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[技术规范] LTE移动通信网络设计V1.0 [复制链接]

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2015-9-23
发表于 2017-1-5 21:28:05 |显示全部楼层
LTE 移动通信网络设计
(V1.0)
一、 LTE 移动通信网络概述
1. LTE 发展演进情况
LTE 是 3G 的演进,是在 2004 年 3GPP 多伦多会议上提出的。LTE 是 3G 与 4G
技术之间的一个过渡,它改进并增强了 3G 的空中接入技术,采用 OFDM 和 MIMO
作为其无线网络演进的唯一标准。
LTE 版本演进及升级历程如下:
 2008 年 1 月:3GPP 将 LTE 列入 3GPP R8 正式标准;
 2008 年 12 月:3GPP 发布了 LTE R8 版本的 FDD-LTE 和 TDD-LTE 标准,它定
义了 LTE 基本功能,包含了 LTE 的绝大部分特性,原则上完成了 LTE 标准草
案,LTE 进入实质研发阶段。
 2009 年底:完成 LTE R9 版本,R9 版本主要以完善和增强 LTE 系统为目标,
与以前的版本相比变化不大,已在 2009 年底完成。
 后续:LTE R10 将以 LTE-Advanced 为主要内容,R10 版本可以超过 l00M 带宽
以上,上行传输性能也应进一步提升。LTE-Advanced 从 3GPP R10 版本协议开
始,形成了载波聚合(CA) 、多点协作(CoMP) 、中继(relay) 、增强的小区
间干扰协调(eICIC)和 MIMO 增强 5 个关键技术。
2. LTE 系统设计要求
(1)频谱带宽配置
实现灵活的频谱带宽配置, 支持 1.4MHz, 3MHz, 5MHz, l0MHz, 15MHz 和 20MHz
的带宽设置,从技术上保证 LTE 系统可以使用第三代移动通信系统的频谱。
(2)小区边缘传输速率
提高小区边缘传输速率,改善用户的小区边缘的体验,增强 LTE 系统的覆盖性
能,主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现。
(3)数据率和频谱利用率
在数据率和频谱利用率方面,实现下行峰值速率 100Mbit/s,上行峰值速率
50Mbit/s;频谱利用率为 HSPA 的 2~4 倍,用户平均吞吐量为 HSPA 的 2~4 倍。为保
证 LTE 系统在频谱利用率方面的技术优势,主要通过多天线技术、自适应调制与编
码和基于信道质量的频率选择性调度实现。
(4)时延
提供低时延,使用户平面内部单向传输时延低于 5ms,控制平面从睡眠状态到激
活状态的迁移时间低于 50ms,从驻留状态到激活状态的迁移时间小于 100ms,以增
强对实时业务的支持。
(5)多媒体广播和多播业务。
(6)支持增强型 MBMS(E-MBMS) 。
(7)取消 CS 域,CS 域业务在 PS 域实现(如 VoIP) 。
(8)系统结构简单化,低成本建网。
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3. LTE 系统架构
LTE 系统主要由 E-UTRAN 和 EPC 组成(见图 1.3.1) 。
E-UTRAN 由 WCDMA 的 UTRAN 演进而来,与 UTRAN 相比,去掉了 RNC,
向扁平化的结构迈进了一步。
LTE 的核心网 EPC(Evolved Packet Core,演进的分组交换核心网)主要由 MME
(Mobility Management Entity,移动性管理实体) 、SGW(Serving Gateway,服务网
关)和 PGW(Packet Data Node Gateway,PDN 网关或分组数据节点网关)组成。多
个 EPC 的集合可以称为 EPS(Evolved Packet System,演进的分组交换系统) 。系统
架构如图 1.3.1 所示。
图 1.3.1 LTE 系统架构
各部分的功能如下:
(1)MME 的功能:包括寻呼消息发送,安全控制, Idle 态的移动性管理,SAE
承载管理以及 NAS 信令的加密及完整性保护等。
(2)SGW 的功能:包括数据的路由和传输,以及用户面数据的加密。
(3)eNB 的功能:包括 RRM 功能,IP 头压缩及用户数据流加密,UE 附着时的
MME 选择,寻呼信息的调度传输,广播信息的调度传输以及设置和提供 eNB 的测量
等。
(4)S1 接口:连接 eNB 与核心网边缘节点 MME 及 S-GW,分为控制平面的
S1-MME 和用户平面的 S1-U 接口。
(5)X2 接口:提供 eNB 之间的互相连接,分别提供控制平面和用户平面的功
