LTE覆蓋計畫

對於移動通信網路運營商，鏈路預算的準確性關係到LTE網路的覆蓋質量和網路建設成本。因此，LTE FDD網路鏈路預算和覆蓋估算是LTE FDD網路部署過程中既複雜又關鍵的問題。

基本介紹

• 中文名：長期演進技術覆蓋計畫
• 外文名：LTE coverage plan
• 套用學科：通信

概述

LTE網路的覆蓋估算主要包括需求分析、鏈路預算、單站覆蓋面積3個部分，其中需求分析部分的主要指標包括目標業務速率、業務質量及通信機率要求；鏈路預算部分則是根據需求分析的結果，結合不同的參數和場景計算出無線信號在空中傳播時最大允許路徑損耗（MaximumAllowedPathLoss，MAPL），並根據相應的傳播模型估算出小區的覆蓋半徑；單站覆蓋面積的計算是基於鏈路預算所得出的小區覆蓋半徑估算出每個eNB的覆蓋面積，從而可以得到規劃區域內所需要的eNB數量。全向站和三扇區站的拓撲結構示意圖及單站覆蓋面積公式如圖1所示。

圖1 小區拓撲結構及單站覆蓋面積計算

LTE鏈路預算參數

鏈路預算是通信系統用來評估網路覆蓋的主要手段。鏈路預算通過對蒐集到的發射機和接收機之間的設備參數、系統參數及各種餘量進行處理，得到滿足系統性能要求時允許的最大允許路徑損耗。利用鏈路預算得出的最大路徑損耗和相應的傳播模型可以計算出特定區域下的覆蓋半徑，從而初步估算出網路規模。

計算UE和eNB天線之間的最大允許路徑損耗是鏈路預算最關鍵的步驟，其計算方法如下。

MAPL=發端EIRP–最小接收信號電平+其他增益–其他損耗–其他餘量

圖2和圖3分別給出了LTEFDD系統下行和上行鏈路預算的模型。

圖2 LTE FDD下行鏈路預算模型

圖3 LTE FDD上行鏈路預算模型

按照上述的鏈路預算模型，本節將鏈路預算參數分為系統參數、發射端相關參數、接收端相關參數和增益損耗餘量參數等4個部分，下面分別對每個部分所包含的參數進行介紹。

系統參數

系統參數主要包含工作頻段、工作頻寬、雙工模式、覆蓋場景等參數。

–工作頻段：LTEFDD協定支持700MHz～2.6GHz的頻段，採用FDD雙工模式，本節的計算實例使用2.6GHz頻段。

–工作頻寬：LTEFDD支持1.4M、3M、5M、10M和20M共6種頻寬。LTEFDD使用OFDMA多址方式，其子載波頻寬為15kHz，每12個連續的子載波組成一個資源塊RB。表1給出了LTEFDD各種頻寬下對應額RB數量和子載波數量。圖4為5MHz系統頻寬下無線信道結構圖。其中活動資源塊表示已經分配給用戶，用於數據傳送的資源塊。

表1 LTEFDD系統頻寬、RB數量、子載波數量

系統頻寬/MHz	RB數量	子載波數量	傳輸頻寬/MHz
1.4	6	72	1.08
3	15	180	2.7
5	25	300	4.5
10	50	600	9
15	75	900	13.5
20	100	1200	18

圖4 系統頻寬為5MHz時無線信道結構

發射端參數

發射端相關參數用於計算發射端有效全向輻射功率（EquivalentIsotropicallyRadiatedPower，EIRP），主要包括天饋參數、發射功率、增益、損耗。發射端EIRP的計算方法如下。

發端EIRP=最大發射功率+增益–損耗

–天饋參數：主要包括波瓣寬度、增益、掛高等，需要針對特定的頻段、覆蓋場景和要求選擇合適的天線增益和高度，對於3扇區站點通常選擇65度波瓣角天線。表2給出了天線增益及高度的取值參考。

