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LTE 链路预算中边缘速率的确定和仿真文 中国移动通信集团设计院有限公司常 静 柏 杨【摘 要】在 LTE 的链路预算中，确定小区的覆盖范围主要是确定边缘速率。影响边缘速率的因素有很多，包括基站的发射功率、多天线技术、频率、接收端的解调门限，传输块数量（TB）。其中， 在某种带宽下，接收端的 SNR 和业务速率的对应关系是需要计算的。在实际规划中，可以参考通 常的链路预算流程，并以仿真结果作为一般的指导原则。【关键词】链路预算 发射功率 多天线技术 信噪比 传输块数量 覆盖距离基站的发射功率，使信噪比达到最大。1 引言在无线数据业务开始阶段，一般采取的是不同业务选择不同的功率发射，以维持额 定数据速 率。 即“动态功 率，额定速率 ”。3GPP R4 版本之前都是采用的这种方式，而 在 3GPP R5 版本及以后的 HSDPA 中，采用 了 AMC（自适应编码调制技术），即功率不变， 业务速率变化。当接收机接收到的信号不能 支撑高速率业务时，降低业务速率，还可以 继续保持业务链接。也就是说，业务速率不同， 要求的解调门限也不一样。LTE 中，也是采用的 AMC 技 术，这和 HSDPA 是相同的。2.2 频率的影响LTE 支 持 的 频 率 范 围 是 700MHz 2.6GHz。在无线通信里，高频段的传播损耗 要比低频段的高。所以，采用的频段会影响 LTE 的覆盖范围。2.3 多天线技术天线的分集模式越多，可以覆盖的范围 越大。在使用多天线技术时，采用天线的数 量和技术直接影响覆盖范围。比如使用 8 天 线比 2 天线的增益要大 6dB。波束赋形技术 和 MIMO 技术也会影响基站的覆盖范围。2 影响 LTE 覆盖的因素LTE 最大的覆盖范围是指满足一定业务速率的范围。即如果说 LTE 的覆盖范围是和 业务速率关联的，没有确定覆盖边缘的业务 速率，就不能确定 LTE 的覆盖范围。2.4 带宽、RB 资源和信道配置LTE 支持多带宽动态配置，带宽资源的 配置，直接影响 LTE 的速率，也影响 LTE 的 覆盖范围。用户占用的载波资源越多，接收 机的底噪越大，覆盖范围就会相应的收缩 ； 同时，业务信道占用的子载波数目越多，在 边缘速率要求一定的情况下，覆盖范围也就 越大。占用的带宽越多意味着占用的 RB 资 源越多，即 RB 资源也影响覆盖范围。控制信道的资源配置方式也会影响覆 2.1 基站发射功率由于 LTE 系统是存在小区间的干扰，所 以增大基站的发射功率并不意味着能增大基 站的覆盖范围，也就是说，增大基站的发射 功率不一定能提高信噪比。所以，只能调整862012年 第12期智能建筑与城市信息总第193期盖的能 力。如 PDCCH 的 DCI 格式的等效 编码率不 同，PUCCH 的 CQI 的反馈模 式、 PRACH 不同的格式配置和不同的循环移位参 数配置都影响其能够获得的解调门限。解调 门限要求高，其范围相应的缩小。4 MCS 和信噪比的关系调制方式的阶数越高，即一个波形上调制的符号越多，数据的传输速率也就越大， 但同时对信噪比 SNR 的要求也就越高。如果 SNR 不满足要求而采用高阶调制，解调的过 程中误码率就会很高，导致数据业务的总体 速率低。通过对比高斯白噪声的仿真结果，可以 看到不同的 MCS 对 SNR 环境的要求，如图1 所示。2.5 RRM 算法和子帧结构在 RRM 算法中，对覆盖有影响的主要是 ICIC 模 块 和 DRA 模 块。 小 区 间 的 干 扰 会 影 响接收机的底噪和接收灵敏度。ICIC 模块主 要是调整上下行接收机的灵敏度影响覆盖的 能力。动态资源调度 DRA 主要是通过调整用 户使用的子载波数目和调制编码方式影响覆 盖范围。子帧结构 中，选择常规 CP 还是扩展 CP，限制着理论上最大的覆盖范围。5 SNR 对应的业务速率表 1 Modulation and TBS index table for PDSCH3 RB 数量和 MCS 的对应关系在 LTE 中，由于 RB 数量是数据业务的 物 理 载 体，LTE 的调度算法决定一个 TTI 内 的 TB 模 块 需 要 分 配 多 少 个 RB。 