能,为切换、小区间的 RRM 等功能提供支持。
4. LTE 物理资源
LTE 的物理资源有多个层次,如图 1.4.1 所示。
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图 1.4.1 LTE 的物理资源
LTE 的空中接口的多址技术是以 OFDM 技术为基础的。OFDM 多址接入的资源
具有时间和频率两个维度。这两个维度的大小决定了用户接入资源占用的多少。也就
是说,OFDMA 其实是 TDMA 和 FDMA 的结合。
OFDMA 的主要思想是从时域和频域两个维度将系统的无线资源划分成资源块
(Resource Block,RB) ,每个用户占用其中的一个或者多个资源块。从频域的角度
说,无线资源块包括多个子载波;从时域上说,无线资源块包括多个 OFDM 符号周
期。也就是说,OFDMA 本质上是 TDMA+FDMA 的多址方式。
LTE 的空中接口资源分配的基本单位是物理资源块(Physical Resource Block,
PRB) 。 1 个物理资源块 PRB 在频域上包括 12 个连续的子载波, 在时域上包括 7 个连
续的常规 OFDM 符号周期。LTE 的一个物理资源块 PRB 对应的是带宽为 180 kHz、
时长为 0.5 ms 的无线资源,如图 1.4.2 所示。
图 1.4.2 OFDMA 资源块 RB 结构
LTE 的子载波间隔 Δf=15kHz,于是 PRB 在频域上的宽度为
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12×15=180(kHz)
7 个连续的常规 OFDM 符号周期的时间长度为 0.5 ms,每个常规 OFDM 符号周
期为 71.4μs。
LTE 的下行物理资源可以看成由时域和频域资源组成的二维栅格。 可以把一个常
规 OFDM 符号周期和一个子载波组成的资源称为 1 个资源单位(Resource Element,
RE) 。于是,一个 RB 包含的 RE 数目为
12×7=84RE
即一个 RB 包含 84 个 RE。
每一个资源单位 RE 都可以根据无线环境选择 QPSK、 16QAM 或 64QAM 的调制
方式。调制方式为 QPSK 的时候,一个 RE 可携带 2 bit 的信息;调制方式为 16QAM
的时候,一个 RE 可携带 4 bit 的信息;调制方式为 64QAM 的时候,一个 RE 可携带
6 bit 的信息。
LTE 支持 1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz 等级别的动态
带宽配置,带宽的动态配置是通过调整资源块 RB 数目的多少来完成的。不同的 RB
数目又对应着不同的子载波数目,如表 1.4.1 所示。
表 1.4.1 带宽与资源块数目
5. LTE 关键技术
5.1 现阶段的关键技术
(1)OFDM 和 SC-FDMA
LTE 在下行采用 OFDM,上行采用单载波-频分多址(SC-FDMA) 。OFDM 使得
同一小区中用户信号之间可以保持正交性,SC-FDMA 可以看成是对用户信号的频域
分量进行正交频分多址(OFDMA) ,相比于普通 OFDMA,其优点是峰均比较低,从
而可以简化终端上的功放设计和更有效地利用终端上的功放资源。 LTE 中任一时刻同
一用户在上行占用的子载波永远是连续的,以简化终端实现;下行则可以是交错的,
以增加频域分集增益。 未来有可能在上行中引入直接使用 OFDMA, 因它调度更灵活,
也可以简化演进的基站(eNB)侧均衡器和上行使用 MIMO 时的实现。
(2)更高阶调制(64QAM)
LTE 中上、下行均可自适应使用正交相移键控(QPSK) 、16 星座正交幅度调制
(16QAM)和 64QAM 等多种调制技术,64QAM 的使用可以支持更高的峰值速率,
当信道条件足够好和功率资源足够时它也能更有效地利用系统资源。在 R8 LTE 中,
上行支持 64QAM 对终端和 eNB 均为可选。
(3)HARQ
同高速下行分组接入和高速上行分组接入(HSDPA/HSUPA)一样,LTE 也使用
自适应调制编码(AMC)和 HARQ 技术,来进行速率控制和有效利用信道时变特性。
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LTE 下行采用异步自适应 HARQ, eNB 在物理下行控制信道 (PDCCH) 上指示 HARQ
的流程数和当前发送是新的还是重传,终端在 eNB 发送子帧后的第 4 个子帧上返回
确认(ACK)或者否认(NAK)指示,该指示用物理上行控制信道(PUCCH)或物
理上行共享信道(PUSCH)承载,由于是异步 HARQ,每一次重传都需要 eNB 用