表2 天線增益及高度的取值參考

場景	eNB天線增益		eNB天線高度	UE天線高度
	900MHz及以下	1500MHz及以上
密集城區	15dBi	18dBi	25m	1.5m
城區			25m
郊區			35m
農村			40m

–發射功率：對於LTEFDD系統，eNB發射功率一般取每通道20W，即43dBm；UE最大發射功率定義為200mW，即23dBm。

–增益：主要包括天線增益。

–損耗：主要包含合路器、塔放等器件插入損耗以及饋線損耗。表3給出了饋線損耗取值參考。

表3 饋線損耗取值

類型	尺寸	損耗/（dB/100m）
		900M	2100M	2600M
LDF4	1/2"	6.855	10.961	12.09
AL5	7/8"	3.903	6.246	6.89
LDP6	5/4"	2.627	4.342	4.828
AL7	13/8"	2.333	3.798	4.208

接收端參數

接收端相關參數主要用於計算最小接收電平，主要包括接收靈敏度、噪聲係數、解調門限、天線增益、線纜損耗、人體損耗等。

最小接收電平=接收靈敏度–總增益+總接收損耗

–接收靈敏度：在輸入端無外界噪聲或干擾條件下，在所分配的資源頻寬內，滿足業務質量要求的最小接收信號功率。在LTEFDD系統中，接收靈敏度為所需的子載波的複合接收靈敏度，其計算方法為

複合接收靈敏度=每子載波接收靈敏度+10×lg（需要的子載波數）

=背景噪聲密度+10×lg（子載波間隔）+噪聲係數+解調門限

+10×lg（需要的子載波數）

其中，背景噪聲密度即熱噪聲功率譜密度，等於波爾茲曼常數k與絕對溫度T的乘積，為−174dBm/Hz。子載波間隔為15kHz，接收機噪聲係數取值參考表4。解調門限由系統仿真得到。

表4 噪聲係數取值參考

頻段	1800MHz及以下	2.1GHz	AWS	2.6GHz
eNB噪聲係數	2.3	2.3	2	2.5
UE噪聲係數	7

–解調門限是指信號與干擾和噪聲比（SignaltoInterferenceplusNoiseRatio，SINR）門限，是有用信號相對於噪聲的比值，是計算接收機靈敏度的關鍵參數，是設備性能和功能算法的綜合體現，在鏈路預算中具有極其重要的地位。在LTEFDD系統中，解調門限與頻段、信道類型、移動速度、多輸入多輸出（Multi-inputMulti-output，MIMO）方式、調製編碼方式（ModulationandCodingScheme，MCS）、誤塊率（BLER）等因素相關。圖5給出了在BLER為10%時得出的SINR與CQI關係的仿真結果。

圖5 BLER為10%，SINR-CQI關係曲線

–接收增益：包括天線增益，塔放增益等。

–接收損耗：包括饋線損耗、人體損耗等。

其他增益損耗及餘量

其他增益損耗餘量主要包括MIMO增益、時隙綁定增益、干擾抑制合併（InterferenceRejectionCombining，IRC）增益、穿透損耗、陰影衰落餘量、干擾餘量，其中MIMO增益、時隙綁定增益、IRC增益體現在解調門限中。LTE只支持硬切換，硬切換可以降低邊緣接收信號的強度要求，給系統覆蓋帶來增益，一般取值為2～5dB。

陰影衰落是指電磁波在傳播路徑上受到建築物阻擋產生的陰影效應所帶來的損耗。在短區間（數十至數百波長）電平中值服從對數常態分配，其變化率比傳送信息率慢，故稱為慢衰落。為了對抗這種衰落帶來的影響，在鏈路預算中通常採用預留餘量的方法，稱為陰影衰落餘量。陰影衰落標準差的取值和陰影衰落機率密度函式的標準方差的取值呈線性關係。表5給出了不同覆蓋場景對應的陰影衰落餘量和穿透損耗取值參考。

表5 陰影衰落參數及穿透損耗取值參考

場景	區域覆蓋機率	陰影衰落標準差/dB	穿透損耗/dB
			2600M	2100M	900M
密集市區	95%	11.7	20	20	18
一般市區	95%	9.4	16	16	14
郊區	90%	7.2	12	12	10
鄉村	90%	6.2	8	8	7