在 LTE 标 准 TS36.213 的 Table 7.1.7.2.1-1:Transport block size table 中有它们的对应关系。由于 表格太大，这里就不引用了。同时，标准中 给出了下行共享信道的中 MCS 和 TB 的对应 关系，如表 1 所示。对于 MCS 的序号代表的调制方式可以查 MCS 指数表，如表 2 所示。在 RRC 中，每种传输信道定义成了一个 SEQUENCE 类 型的机 构，分别对应有 DL_ DCCH_Message、UL_DCCH_Message、 DL_CCCH_Message、UL_CCCH_ Message、PCCH_Message、DL_SHCCH_ Message、UL_SHCCH_Message、BCCH_ FACH_Message、BCCH_BCH_Message。 在 RRC 的 ASN.1 编解码中没有将信道类型 包括其中，但是系统可以根据解析的物理层 信道，得到 RRC 消息使用的信道类型。12 No.193 87Intelligent Building & City Information 2012MCS IndexImcsModulation OrderQmTBS IndexITES0201212223234245256267278289291049114101241113412144131541416415176151861619617206182161922620236212462225623266242762528626292reserved3043167MCS-1QPSK，R=1/86MCS-2QPSK，R=1/5 MCS-3QPSK，R=1/4 MCS-4QPSK，R=1/3Hz 5MCS-5QPSK，R=1/2porMCS-6QPSK，R=2/3MCS-7QPSK，R=4/5second 4MCS-816 QAM，R=1/2 MCS-916 QAM，R=2/3por 3MCS-1016 QAM，R=4/5MCS-1164 QAM，R=2/3Throughput，bitsShannon2MCS-1264 QAM，R=3/4MCS-1364 QAM，R=4/510SNR，dB-10-8 -6 -4 -2 02468101214161820Figure 3.10 ：Throughput of a set of Coding and Modulation Combinations in LTE22T技术与工程echnology and Engineering Cases表 2 MCS 指数表在规划设计 时，根据规划的链路预算 信噪比 SNR，可以查到对应的 MCS， 通 过 MCS 和 TB 的对应表，可以得出当前支持的 TB 的级别，然后根据当前的系统配置带宽， 可查当前 TB 支持的 RB 数量，最后得到当前 支持的最大速率。例如，在 20M 带宽的情况下，SNR为0 时， 对 应 的 MCS 为 5，QPSK，R=1/2，使用双 天线收发流，则对应的 MCS 序号为 9，查询 TBS 序号为 9，查表得 TBS 为 17568，则传 输速率为 175681000=17.56Mbps。（Stream1/2/3/4） Coding rate6 LTE 的链路预算和以往制式的无线链路预算相 比，LTE的链路预算需要考虑相对较多的因素，主要 原因是 LTE 的信道可以灵活配置带宽。但是 从根本上来说，计算的主要思路并没有实质 性的改变。LTE 链路预算需要考虑的特殊因素包括 ： 业务的边缘速率，系统带宽资源的配置，天 线配置、不同信道的接收机解调门限，ICIC 算法的差异对应的干扰余量的变化。这些因 子可以在预算开始时根据实际情况确定下来， 作为已知参数输入到 LTE 的链路预算公式。LTE 链路预算的关键步骤如图 2 所 示。 