PDCCH 进行调度。
上行则采用同步 HARQ,它有两种模式:普通模式和子帧捆绑模式,它们的区别
是:子帧捆绑模式每次对 4 个连续的上行子帧进行捆绑操作,这是为了提高承载基于
IP 的语音(VoIP)业务时的性能,普通模式是对单个子帧操作;两种模式所支持的
HARQ 流程数也是不一样的,普通模式对应的流程数为 8,子帧捆绑模式的流程数为
4。终端根据 eNB 在下行 PDCCH 上的新数据指示(NDI)比特或物理 HARQ 指示信
道 (PHICH) 来判断是否需要重传, 如果需要重传, 终端将会在固定数目子帧后重传。
(4)先进的多天线技术
LTE 在下行灵活使用 MIMO、空分多址(SDMA) 、波束成型和接收/发送分集等
多天线技术:对信干比高和空间信道散列度高(信道矩阵值高和奇异值高)的用户使
用 MIMO 技术,以提供更高的数据速率;当需要为更多用户服务时,利用 SDMA 技
术在同一时频资源上为多个用户同时提供服务;对某些用户使用波束成型技术,将发
送/接收波束对准用户,以提高用户的数据速率;当不需要使用 SDMA,MIMO 也无
法带来附加增益时,使用传统的天线接收、发送分集技术以获取多天线增益。LTE R8
在上行只使用 SDMA 和多天线接收分集技术,未来应该也会考虑 MIMO 技术。LTE
标准目前最高支持 4×4 MIMO, 当带宽为 20MHz 时, 下行峰值速率可达约 300Mbit/s,
上行峰值速率可达约 75Mbit/s,早期部署可能更多会用到 2×2 MIMO。
LTE 阶段定义了 8 种下行多天线 MIMO 传输模式(transmission mode,TM) :单
天线发送(TM1) ;发射分集(TM2) ;循环时延分集(TM3) ;闭环空间复用(TM4) ;
多用户 MIMO (TM5) ;单层闭环空间复用(TM6) ;单流波束成形(TM7) ;双流波
束成形(TM8) 。发展历程如图 1.5.1 所示。
图 1.5.1 下行 MIMO 传输模式发展历程
(5)快速同步技术
LTE 提供两种同步信号: 主同步信号和次同步信号, 它们在每一个物理帧 (10ms)
的两个固定子帧上被等间隔地广播两次,从而保证终端在正常情况下能在 5ms 内获
得同步。终端利用主同步信号来获取次同步信号的相位参考,然后利用次同步信号获
取物理帧的边界定时,最后利用二者确定小区标识号(ID) 。不管系统实际使用的带
宽是多少,同步信号永远使用最中间的 1.08MHz 子载波来承载,以确保支持不同带
宽的终端都可以快速捕获网络。 LTE-FDD 和 LTE-TDD 使用不同的子帧和符号来承载
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同步信号,FDD 和 TDD 双模终端可以借此来确定当前是 FDD 网络还是 TDD 网络。
(6)灵活的控制信道设计
LTE 中下行控制信道 PDCCH(物理下行控制信道)和业务信道 PDSCH(物理下
行共享信道)被时分复用在每个子帧(1ms)的不同 OFDM 符号上,eNB 可以根据
负载情况和信道条件等动态调整分配给 PDCCH 的资源,包括它所占用的 OFDM 符
号数和所使用的功率, eNB 用物理控制格式指示信道 (PCFICH) 来指示分配给 PDCCH
的符号数。
LTE 对业务信道和控制信道使用不同的信道编码,对业务信道使用 Turbo 码,因
它数据块较大可以有更深的交织,对控制信道等则使用卷积码或块编码,这主要是考
虑它们的数据量小、交织深度不足。
(7)自适应资源分配
LTE 资源的最小单位是一个 OFDM 符号上的一个子载波,为方便分配和减小信
令开销,实际资源分配是以资源块(RB)为单位进行的,一个资源块由一个时隙(半
个子帧,0.5ms)上的 12 个子载波(总带宽为 12×15=180kHz)组成。
LTE 可以根据业务类型对资源进行自适应分配, 例如对时延不敏感的非实时业务
(如文件传输 FTP 和网页浏览 HTTP 业务)使用动态分配,即根据所有请求用户的
信道条件和业务需求、系统资源情况等进行动态调度,以最大匹配信道时变特性和充
分利用多用户分集,增加系统的吞吐量。对于实时业务(如 VoIP 业务) ,则可以采用
半持久分配,即 eNB 不通过调度器而直接将预先定义的资源分配给终端,以减少因
需频繁发送请求和等待分配所带来的时延和开销,满足实时业务的需求。
(8)干扰抑制技术
OFDMA 和 SC-FDMA 多址技术的使用使小区内干扰基本得到消除, LTE 在 eNB
间引入 X2 接口,该接口的一个功能是实现切换,另一功能是使得相邻小区能共享负
载信息和进行协调调度,以减小小区间干扰。
LTE 部署时也可以考虑采用部分频率复用技术, 其主要思想是让各相邻小区为位