LTEFDD速率計算基本原理

速率計算的基本原理是在一定的時長和頻寬組成的無線資源中，扣除公共信道（參考信號、PDCCH等）的開銷，得出可用於數據傳輸的無線資源數（RE數），再考慮調製編碼效率，計算出該段時長內承載的bit數量，即速率。下行參考信號（ReferenceSignal，RS）及PDCCH分布、上行RS分布分別如圖6（a）和圖6（b）所示。

圖6 下行RS及PDCCH分布、上行RS分布示意圖

下行速率計算：Service_rate+CRC=（168−36−12）×（Code_rate×code_bits）×NRB×C

其中，當天線模式為2T2R_MCW時，C等於2；當天線模式為其他模式時，C等於1。

上行速率計算：Service_rate+CRC=（168−24）×（Code_rate×code_bits）×NRB。

其中，CRC為24bit；MCS效率為Code_rate與Code_bits的乘積；Service_rate指經過層2處理，尚未加CRC而到層1的傳輸速率。可見，LTE的速率與資源數量（RB數）與MCS效率（由信號質量來確定）相關。提高任何一個因素，均可以提升速率。表6給出了上下行業務速率的計算示例。

表6 上下行業務速率計算示例

上/下行	業務速率/kbit/s	需RB數	需MCS	MCS效率
UL	64	2	QPSK0.15	0.31
	128	4	QPSK0.13	0.26
	256	4	QPSK0.24	0.49
	512	8	QPSK0.23	0.47
DL	512	10	QPSK0.22	0.45
	1024	10	QPSK0.44	0.87
	2048	20	QPSK0.43	0.86

LTE覆蓋預測

LTE覆蓋場景

-覆蓋場景：網路規劃中通常考慮4種典型的場景，分別對應典型的信道模型。場景的設定將影響計算小區半徑時使用的傳播模型公式，同時也影響如基站天線高度及穿透損耗等的參數取值。不同的信道模型將採用不同的解調門限，從而得到不同的小區半徑。各種場景對應的信道模型如表7所示。

表7 各種覆蓋場景對應的信道模型

場景	信道模型	移動速度
密集城區	ETU3	3km/h
城區	ETU30	30km/h
郊區	ETU60	60km/h
農村	EVA120	120km/h

LTE鏈路預算

如前所述，鏈路預算是為了計算出在特定情況下所允許的最大路徑損耗，通常我們認為最大路徑損耗在小區覆蓋邊緣處出現。當然，這裡提到的覆蓋邊緣可以是維持通信的最差信號來定義，也可以是業務速率下降到一定程度時用戶所處的位置。本節根據後者進行鏈路預算示例，同時列出HSPA上行的鏈路預算實例進行對比。鏈路預算需要考慮下列方面。

-對通用設定首先確定參考取值：這裡取Uu接口頻寬為20MHz，下行單通道發射功率43dBm，上行UE最大發射功率23dBm，小區邊緣MIMO工作於發射分集模式，BLER目標設定為10%，密集城區場景。

-所期望的小區邊緣速率：這裡取下行2048kbit/s/上行512kbit/s。

-小區邊緣用戶所分配的RB數量：RB資源在一個小區內是有限的，由表1可知，20MHz頻寬時一個小區內的RB總數為100。由於小區邊緣用戶SINR很低，編碼效率相對較低，因此小區邊緣UE每個RB的傳送效率很低，如果為小區邊緣UE分配過多的RB，會影響整個小區所能提供的吞吐量。在實際網路中，不同設備廠商的設備在RB分配方面有不同的算法，可調整RB分配算法中的相關參數來平衡小區邊緣用戶吞吐率和小區吞吐率性能。在本節中，小區邊緣UE所能分配的上下行最大RB數分別為8和20。

