LTEFDD链路预算及覆盖估算方法研究.doc

On LTE FDD link Budget andCoverage Estimation ApproachLTE FDD链路预算及覆盖估算方法研究郭省力 1，方俊利 2，张跃虎 3（1.中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048；2.中讯邮电咨询设计院有限公司，河南 郑州450007；3.郑州科技学院，河南 郑州 450064）Guo Shengli1，Fang Junli2，Zhang Yuehu3（1. China Information Technology Designing & Consulting Institute Co.，Ltd.，Beijing 100048，China；2. China Information Technology Designing & Consulting Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou 450007，China；3. Zhengzhou Institute of Science & Technology，Zhengzhou 450064，China)关键词：摘要：频分双工；链路预算；传播模型；基站半径；最大允许路径损耗 中图分类号：TN929.5 文献标识码：A文章编号：1007-3043（2012）07-0056-05详细阐述了 LTE FDD 系统上下行链路预算方法、参数取值、如何基于链路预算得到的 MAPL 估算小区覆盖半径和单站覆盖面积，还通过链路预算和小区覆盖半径估算 实例明确了LTE FDD系统链路预算及覆盖估算需关注的若干问题。Abstract：It explains the link budget method for the uplink and downlink of LTE FDD system, the link budget parameters value, and howto calculate the cell coverage radius and the coverage area per site based on MAPL. It also presents the examples of link bud- get estimation and cell coverage radius, and gives the issues for attention on LTE FDD system link budget and coverage esti- mation.Keywords：LTE FDD; link budget; Propagation model; Sites radius; Maximum allowed path loss0 前言1 LTE FDD 网络覆盖估算方法目前，3G 网络技术已完全成熟。信息技术的飞速发展带动了人们对更高业务带宽的需求，推动了移动通信网络向更高带宽的新技术体制演进，从而催生了 长期演进（LTE）技术。LTE 协议定义了 1.4、3、5、10、15 及 20 MHz 共 6 种带宽，20 MHz 带宽支持下行 100 Mbit/ s 及上行 50 Mbit/s 传输速率。目前，从网络设备到终 端设备的 LTE 产业链业已成熟并实现了商用，移动通 信运营商正积极进行LTE 技术试验。对移动通信网络运营商而言，由于准确的链路预 算关系到 LTE 网络覆盖质量和建设成本，因此 LTE 频 分双工（FDD）网络的覆盖估算和链路预算已成了部署 LTE FDD 网络的关键问题。收稿日期：2012-06-05LTE 网络覆盖估算主要包括需求分析、链路预算及单站覆盖面积计算等。其中：需求分析主要包括目标业务速率、业务质量及通信概率要求；链路预算是根 据需求分析结果，结合不同参数和场景计算出无线信 号空中传播时的最大允许路径损耗（MAPL），并根据 相应的传播模型估算出小区覆盖半径；单站覆盖面积 计算是基于链路预算得出的小区覆盖半径估算出 eNo deB 的覆盖面积，从而得到规划区域内所需 eNodeB 的 数量。全向站和三扇区站小区拓扑结构见图1。