在实际工作中，链路预算是采用相关工具一882012年 第12期智能建筑与城市信息总第193期图 1 MSC 和 SNR 的对应曲线图MCS IndexNumber of spatial streamsModulation01BPSK1/211QPSK1/221QPSK3/43116-QAM1/24116-QAM3/45164-QAM2/36164-QAM3/47164-QAM5/682BPSK1/292QPSK1/2102QPSK3/411216-QAM1/212216-QAM3/413264-QAM2/314264-QAM3/415264-QAM5/6163BPSK1/2173QPSK1/2183QPSK3/419316-QAM1/220316-QAM3/421364-QAM2/322364-QAM3/423364-QAM5/6244BPSK1/2254QPSK1/2264QPSK3/427416-QAM1/228416-QAM3/429464-QAM2/330464-QAM3/431464-QAM5/6（1）边缘业务速率（2）边缘用户资源配置（RB 数，时隙配比等）（3）天线配置，工作模式（4）发射端等效发射功率（5）接收端最少接收电平（6）无线环境：穿透损耗、 阴影衰落余量等（7）最大允许路损步一步完成的，我们只需关注每个步骤相应的输入和输出即可。等。选择天线的工作模式，对于边缘用户来说，一般选取发射分集或波束赋形。选定了天线 配置和天线的工作模式，一般的链路预算工 具就会关联出相应的天线增益。（4）计算发射端的 RIRP发射端的 RIRP 等效发射功率是机顶口 发射功率减去相关损耗并加上天线增益。在 LTE 里，由于是多用户共享载波资源，因而 单用户天线口功率还需考虑用户功率的分配 损耗。在下行方向 上，在系统带宽为 20MHz的情况下，单天线机顶口发射功率参考值为43dB/m。 每 个 UE 分配的具体功率是和 UE 分配的 RB 数目相关。UE 分配的功率比例就 是该 UE 的 RB 数目和总 RB 数目之比。假若 有 10 个用户，用户的功率分配损耗为 10dB。 在上行方向，终端发射总功率可取 23dB/m。在下行方向，主要的损耗为接头和馈线 的损耗，对于 BBU+RRU 的模式，这个损耗 的参考取值为 0.5 1dB 之间。上行方向主 要考虑的是人体损耗，对于语音业务，损耗 值为 3dB ；对于数据业务移动台，可以不考 虑人体损耗影响，即取 0dB。对于下行天线增益，不同的天线类型取 值不同。室外高增益天线参考取值是 15 20dB ；室内分布天线的增益参考取值为 3 6dB。边缘用户的天线工作模式不同，带来 的处理增益也不同，需要考虑相应的多天线 分集增益，波束赋形增益。天线配置为 22 时，对于天线分集增益，或波束赋形增益， 一般取 23dB 即可。发射端等效发射功率计算如表 3 所 示。 具体规划时如，取值与 LTE 配置相关及无线 环境相关，可能会有很大的差别，但计算方 法类似。（5）计算接收端最小接入电平 接收端的最小接入电平 dB/m 是 接 收 段解调门限加系统底噪、干扰余量、相关损耗，（1）输入边缘业务速率3GPP 协议规定了会话类、交互类、流类、 背景类四类业务，并且又规定每类业务典型 的应用和 QoS 要求。LTE 网络建设首先要满 足这些基本的要求。随着移动互联网业务的 迅速发展，有线宽带移动化使得传统宽带业 务和移动网络紧密的结合，LTE 网络将要承 载更多的宽带业务，包括宽带上网和视频监 控等。所以，在规划中设定 LTE 的边缘覆盖 速率，空载时，链路预算的参考输入值可以 为下行 1Mbps 左右，上行 250Kbps 左右。（2） 配置边缘用户资源，包括 RB 资源， 上、下行时隙配置比边缘用户带宽配置和动态调度算法直接 相 关，也和小区支撑的用户总数有 关。在 10MHz 带宽的 LTE 系统中，采用部分公平的 调度算法，按每小区用户数为 10 个的情况计 算，用户占用的 RB 数为5 10 个。（3） 确定天线配置、天线工作模式 在链路预算中，现有的技术条件下，天线的配置可以是 12、22、24、4412 No.193 89Intelligent Building & City Information 2012图 2 LTE 链路预算的关键步骤-94-96sensitivitydBm -98-100-102-104downlink-106 4Mbps-1082Mbps1MbpsRX-110512Kbps-112256Kbps128Kbps-1141.4 35101520System bandwidthMHzT技术与工程echnology and Engineering Cases然后减去相关增益所得的值。