–確定所需的MCS：3GPP規範TS36.213中規定了20和8個RB在不同的MCS等級下所對應的傳輸塊大小（TransportBlockSize，TBS），為了滿足下行2048kbit/s/上行512kbit/s的邊緣速率，需要的下行和上行的TBS分別為2088和552，分別對應的MCS等級為6和3，調製方式為QPSK。根據10.3.2.5小節的計算公式，可以得到MCS效率分別為0.87和0.47。

–確定所需的SINR：所需的下行/上行SINR分別為1.5dB和–3dB。

–接收機靈敏度：接收機靈敏度和分配的RB數量、接收機噪聲係數、所需SINR取值有關。

–穿透損耗、陰影衰落餘量、天線增益、饋線損耗、塔頂放大器增益、干擾餘量、硬切換增益等參數根據前述內容確定，該實例中的取值參見表8。

表8 鏈路預算實例

		單位	LTE上行/512kbit/s	LTE下行/; 2048kbit/s	HSUPA/256kbit/s/; 1900MHz	備註
發射機	最大發射功率	dBm	23	43	23	a
	發射天線增益	dBi	0	18	0	b
	EIRP	dBm	23	61	23	c=a+b
接收機	接收機噪聲; 係數	dB	2.5	7	2.3	d
	熱噪聲	dBm	−112.39	−108.41	−108.13	e=k(Boltzmann)×; T(290K)×B; (180kHz×N)

（續）

		單位	LTE上行/512kbit/s	LTE下行/; 2048kbit/s	HSUPA/256kbit/s/; 1900MHz	備註
接收機	接收基底噪聲	dBm	−109.89	−101.41	−105.83	f=d+e
	SINR	dB	−3	1.5	−11.53	g
	接收機靈敏度	dBm	−112.89	−99.91	−117.36	h=g+f
	接收天線增益	dBi	18	0	18	i
增益餘量損耗	干擾餘量	dB	2	2	6.02	j
	饋線損耗	dB	2	2	2	k
	塔放增益	dB	2	0	2	l
	陰影衰落	dB	11.7	11.7	11.7	m
	穿透損耗	dB	20	20	20	n
	人體損耗	dB	0	0	0	o
	發射分集增益	dB	0	2.5	0	p
	分集接收增益	dB	2.5	0	2.5	q
	切換增益	dB	4	4	2.5	r
最大路徑損耗	最大路徑損耗	dB	126.69	131.71	125.64	S=c–h+i−j−k+l−m−n−o+p+q+r

LTE覆蓋預測

根據鏈路預算所得到的最大允許的路徑損耗，結合具體的傳播模型，可以估算出LTEFDD小區的覆蓋半徑。值得說明的是，為了使估算出的小區半徑更加具有可參考性，在估算之前必須結合實際無線環境對傳播模型進行校正。

本節的覆蓋估算採用Cost231-Hata的修正模型，同時考慮該模型在大城市中心的修正因子。在2600MHz頻段下，可以估算出上下行小區覆蓋半徑分別為0.31km和0.43km，這裡取上行的估算結果用以計算每個三扇區基站所覆蓋的面積，估算出的單站覆蓋面積為0.97km。對於HSUPA由於使用1900MHz頻率，其覆蓋距離可達到0.39km。

由上述實例，在LTEFDD和HSUPA邊緣速率要求分別為512kbit/s和256kbit/s時，HSUPA的覆蓋距離大於LTEFDD覆蓋距離。利用上面的方法，我們可以得出當LTEFDD邊緣速率要求為256kbit/s時，其覆蓋距離超過了HSUPA的覆蓋距離。

傳播模型的準確性在很大程度上決定了覆蓋估算結果的是否有效和可用。因此，在進行覆蓋估算之前，必須針對不同的覆蓋區域類型進行大量的傳播模型校正工作，從而保證覆蓋估算結果的精確度。