2 LTE FDD 链路预算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R R（a）全向站（b）三扇区站图 1 小区拓扑结构示意天线增益其他增益穿透损耗和损耗路径损耗阴影衰落干扰余量馈线损耗天线增益 其他增益接收灵敏度人体损耗eNodeBUE图 2 LTE FDD 系统下行链路预算模型天线增益 阴影衰落穿透损耗干扰余量路径损耗其他增益 和损耗天线增益 其他增益接收灵敏度馈线损耗人体损耗UE eNodeB图 3 LTE FDD 系统上行链路预算模型信道带宽（5 MHz） 传送带宽配置（25 RB，4 5 MHz）信 发送带宽9 RB 信 道 道 边 边 缘 缘活动资源块图4 5 MHz 带宽系统的无线信道结构耗余量参数等。下面分别介绍其所包含的参数。2.1.1 系统参数a）工作频段。LTE FDD 协议支持 700 MHz2.6GHz 频段，采用FDD 模式。本文实例用2.6 GHz 频段。b）工作带宽。LTE FDD 协议支持 1.4、3、5、10、15及 20 MHz 6 种带宽。LTE FDD 使用 OFDMA 多址方式，其子载波带宽为 15 kHz，每 12 个连续子载波组成一个资源块（RB）。表 1 给出了 LTE FDD 各种带宽下的 RB 和子载波数量。图 4 为 5 MHz 带宽系统的无线信道结构，其中活动资源块为分配给用户用于数据传送的资源块。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-最小接收信号电平+其他增益-其他损耗-其他 余量。图 2 和图 3 分别给出了 LTE FDD 系统下行和上行 链路预算模型。表 1LTE FDD 系统带宽的RB/子载波数量c）覆盖场景。网络规划中常考虑 4 种典型场景对应的典型信道模型。场景设置将影响计算小区半径时使用的传播模型公式，同时影响基站天线高度及穿透 损耗等参数的取值。不同的信道模型将采用不同的解 调门限，从而得到不同的小区半径。各种场景对应的 信道模型见表2。2.1.2 发射端相关参数表2 各种覆盖场景对应的信道模型2.1 LTE FDD链路预算参数按上述链路预算模型，本文将链路预算参数分为场 景信道模型移动速度（/ km/h）密集城区ETU 33城区ETU 3030郊区ETU 6060农村EVA 120120.系统带宽/MHzRB 数量/个子载波数量/个传输带宽/MHz1.46721.083.0151802.705.0253004.5010.0506009.0015.07590013.5020.01001 20018.0016141210CQI 86420-20 -10 0102030SINR/dB图5 BLER 为10%时的SINR-CQI 关系曲线发射端相关参数用于计算发射端等效全向辐射功率（EIRP），主要包括天馈参数、发射功率、增益及损 耗等。发射端 EIRP 计算方法为：发端 EIRP=最大发射 功率+增益-损耗。表3 天线增益及高度的取值参考）天馈参数。主要包括波瓣宽度、增益及挂高a等。需针对特定的频段、覆盖场景和要求选择合适的天线增益和高度。3 扇区站点通常选用 65波瓣角天 线。表3 给出了天线增益及高度的取值参考。b）发射功率。LTE FDD 系统的 eNodeB 发射功率 每通道一般取 20 W（即 43 dBm），UE 最大发射功率定 义为200 mW（即23 dBm）。c）增益。主要为天线增益。d）损耗。主要包含合路器、塔放等器件插入损耗及馈线损耗。表4 给出了馈线损耗取值参考。2.1.3 接收端相关参数表4 馈线损耗取值参考接收端相关参数用于计算最小接收电平，主要包括接收灵敏度、噪声系数、解调门限、天线增益及线缆/ 人体损耗等。其计算方法为：最小接收电平=接收灵 敏度-总增益+总接收损耗。a）接收灵敏度。在输入端无外界噪声或干扰的 条件下，在所分配的资源带宽内满足业务质量要求的 最小接收信号功率。在 LTE FDD 系统中，接收灵敏度 为所需的子载波复合接收灵敏度。其计算方法为：复 合接收灵敏度=每子载波接收灵敏度+10lg（需要的子 载波数）=背景噪声密度+10lg（子载波间隔）+噪声系 数+解调门限+10lg（需要的子载波数）。其中：背景噪 声密度（即热噪声功率谱密度）等于波尔兹曼常数 k 与 绝对温度 T 的乘积，为-174 dBm/Hz；子载波间隔为 15 kHz；接收机噪声系数取值参考见表 5；解调门限由系 统仿真得到。表5 噪声系数取值参考MO）方式、调制编码（MCS）方式及误块率（BLER）等因素相关。图 5 给出了 BLER 为 10%时的 SINR 与信道质量指示符（CQI）关系的仿真结果。c）接收增益。