于其小区边缘的用户分配相互不重叠的子载波资源, 从而确保小区边缘用户也能享受
较高的数据速率,对非小区边缘用户则没有此限制。
(9)网络扁平化
为减少网络处理节点从而减少相关处理时延,LTE 采用了扁平化网络架构,网络
由 eNB、移动性管理实体(MME)和服务网关/分组数据网关(SGW/PGW)组成,
原无线网络控制器(RNC)的功能被相应分散到它们中,大部分功能由 eNB 承担,
这同时也意味着 LTE 不支持软切换(激活集中只能有一个服务的 eNB) ,上行更软切
换功能也是可选的,原关口 GPRS 支持节点(GGSN)/服务 GPRS 支持节点(SGSN)
的功能则由 MME 和 SGW/PGW 完成。
eNB 成为接入网中的核心网元,它实现如下功能:无线资源管理;用户数据的
IP 头压缩和加密;选择 MME,用 S1-MME 接口和 MME 通信来实现移动性管理、寻
呼用户、传递非接入子层(NAS)信令和选择 SGW/PGW 等;用 S1-U 接口和 SGW
通信来传递用户数据。
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MME 的主要功能有:接入子层(AS)安全控制;NAS 信令和其安全;对空闲
模式终端的寻呼;选择 SGW/PGW;跨 MME 切换时选择目标 MME;和 3GPP 网络
互通和切换时实现核心网网元间信令和 3GPP 网络侧 SGSN 的选择。
SGW 的主要功能是:分组路由和前转;用户面交换以支持终端移动性;eNB 间
切换时充当本地移动性锚点;与 3GPP 网络互通时充当移动性锚点;上、下行分组计
费。PGW 的主要功能是:分配 IP 地址;基于用户的分组过滤;合法监听等。
(10)FDD 和 TDD 技术最大共用
WCDMA 和 TD-SCDMA 仅共用核心网和部分上层信令设计,LTE-FDD 和
LTE-TDD 则实现了自物理层往上的最大融合和技术共用,这可以极大地方便网络设
备厂家和终端设备厂家同时开发这两种产品, 也方便运营商使用成对和非配对频率资
源来部署技术基本相同的两套系统。
LTE-FDD 和 LTE-TDD 的差异被最小化, 差异主要体现在双工方式和部分子帧设
计上:LTE-FDD 上、下行采用相同的帧结构,但占用不同的频率。LTE-TDD 上、下
行在同一频率上,但占用不同的子帧;LTE-FDD 和 LTE-TDD 的帧结构相同,一个无
线帧(10ms)由 10 个子帧(各 1ms)组成,当使用相同长度的循环前缀(CP)时每
个子帧中的 OFDM 符号数也相同。但 LTE-TDD 的子帧 0 和 5 固定用于下行,子帧 1
是一个特殊子帧,它承载下行导频时隙(DwPTS) 、上行导频时隙(UpPTS)和它们
间的保护期,子帧 2 固定用于上行,其它子帧可以根据系统的上、下行速率需求进行
灵活分配。当系统需要分配较多的上行资源,例如需要将后半个帧中的部分子帧分配
给上行时,子帧 6 也将用于承载 DwPTS、UpPTS 和它们间的保护期。
5.2 LTE-Advanced 关键技术
(1)聚合多载波
IMT-Advanced 要求支持最大 100MHz 带宽,以实现下行 1Gbit/s、上行 500Mbit/s
的超高峰值速率,这将主要通过载波聚合来实现。如聚合 5 个 20MHz 的载波,这些
载波可以是连续的,也可以是离散的,可以在同一频段上,也可以在不同频段上。后
者使运营商可以有效利用自己拥有的不同载波,使部署更加灵活。当进行载波聚合时
应该根据上下行需求灵活考虑上下行载波带宽,多载波间应进行协调调度和控制。
(2)高阶 MIMO
LTE-Advanced 将在下行引入 8×8 甚至有可能更高阶的 MIMO,在上行引入 4×4
MIMO,并可能通过改进单用户 MIMO 和多用户 MIMO 算法、使用更多码字的多码
MIMO 等,来实现更高的峰值速率。
LTE-Advanced 阶段,3GPP 在下行引入了一种新型的 MIMO 传输模式——TM9。
TM9 可以采用基于非码本和码本两种预编码方式。
(3)智能中继
中继和传统直放站的区别是它更像是一个使用无线回程(Backhaul)的微基站,
它只放大信号而避免放大噪声和干扰, 从而能既增加覆盖也增加容量。 LTE-Advanced
已接受层3和带内中继方式以支持旧 LTE终端, 即 Relay站支持层 1到层 3基本协议,
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具有自己的 ID 和调度功能, 在一个 R8 的 LTE 终端看来, 它就像是一个普通的 eNB,
它与终端间的通信和它与 eNB 间的回程通信时分复用在同一频带上进行。
(4)异构网络
LTE-Advanced 将通过综合使用宏蜂窝、 微蜂窝、 微微蜂窝、 家庭基站 (Home NB) 、