覆蓋增強技術

LTE上行覆蓋增強技術

LTE上行覆蓋增強技術主要包括TTIBundling、ICIC、IRC、4天線接收、TMA等。這裡針對TTIBundling進行詳細介紹。

LTE中物理層調度的基本單位是1ms，這樣小的時間間隔可以使得LTE中套用的時間延遲較小。然而，在某些小區邊緣，覆蓋受限的情況下，UE由於受到其本身發射功率的限制，在1ms的時間間隔內可能無法滿足數據傳送的誤塊率（BLER）要求。例如對於長度為33位元組的VOIP數據包（包含L1/L2層的頭部信息）在1ms的時間內傳送，物理層的速率需要達到312kbit/s。對於某些情況下的LTE小區邊緣可能無法達到這一要求。

為此，對於上述情況的VOIP包，LTE中可以在RLC層對其進行分片（Segmentation），對於每一分片採用獨立的HARQ進程分別進行傳輸。

RLC層分片的方法會帶來額外的頭部開銷和系統控制信令的開銷。而且，HARQ反饋的錯誤解碼對於RLC層分片的影響也不容忽視。

為此，LTE中提出了TTIBundling的概念，對於上行的連續TTI進行綁定，分配給同一UE。這些上行的TTI中，傳送的是相同內容的不同RV版本。這樣可以提高數據解碼成功的機率，提高LTE的上行覆蓋範圍，代價是增加了一些時間延遲。eNB只有在收到所有綁定的上行幀以後才反饋HARQ的ACK/NACK，這樣就會減少所需的HARQ的ACK/NACK數目，同時由於上行資源進行一次分配，而套用到所有綁定的上行幀，這樣上行資源分配的開銷也會減少。

TTIBundling模式的配置是通過上層信令中的參數ul-SCH-Config：ttiBundling來進行的。觸發條件可以是UE上報了上行功率受限等。TTIBundling模式只對UL-SCH有效。TTIBundling中連續傳送的TTI數目，也就是TTIBundle_Size定義為4。對於非TTIBundling的上行幀，存在8個HARQ的進程。對於TTIBundling的HARQ進程，則有4個。LTE中規定TTIBundling重傳的時間間隔為16個TTI，也就是16個1ms的子幀。

在圖7，中上行子幀0，1，2，3綁定在一起，通過HARQProcess0進行傳輸。子幀0～3分別傳送相同傳輸塊的不同冗餘版本RV0、RV1、RV2、RV3。eNB有4ms的處理時間（包括傳輸延遲）。在子幀7，eNB會通過PHICH來傳送ACK或NACK，在本例中是NACK。HARQProcess0對應的TTIBundling將從子幀16開始進行重傳。如果在子幀12處，UE接收到DCI格式0的PDCCH，指示上行的資源分配，那么TTIBundling的上行HARQ重傳就是自適應的，在指示的資源頻帶上進行傳輸，否則就是非自適應的，採用和初次傳輸相同的上行資源進行傳輸。

圖7 TTI Bundling原理示意圖

對於普通非綁定的上行子幀，其重傳的時間是8ms；對於綁定的上行子幀，其重傳的時間為16ms。因此，對於同一UE以及不同UE之間的上行子幀調度，需要避免相互之間的衝突。

LTE下行覆蓋增強技術

LTE下行覆蓋增強技術主要包括下行4×2/4×4MIMO、RRU上塔、高輸出功率等。

小結

主要論述了LTEFDD系統的上下行鏈路預算方法及關鍵參數的取值，並闡述了如何基於鏈路預算得到的最大允許路徑損耗來估算小區的覆蓋半徑和單站覆蓋面積。同時，本節也通過鏈路預算和小區半徑估算的實例明確了LTEFDD系統中鏈路預算及覆蓋估算需要考慮的以下幾個方面。

-需要結合網路中的設備對小區邊緣用戶分配的RB數量進行確定，同時還要考慮邊緣用戶吞吐量和小區吞吐量之間的平衡。

-實際網路中的無線設備在調度及收發性能方面不盡相同，在鏈路預算中需要根據實際情況來確定SINR、RB數量分配及MCS編碼效率等參數。

-在進行覆蓋估算時，需要結合實際環境對傳播模型進行校正。

-可初步認為，當LTEFDD和HSUPA的負載相當時，在典型邊緣速率要求下，兩系統共站址是可行的。