LTE移动通信网络设计

中网华通公司工程设计好用教材系列

LTE移动通信网络设计

(VI.0)

编制张传福、张宇、赵立英日期2019年11月

审批于新雁日期2019年12月

批准王伯仲日期2019年12月

北京中网华通设计询问有限公司

公司技术发展部

修订记录

日期修订版本描述作者

-Jl/a—

刖5

LTE是4G标准，我国三大运营商都在全国范围建设了LTE商用网络。

本教材围绕LTE通信网络技术、覆盖分析、容量分析、室内分布系统、

高铁建设、语音解决方案、TD-LTE及LTEFDD混合组网、微基站的应用

以及LTE关键技术的应用等方面进行编制，旨在为员工供应LTE通信网

络设计方面的好用素材，规范LTE通信网络设计各环节的工作。

本教材为中网华通公司工程设计好用教材系列之《LTE移动通信网络

设计（V1.0）》，由公司技术发展部编制完成，并经公司无线专业组审核。

教材运用过程中，编制人员会依据大家反馈的看法和建议以及技术的发

展进行定期补充修订，以保证教材及实际工作结合得更加紧密，更具好

用性。

公司其它专业相关工程设计教材正在接连支配编制中，希望各项目能

主动供应相关素材、建议，支持和参及工程设计好用教材系列的编制工

作。

目录

一、LTE移动通信网络概述.....................................1

1.LTE发展演进状况.......................................1

2.LTE系统设计要求.......................................1

3.LTE系统架构...........................................2

4.LTE物理费源...........................................2

5.LTE关键技术...........................................3

5.1现阶段的关键技术..................................4

5.2LTE-Advanced关键技术.............................7

二、LTE网络覆盖分析.........................................9

1.LTE覆盖实力的影响因素................................9

1.1放射功率............................................9

1.2载波频率及带宽.....................................10

1.3多天线的选用.......................................10

1.4RB资源占用........................................10

1.5RRM算法...........................................11

1.6CP配置............................................11

2.覆盖实力分析..........................................11

2.1基本流程...........................................11

2.2LTE链路预算.....................................12

2.3结果分析与比较.....................................14

2.4LTE覆盖的一些实证阅历..........................18

3.S1/X2接口的传输配置.................................19

三、LTE容量分析............................................21

1.容量的影响因素.......................................21

1.1载波带宽..........................................21

1.2循环前缀（CP）长度...............................22

1.3MIM0模式..........................................22

1.4上下行限制信道和参考信号开销......................22

1.5干扰消退技术....................................23

1.6调度方式........................................23

1.7上下行时隙配置对容量的影响......................24

1.8特殊子帧配置对容量的影响........................24

2.LTE容量估算.......................................24

2.1LTE吞吐率......................................24

2.2FDDLTE吞吐量..................................25

2.3FDDLTE可容纳VoIP用户数......................26

2.4LTE用户数......................................26

2.5LTE容量分析....................................27

四、LTE室内分布系统.....................................29

1.LTE室内分布系统概述...............................29

1.1LTE室内分布系统的特点..........................29

1.2室内分布系统结构................................29

1.3室内覆盖天线类型................................29

1.4室内覆盖建设方式..............................29

2.LTE室内分布系统的建设方案.........................32

2.1LTE单通道独立建设方案..........................33

2.2LTE与2G/3G单通道共用建设方案..................34

2.3LTE双通道单极化天线独立建设方案................35

2.4LTE与2G/3G双通道单极化天线共用建设方案.......35

2.5LTE双通道双极化天线独立建设方案................35

2.6LTE与2G/3G双通道双极化天线共用建设方案.......36

2.7多系统合路解决方案..............................37

2.8室分系统中天线的解决方案........................40

3.LTE-Hi室内热点优化方案...........................40

五、高铁LTE网络建设....................................42

1.高铁LTE覆盖特点...................................42

1.1穿透损耗大......................................42

1.2多普勒频移明显..................................42

L3切换频繁........................................43

1.4覆盖场景困难....................................43

2.建设原则及覆盖目标.................................43

2.1建设原则........................................43

2.2覆盖目标........................................44