中继等提供泛在服务和节省网络部署及运营成本。异构网络间的协调、移动性管理和
干扰控制将是研究的热点。
(5)协调多点发送
协调多点发送(CoMP)主要考虑三种技术:合作干扰抑制、协调波束成型和联
合处理。合作干扰抑制是指将一些资源进行分割,通过对特定资源不使用或者减小使
用功率来避免或者减少干扰。协调波束成型通过扩展的 eNB 间接口来协调相邻基站
的天线波束,实现波束对准本小区的用户和避开使用相同资源的邻小区用户。联合处
理则是指分布式基站/天线间采用协同和联合处理,来为一个或多个用户实现分布式
MIMO 发送或接收。
(6)先进的干扰管理
CoMP 可以规避或者减少干扰,为了更有效地支持异构网络部署,特别是提高小
区边缘用户的使用体验,有必要引入更多的干扰抑制技术,如不同场景下如何选择干
扰最优的服务基站、小区间的干扰协调和负载均衡技术、终端和基站相互协同的干扰
管理策略等。
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二、 LTE 网络覆盖分析
1. LTE 覆盖能力的影响因素
在 WCDMA 和 TD-SCDMA 的 3GPP R4 版本之前,不同的业务通过功率控制,
尽量维持其额定的速率, 即“动态的功率、 额定的速率”。 当小区边缘的覆盖电平太低,
使得信噪比低于一定程度,且不满足该业务的解调门限时,该业务则无法继续。也就
是说,不同的业务有不同的覆盖范围。
在 LTE 里,由于采用 AMC(自适应编码调制)技术,功率可以不变,业务速率
是可变的;当覆盖电平不足以支撑较高的业务速率时,通过降低速率,业务还可以继
续, 即不同的速率有不同的解调门限要求。 降低速率要求, 可以增加覆盖范围。 其实,
这一点和 3GPP R5 版本的 HSDPA 技术是相同的。
LTE 的覆盖能力应该是满足一定业务速率要求的最大覆盖范围。也就是说,要说
LTE 的一个小区覆盖多大范围,必须指出满足多大的边缘速率要求。
在一定业务速率要求下,LTE 的覆盖能力还和基站的发射功率、选用的载波频率
及带宽、多天线方式、RB 资源占用情况、RRM 算法的选用、帧结构等因素有关,如
图 2.1.1 所示。发射功率由每个 RE 进行均分,可以应对灵活的资源分配和发射。
图 2.1.1 LTE 覆盖能力的影响因素
1.1 发射功率
发送功率对覆盖的影响是一把“双刃剑”。一方面,基站发射功率的增大,会使覆
盖能力增强;另一方面,基站发射功率的增大,会导致小区间干扰的迅速增加。
也就是说,功率不是越大越好,要看功率的增加,信噪比是否相应增加。功率大
到一定程度,干扰的增加会导致信噪比的恶化,于是频谱效率开始下降,如图 2.1.2
所示。在一定功率值附近,信噪比和频谱效率达到峰值。
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图 2.1.2 发射功率和信噪比的关系
实际设备功率取值一定要在覆盖能力、 频谱效率、 设备成本与体积方面综合权衡。
基站的下行发射功率和 UE 的上行覆盖能力是不一样的,因此上、下行的覆盖水
平可能不一致。
1.2 载波频率及带宽
LTE 支持从 700 MHz~2.6 GHz 等多种频段。高频段的传播损耗、穿透损耗比低
频段的要大 10 dB 左右。所以使用高频段时,LTE 的覆盖范围要缩小很多。表 2.1.1
是自由空间传播模型下,不同频率的路径损耗的对比。
表 2.1.1 不同频率的自由空间损耗(dB)
1.3 多天线的选用
多天线技术如何选用、是否开启对覆盖有比较大的影响。通常来说,天线数目配
置越多,覆盖范围越大,分集模式比复用模式覆盖范围大。也就是说,天线配置、天
线工作模式对覆盖影响显著。
对于上行链路来说,基站侧天线数增加,体现为接收分集增益能力的提升。
对于下行链路来说,发射分集时,4 天线、8 天线比 2 天线的增益稍高;采用波
束赋型时,8 天线比 2 天线高 6 dB 左右的增益。采用波束赋型后,小区边缘频谱效
率比采用发射分集时有明显提升。基于波束赋型的天线工作方式,在下行方向,既提
供了赋型增益, 又提供了分集增益。 而在发射分集模式的时候, 没有赋型增益的效果。
1.4 RB 资源占用
LTE 支持 1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz 等多种带宽的
动态配置。
一方面,用户占用的载波资源越多,接收机底噪越大,对覆盖有收缩效果;另一
方面,业务信道占用的子载波数目越多,在边缘业务速率要求一定的情况下,支持的
覆盖距离就越大。
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业务信道由专用信道变为共享信道后,不同用户的 RB 资源占用不同,覆盖范围