包括天线增益及塔放增益等。d）接收损耗。包括馈线及人体损耗等。2.1.4 其他增益损耗余量其他增益损耗余量主要包括 MIMO 增益、时隙绑 定增益、干扰抑制合并（IRC）增益、穿透损耗、阴影衰 落余量及干扰余量等。其中 MIMO 增益、时隙绑定增 益及 IRC 增益体现在解调门限中。LTE 只支持硬切 换。硬切换可降低边缘接收信号的强度要求，给系统 覆盖带来增益，一般取25 dB。阴影衰落是指电磁波在传播路径上受建筑物阻挡 产生的阴影效应所带来的损耗。在短区间（数十至数b）解调门限为信号与干扰和噪声比（SINR）门限，是有用信号相对于噪声的比值、计算接收机灵敏度的关键参数、设备性能和功能算法的综合体现，在链路预 算中有着极其重要的地位。在 LTE FDD 系统中，解调 门限与频段、信道类型、移动速度、多输入多输出（MI频 段1 800 MHz2.1 GHzAWS2.6 GHzeNodeB 噪声系数2.5UE 噪声系数7.0类型尺寸损耗/（dB/100 m）800 MHz900 MHz1 700 MHz1 800 MHz2 000 MHz2 100 MHz2 300 MHz2 500 MHzLDF41/26.4566.8559.74410.05810.66610.96111.53512.090AL57/83.6763.9035.5515.7306.0776.2466.5736.890LDP65/42.4652.6273.8253.9584.2164.3424.5884.828AL713/82.1932.3333.3603.4723.6923.7984.0064.208场 景eNodeB 天线增益/dBieNodeB 天线 高度 /mUE 天线 高度/m900 MHz1 500 MHz密集城区1518251.5城区25郊区35农村401 subframe1 subframekHzkHz180180用于传送数据的RE用于传送导频的RE（12 个/subframe）用于传送PDCCH 的RE（含4 个导1 slot1 个RB 1 slot1 个RB 频RE 共36 个/subframe）（a）下行RS 及PDCCH 分布（b）上行RS 分布用于传送导频的RE（24 个/subframe）图6 下行RS 及PDCCH 分布、上行RS 分布示意送信息率慢，故称慢衰落。为对抗这种衰落带来的影响，在链路预算中通常采用预留余量方法，称为阴影衰 落余量。阴影衰落标准差的取值和阴影衰落概率密度 函数标准方差的取值呈线性关系。表 6 给出了不同覆 盖场景的阴影衰落余量及穿透损耗取值参考。表6 阴影衰落参数及穿透损耗取值参考如前所述，链路预算是为计算出在特定情况下所允许的最大路径损耗。通常认为，最大路径损耗会出 现在小区覆盖边缘处。当然，这里的覆盖边缘可以从 维持通信最差信号来定义，也可以是业务速率下降到 一定程度时用户所处的位置。本文根据后者进行链路 预算示例。LTE FDD 链路预算需考虑以下几个方面。 a）通用设置需首先确定参考取值。这里 Uu 接口 带宽取 20 MHz、下行单通道发射功率取 43 dBm、上行 UE 最大发射功率取 23 dBm、小区边缘 MIMO 工作于发 射分集模式，BLER 目标设置为 10%，场景为密集城区。b）所期望的小区边缘速率。这里下行取 2 048 kbit/s、上行取512 kbit/s。c）小区边缘用户所分配的 RB 数量。RB 资源在 一个小区内是有限的。由表 1 可知，带宽为 20 MHz 时 一个小区内的 RB 总数为 100。由于小区边缘用户 SINR 很低，编码效率相对较低，因此小区边缘 UE 每个 RB 的传送效率很低。若为小区边缘 UE 分配过多的 RB，则会影响整个小区所能提供的吞吐量。在实际网 络中，不同厂商设备在 RB 分配方面有着不同算法，可 调整 RB 分配算法中的相关参数来平衡小区边缘用户 吞吐率和小区吞吐率性能。本文小区边缘 UE 能分配 的上下行最大RB 数分别为8 个和20 个。2.1.5 LTE FDD速率计算的基本原理速率计算的基本原理是在一定的时长和带宽组成 的无线资源中，扣除公共信道（参考信号、PDCCH 等） 的开销，得出可用于数据传输的无线资源数（即 RE 数），再考虑调制编码效率计算出该段时长内承载的 bit 数（即速率）。下行参考信号（RS）及 PDCCH 分布、 上行RS 分布见图6。下 行 速 率 计 算 方 法 为 ：Service_rate + CRC=（168-36-12）（Code_ratecode_bits）NRBC。