4中，Nb典型取值为1，每秒可发送寻呼消息数量为1 600次。

跟踪区（TA）的功能与GSM（全球数字移动通信）的位置区概念类似。TA包含相同TAC（跟踪区码）配置的小区群体，网络覆盖区都根据TAC被划分成许多个跟踪区。MME（多媒交换系统）同时给终端分配TAI（目标区识别）list，该TAIlist包含一组TA，终端保存好这个TAIlist，终端在这些TA中移动时，不需要再发送TA更新消息给EPC（进化分组核心）。网络通过在整个跟踪区内的所有小区发送寻呼消息来寻呼idle态的UE（终端），通知其下行数据到达。首先在TA下进行寻呼，如果寻呼不到情况下，再到TAL下进行寻呼。

假定一个TA下有30个基站（90个小区），一个TA list包含5个TA（150个基站，450个小区）。

这里涉及到寻呼系数kp的定义：

寻呼系数kp等于多次寻呼包含的小区数与寻呼成功率的加权平均数＝95%×30×3＋5%×150×3＝108，考虑第一次在TA寻呼（含30个基站），成功率为95%，第二次在TAL寻呼（含150个基站），成功率为5%。相当于1条寻呼消息要在108个小区范围内发送。

寻呼信道承载能力计算公式：

其中，Up为寻呼信道承载用户数，Gp为寻呼信道容量，U为被叫次数。当Nb典型取值为1时，寻呼信道容量为1 600条/秒，参考当前信令模型，单用户忙时被叫次数为32次，则寻呼信道承载最大放号用户数

若Nb取极限值4时,寻呼信道容量为6 400条/秒，则

5 LTE承载能力分析小结

综上所述，LTE单小区承载能力见表5。

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LTE小区承载用户的能力与用户话务模型强相关，不同地区和网络，以及同一网络不同发展时期，用户行为习惯不同，话务模型都会有较大的变化，因此LTE小区的用户承载能力，要根据现网用户模型，具体分析LTE小区的承载能力。 ◆