也不一样。资源占用越多,意味着带宽增大,覆盖范围的变化需分析噪声上升和解调
门限要求降低两个趋势中哪个占据优势。
LTE 需根据信道环境、业务速率需求及 QoS 要求来选择合适的业务信道资源配
置方式。单用户带宽过大,接入用户数就会减少,所以单用户子载波数目的调度需要
兼顾总体接入用户的规模。LTE 增加了 64QAM 高阶调制方式,高阶调制的解调门限
也增加了,因此高阶调制的覆盖范围相对其他方式来说会有所缩小。降低业务速率需
求、降低调制/解调等级,降低信噪比、降低 QoS 要求,可提高覆盖范围。
控制信道(PDCCH、PUCCH、PRACH 等)的资源配置的方式不同,覆盖能力
也就不同。如 PDCCH 的 DCl 格式等效编码率不同,PUCCH 的 CQI 的反馈模式、
PRACH 的不同格式配置、不同循环移位参数配置都影响其能够获得的解调门限。解
调门限要求过高,覆盖范围则相应缩小。
1.5 RRM 算法
对覆盖有影响的 RRM 算法主要是 ICIC 模块、DRA 模块。小区间干扰的存在会
导致接收机底噪的抬升,从而降低接收机灵敏度。因此 ICIC 模块的使用效果通过影
响上、下行接收机的灵敏度,而影响了覆盖范围。动态资源调度 DRA 决定了用户使
用的子载波数目和调制编码方式,从而影响了覆盖范围。
1.6 CP 配置
CP 配置影响克服多径延迟带来的干扰效果,限制了理论上最大的覆盖范围,和
实际覆盖能力没有太直接的关系。在密集城区,多径环境比较复杂的条件下,常规
CP(Normal CP)配置适用于 1.5 km 以内的覆盖范围,扩展 CP(Extend CP)适用于
5 km 以内的覆盖范围。
2. 覆盖能力分析
2.1 基本流程
覆盖估算的目的是从覆盖的角度计算所需基站的数目。 最根本的计算思路是规划
覆盖面积与单基站的覆盖面积之比,如下式所示:
覆盖估算的基本流程如图 2.2.1 所示。
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图 2.2.1 覆盖估算的基本流程
在规划初期确立建网目标时,规划覆盖目标是热点区域覆盖,还是城区范围内连
续覆盖,规划覆盖面积是多少就已经确定。现在的问题是单基站覆盖面积如何确定。
链路预算就是根据发射端天线口功率、接收端最小接收电平,来考虑无线环境的
各种影响因素并计算最大允许路损的过程。
覆盖估算讲究两个平衡:
(1)上、下行覆盖的平衡;
(2)业务信道和控制信道覆盖的平衡。
由于基站和手机的发射功率不同,最小接收电平也不同,上、下行的覆盖能力可
能有较大的差别,需要分别进行链路预算,找出覆盖受限的短板。
由于业务信道、共享信道的调制方式、编码方式、资源占用数目等因素的不同,
也有可能导致覆盖范围的不同,也需要分别进行链路预算。
根据链路预算,选择最大允许路损计算结果中的最小值,就是计算基站覆盖半径
的输入。
传播模型描述了路损和距离的关系。也就是说,最大允许路损(MAPL)对应的
就是最大覆盖距离。在实际的无线环境中,传播模型要进行必要的系数校正,使其更
加符合实际的传播环境。现在常用的传播模型为 COST231-Rata 模型。
最大覆盖距离相当于基站的覆盖半径。按照标准的蜂窝结构(正六边形) ,可以
计算出单基站的覆盖面积。
根据规划面积与单基站覆盖面积之比,便可以求出满足覆盖要求的基站数目。
2.2 LTE 链路预算
2.2.1 传播模型
LTE 链路预算采用 COST231-Hata 模型,该模型的应用范围如下:
频率范围:1500~2000MHz。
基站高度:30~200m。
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终端天线高度:1~10m
COST231-Hata 模型可以用如下公式表示:
式中:
f c ——工作频率(MHz)
h te ——基站有效高度(m)
h re ——移动台有效高度(m)
d——基站天线与移动台天线的有效距离(km)
α(h re )——接收端有效天线修正因子
C M ——大城市中心修正因子
由于一些 LTE 网络的工作频段在 2.3GHz 和 2.6GHz,已经超过了标准
COST231-Hata 模型,及 150~2000MHz 的标准频段范围,因此,在实际的 LTE 系统
设计,COST231-Hata 模型必须在 CW 测试结果的基础上予以校正。
2.2.2 计算方法
链路预算首先是根据覆盖目标, 估算用户设备和基站天线之间的最大允许链路损
耗(MAPL,Max Attenuation Path Loss) ;然后利用 MAPL 通过合适的传播模型(如
Cost-Hata、Okumura-Hata 等) ,计算最大的小区半径;最后通过小区半径可以得到覆
盖目标区域所需要的最少基站数目,从而指导无线网络的覆盖规划。