表 3 发射端等效发射功率实例减去接收端最小接收电平，再减去穿透损耗和阴影衰落余量。益或赋（dB）益（dB）（dB）（107 覆盖的仿真结果在 Atoll 仿真软件的 LTE 平台上，通过限定速率来对比各个指标之间的关系。主 要是限定速率下，上下行的解调门限和带 宽的关系 ；负载和覆盖范围的关系曲线以 及限定覆盖距离时，小区的吞吐量和负载 的关系。根据上一节确定的业务速率和最低信噪比要求的对应关系，接收机要求的解调门限 也就确定。系统底噪是热噪声功率谱密度与 UE 所 分配带宽的乘积，再加上接收机的噪声系数。 上行基站侧的接收机噪声系数，其参考取值 为 23dB ；终端侧的接收机噪声系数，其参 考取值为 7 9dB。热噪声功率谱密度为 -174dB/mHz， 假若系统带宽为 10MHz，每用户分配 1MHz， 那么下行手机侧接收端的底噪为 -174dB/m Hz+10lg（106）+7=-107（dB/m）；上 行 基 站侧接收端的底噪为 -174dB/mHz+10lg（106）+2=-112（dB/m）。 干扰余量可分为上行干扰余量和下行干扰余量。不同的无线环境，不同的组网结构， 不同的负载状态，不同的干扰抑制算法，差 别比较大，需要通过仿真平台来确定。具体规划工作中，计算上下行侧的设备 底噪，会和 LTE 设备的配置和无线环境相关， 计算方法和上述相似。（6）考虑无线环境，主要是穿透损耗和 阴影衰落余量由于无线传播环境的差异，穿透损耗 和阴影衰落余量的取值差别也比较大。在 城区条件下，建筑物穿透损耗的典型值为 1520dB ；考 虑 8dB 的阴影衰落标准差，95% 的区域覆盖率对应的阴影衰落余量为 8.3dB。（7）计算最大允许路损 最大允许路损是发射端天线口等小功率7.1 解调门限和带宽关系仿真图图 3 是设定下行的业务速率，得到的业 务带宽和解调门限之间的关系图。仿真中共 设定 6 个不同的业务速 率，从 128Kbps 到4Mbps。所有带宽都分配给一个用户。从图3 中可以看到，业务速率越高，所需的解调 门限越高，但是对于低速率业务用高带宽传 送，所需的解调门限反而也会升高，这是由 于接收机底噪的抬升所致。对比小于 1M 的 业务速率，在 20M 的带宽下，所需的解调门 限呈收敛趋势，表明在 20M 带宽下，宽频带 所导致的接收机底噪的抬升已成为解调门限 升高的主要原因。图 4 是设定上行的业务速率，得到的业务带宽和解调门限之间的关系图。由于基站902012年 第12期智能建筑与城市信息总第193期图 3 LTE 下行带宽和解调门限关系图方向机顶口发射功率（dB/m）损耗天线增分集增形增益功率分配损耗个用户）EIRP（dB/m）下行430.51521049.5上行23002025-982Mbps-1001Mbps512Kbps-102256Kbps-104128KbpssensitivitydBm-106-108-110-112RX -114-116-118-1200246810 121416 18Allocated UL bandwidthMHz10.90.81Mbps2Mbps0.73Mbps4Mbps0.66Mbps8Mbps0.5load 0.40.3network 0.20.1000.511.52DL cell rangekm200.5km180.75km1kmthroughputMegabits/sec 161.25km1.5km14121086 edge 4Cell 2000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.91Network load以确定小区的覆盖范 围。如果边缘速率为 1Mbps， 且小区负荷为 1 时，覆盖半径为 1.5km。大于 2Mbps 的业务速率，覆盖半径 和小区