其中：天线模式为 2T2R_MCW 时 C 等于 2，天线模式为其他模式时C 等于1。上 行 速 率 计 算 方 法 为 ：Service_rate + CRC=（168-24）（Code_ratecode_bits）NRB。其中：CRC 为24 bit，MCS 效率为 Code_rate 与 Code_bits 的乘积，Service_rate 指经层 2 处理尚未加 CRC 而到层 1 的传输速率。可见，LTE 的速率与资源数（即 RB 数）和 MCS 效率（由信号质量来确定）相关，提高任何一个因素，均可提升速率。表7 给出了上/下行业务速率计算示例。2.2 链路预算计算实例场景区域覆盖 概率/%阴影衰落 标准差/dB穿透损耗/dB2 600 MHz2 100 MHz900 MHz密集城区9511.7202018城区959.4161614郊区907.2121210乡村906.2887上/下行业务速率需RB 数需MCSMCS 效率UL642QPSK 0.150.311284QPSK 0.130.262564QPSK 0.240.495128QPSK 0.230.47DL51210QPSK 0.220.451 02410QPSK 0.440.872 04820QPSK 0.430.86d）确定所需的 MCS。在 3GPP 规范 TS 36.213 中规定了 20 和 8 个 RB 在不同的 MCS 等级下所对应的传输块集（TBS）。为满足下行 2 048 kbit/s 和上行 512kbit/s 的边缘速率，需下行和上行的 TBS 分别为 2 088和 552，分别对应的 MCS 等级为 6 和 3，调制方式为QPSK。根据 2.1.5 节计算式，可得到 MCS 效率分别为0.87 和0.47。e）确定所需的 SINR。所需的下行/上行 SINR 分别为1.5 dB 和-3 dB。f）接收机灵敏度。接收机灵敏度与分配的 RB 数量、接收机的噪声系数及所需的 SINR 取值有关。链路实例中的具体取值见表8。g）穿透损耗、阴影衰落余量、天线增益、馈线损耗、塔顶放大器增益、干扰余量及硬切换增益等参数由前述内容确定。链路预算实例中的具体取值见表8。考虑了该模型在大城市中心的修正因子。在 2 600MHz 频段下，可估算出上下行小区覆盖半径分别为0.31 km 和 0.43 km。这里用上行估算结果来计算每个三扇区基站覆盖面积，其单站覆盖面积为0.36 km2。4 结束语本文主要论述了 LTE FDD 系统上下行链路预算 方法及关键参数取值，并阐述了如何基于链路预算得 到的 MAPL 来估算小区覆盖半径和单站覆盖面积，还 通过链路预算和小区覆盖半径估算实例明确了 LTE FDD 系统链路预算及覆盖估算需关注的几个问题。a）需结合网络设备来确定小区边缘用户分配的 RB 数量，同时还要考虑边缘用户吞吐量和小区吞吐量 间的平衡。b）实际网络中的无线设备在调度及收发性能方 面不尽相同。在链路预算中需根据实际情况来确定 SINR、RB 数量分配及MCS 编码效率等参数。c）在进行覆盖估算时，需结合实际环境对传播模 型进行校正。本文提出的上述方法和思路，能为 LTE FDD 网络 规划部署提供重要的理论依据和支撑。表8链路预算实例参考文献：1 Harri Holma，Antti Toskala. WCDMA for UMTS - HSPA evolution andLTEM. John Wiley & Sons，Ltd，2007.2 Christian Mehlf uhrer，Martin Wrulich，Josep Colom Ikuno，DagmarBosanska，Markus Rupp. Simulating the long term evolution physicallayer. Glasgow，ScotlandC. 17th European Signal Processing Conference（EUSIPCO 2009），2009：24-28.3 3GPP TS 36.104 Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA），Base Station（BS）radio transmission and receptionS/OL.2012-03-10. http：//ftp/Specs/html-info/36104htm.4 3GPP TS 36.213