LTE 链路预算分为上行和下行链路预算,两者在计算原理上相同。基于设定的上
下行边缘速率,在一定的链路预算参数输入下分别计算出上下行的覆盖半径,通过比
较即可得到受限的覆盖半径。
相较 3G 网络, LTE 网络空中接口有基带协议相似性近 90%的 TDD 和 FDD 两种
双工方式,采用了正交频分复用(OFDM) 、多输入多输出(MIMO) 、高阶调制技术、
链路自适应技术(AMC) 、混合自动重传(HARQ)等先进的无线链路技术,并可应
用调度算法、小区间干扰消除技术(ICIC)等无线资源管理算法优化空口资源的配置
方式及消除干扰。
上述技术在提升 LTE 无线网络性能的同时,为 LTE 空口的链路预算增加了新的
复杂性。
链路预算是评估无线网络覆盖的主要手段。 链路预算通过对搜集到的发射机和接
收机间的设备参数、系统参数及各种余量进行处理,得到满足系统性能要求时允许的
MAPL。利用链路预算得出的最大路径损耗和相应的传播模型可计算出特定区域下的
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覆盖半径,从而初步估算出网络规模。
计算用户设备(UE)和 eNodeB 天线间的 MAPL 是链路预算的最关键步骤。其
计算方法为: MAPL=发端 EIRP 一最小接收信号电平+其他增益一其他损耗一其他余
量。
图 2.2.2 和图 2.2.3 分别给出了 LTE 系统下行和上行链路预算模型。
图 2.2.2 LTE 系统下行链路预算模型
图 2.2.3 LTE 系统上行链路预算模型
计算 LTE 链路预算的主要公式如下:
MAPL=发射端 EIRP 一最小接收信号电平+其他增益一其他损耗一其他余量
进行链路预算,首先要确定边缘速率要求。不同目标数据速率的解调门限不同,
导致覆盖半径也不同。确定边缘速率后,便可根据式(1)计算最大允许路径损耗
(MAPL) 。
式中:
P max ——发射机最大发射功率
G Tx ——发射机天线增益
G Rx ——接收机天线增益
L cable ——馈线损耗
L body ——人体损耗
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M shadowfading ——阴影衰落余量
M interference ——干扰余量
S Rx ——接收机灵敏度
I penetration ——建筑物穿透损耗
2.2.3 链路预算结果
假设采用 FDD 双工模式,频段为 1.8 GHz,系统带宽 20MHz,覆盖场景为密集
市区,天线配置下行 2×2、上行 1×2,MIMO 采用空间分集方式,下行和上行边缘速
率要求分别为 1M kbps/256kbps,移动速度为步行 3km/h,信道模型使用 ETU3,传播
模型使用 Cost-Hata 231。则下行/上行业务信道(PDSCH/PUSCH)的链路预算结果如
表 2.2.9 所示。
由表 2.2.9 可知,在采用上述参数时,LTE 链路预算上行受限,应取上行的站间
距作为下一步覆盖估算的依据。
2.3 结果分析与比较
2.3.1 覆盖场景比较
不同场景(如密集市区和普通市区)主要影响穿透损耗及传播模型中的天线高度
因子和环境校正因子。密集市区和普通市区链路预算的对比如表 2.2.10 所示。
由表 2.2.10 可知, 普通市区站间距较密集市区多近 40%, 郊区站间距是密集市区
的 3 倍多。
2.3.2 双工方式的比较
为了确保比较的公平性,假定 FDD-LTE 及 TD-LTE 均工作在 1.8GHz 频段,
FDD-LTE的带宽为10MHz*2, TD-LTE的带宽为20MHz, 信道模型均为ETU3。 TD-LTE
采用 DL:UL=2:2 的时隙配比。
两种双工方式的链路预算的差异主要如下:
1)基站噪声系数:不同厂家设备 FDD-LTE 的基站噪声系数较低,但差异不大。
2)天线配置:
①FDD-LTE 的天线配置一般为下行 2×2、上行 1×2;TD-LTE 的天线配置除以上
配置外,多数应用下行 8×2、上行 1×8。这样的天线配置方式将为 TD-LTE 带来优于
FDD-LTE 约 6dB 的天线增益。
②由于 TD-LTE 可应用 8 天线,下行基站可应用天线 MIMO 的波束赋形模式,
上行基站可应用 IRC 干扰抑制算法,因此有助于减少干扰,得到新的增益。
以上因素中,前者影响基站发射端总的最大发射功率,后者影响 SINR 值及干扰
余量。
3)频率调度算法:TD-LTE 由于上下行时隙分开,上行及下行都可以运用信道
预估算法获得算法增益,从而影响解调门限 SINR 值。
4)RB 资源分配:TD-LTE 采用 TDD 双工方式,上下行分时隙传输,并具备特
殊子帧,因此上下行无法连续传输的占空比将导致 RB 资源分配上的差别,在同样的
边缘速率条件下,TDD 需要占用更多的带宽(即分配更多的 RB) ,从而影响到 SINR
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值。
表 2.2.9 LTE 密集市区下行/上行链路预算结果
参数取定
1.8G FDD
LTE 上行链路预算  LTE 下行链路预算
系统参数
边缘数据速率(kbps)  1024  4096
应用场景  密集市区  密集市区
工作频率(MHz)  1785  1880
带宽(MHz)  20  20
MIMO 模式  1T2R  2T2R
MCS  8  12
使用 RB 数  8  20
使用带宽(KHz)  1440  3600
发射机参数
最大发射功率(dBm)  23  43
多天线增益(dB)  0  0
实际发射功率(dBm)  23  36.01
需要分配功率的 RB 数  8  20
发射天线高度(m)  1.5  35
发射天线增益(dBi)  0  18
接收机参数
SINR 要求(dB)  0.4  4
接收机噪声系数(dB)  2.5  7
接收机灵敏度(dB)  -109.41 -97.33
接收天线高度(m)  35  1.5
接收天线增益(dBi)  18  0
其它增益及
余量
边缘覆盖率(%)  75  75
阴影衰落标准差(dB)  10  10
阴影衰落余量(dB)  6.74 6.74
穿透损耗(dB)  20  20
人体损耗(dB)  0  0
干扰余量(dB)  3  3
馈线损耗(dB)  1  1
切换增益(dB)  4  4
快衰落余量(dB)  0  0
最大路径损

室外最大路径损耗(dB)  143.67 144.60
室内最大路径损耗(dB)  123.67 124.60
站距计算
基站天线高度(m)  35  35
Cm  3  3
a(hm)(大城市)  -0.000919047  -0.000919047
a(hm)(中小城市)  0.04264744  0.044674206
a(hm)(hm=1.5m)  0  0
a1  138.19  138.95
a2  34.79  34.79
覆盖半径(室外)(km)  1.44  1.45
覆盖半径(室内)(km)  0.38  0.39
室外覆盖建议站距(km)  2.16  2.18
室内覆盖建议站距(km)  0.57  0.58
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表 2.2.10 不同场景的链路预算结果比较
应用场景
密集市区  一般市区  郊区
上行 1M  下行 4M  上行 1M  下行 4M  上行 1M  下行 4M
覆盖半径(室外)(km)  1.44 1.45 1.92 1.94 4.80 4.86
覆盖半径(室内)(km)  0.38 0.39 0.71 0.72 2.03 2.05
综上所述,FDD-LTE 及 TD-LTE 在链路预算上的差异主要体现在解调门限上。
此外,基站天线的最大发射功率受到天线数量的影响,基站噪声系数有些微小差异。
链路预算结果的对比如表 2.2.11 所示。
表 2.2.11 FDD 与 TDD 的链路预算结果比较
制式  FDD  TDD
系统参数
边缘数据速率(kbps)  4096  4096
应用场景  密集市区  密集市区
最大路径损耗
室外最大路径损耗(dB)  144.60 140.60
室内最大路径损耗(dB)  124.60 120.60
站距计算
覆盖半径(室外)(km)  1.45 1.11
覆盖半径(室内)(km)  0.39 0.30
由表 2.2.11 可以推断,在同等假设条件下:
1)当天线配置方式一致时,FDD-LTE 的 MAPL 大于 TD-LTE,即 FDD-LTE 的
覆盖能力略优于 TD-LTE;
2)当 TD-LTE 采用实际应用时常用的天线配置方式(8 天线,波束赋形)及信
道预估算法时,TD-LTE 与 FDD-LTE 的覆盖能力基本一致。
2.3.3 与 WCDMA 的对比
表 2.2.12 为 LTE 上下行链路预算实例及与 WCDMA 的覆盖对比,频段为 1.8G,
边缘速率上行取 256 kbit/s,下行取 1 Mbit/s,系统带宽为 20MHz,密集城区场景,
小区边缘 MIMO 工作在发射分集模式。
表 2.1.12 LTE 上下行链路预算实例及与 WCDMA 的覆盖对比
业务种类  单位  WCDMA CS64  1.8G FDD
覆盖区域 密集市区  密集市区
覆盖半径(室外)  km  1.23 1.44
覆盖半径(室内)  km  0.33 0.38




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