3.高铁LTE网络设计...................................44

3.1组网方案........................................44

3.2LTE网络设置原则...............................45

3.3站品巨确定........................................46

3.4站址布局和站高..................................52

3.5天馈线设计......................................52

3.6LTE切换策略....................................55

六、LTE网络语音解决方案.................................58

1.LTE语音实现方式..................................58

1.1OTT...........................................58

1.2多待方案........................................58

1.3CSFB...........................................59

1.4SRVCC方案......................................60

1.5VoLTE..........................................60

2.运营商分阶段解决方案...............................61

2.1LTE网络的语音解决方案阶段一....................62

2.2LTE网络的语音解决方案阶段二....................62

2.3LTE网络的语音解决方案阶段三....................62

3.全球LTE语音解决方案部署...........................63

3.1移动通信终端对4G语音回落的支持力度（双待机，CSFB）63

3.2VoLTE在全球的部署状况.........................63

3.3VoLTE在中国的部署状况..........................67

七、TD-LTE和LTEFDD的混合组网.........................69

1.混合组网考虑的因素.................................69

L1国内LTE发呈现状................................69

1.2频谱资源分析....................................70

1.3TD-LTE产业链分析...............................70

1.4TD-LTE网络实力分析...........................70

2.LTE混合组网方案....................................72

2.1LTE混合组网方式...............................72

2.2融合组网建议...................................74

3.LTE混合组网关键技术...............................74

3.1小区驻留和小区重选..............................74

3.2切换............................................75

3.3负载均衡........................................76

3.4载波聚合........................................76

3.5双连接技术......................................77

4.TD-LTE和LTEFDD混合组网的互操作.................79

4.1UE驻留策略.....................................79

4.2小区重选优选TD-LTE............................80

4.3数据业务优选TD-LTE............................80

4.4语音业务结束后优选LTE.........................81

八、LTE网络中微基站的应用..............................82

L微基站的分类和特点.................................82

1.1微基站(Smallcell)分类.......................82

1.2运营商对微基站的分类............................84

1.3LTE微基站特点..................................84

2.LTE微基站阶段建设思路..............................85

3.LTE微基站典型应用场景..............................86

3.1微基站应用场景..................................86

3.2微基站解决的问题................................86

3.3典型场景分析....................................88

九、LTE关键技术的应用..................................91

1.LTE载波聚合技术、试验与应用........................91

1.1载波聚合技术....................................91

1.2性能仿真........................................98

L3运营商载波聚合试验和部署状况..................100

2.LTEMIMO2T4R技术应用............................107

2.1LTEMIMO的基本原理............................107

2.2LTE上行MIMO接收技术基本原理..................108

2.32T2R、2T4R对比与仿真分析....................109

2.42T4R插花组网增益与影响分析....................110

2.52T2R与2T4R组网对比试验.....................110

2.62T2R与2T4R组网结论及应用建议...............113

一、LTE移动通信网络概述

LLTE发展演进状况

LTE是3G的演进，是在2019年3Gpp多伦多会议上提出的。LTE是

3G及4G技术之间的一个过渡，它改进并增加了3G的空中接入技术，采

纳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：

>2019年1月：3GPP将LTE列入3GPPR8正式标准；

>2019年12月：3GPP发布了LTER8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LTER9版本，R9版本主要以完善和增加LTE系统

为目标，及以前的版本相比变更不大，已在2009年底完成。

>后续：LTER10将以LTE-Advanced为主要内容，R10版本可以超过

100M带宽以上，上行传输性能也应进一步提升。LTE-Advanced从

3GPPR10版本协议起先,形成了载波聚合(CA)、多点协作(CoMP)、

中继(relay),增加的小区间干扰协调(elCIC)和MIMO增加5个

关键技术。

2.LTE系统设计要求

(1)频谱带宽配置

实现敏捷的频谱带宽配置，支持1.4MHz,3MHz,5MHz,10MHz,15MHz

和20MHz的带宽设置，从技术上保证LTE系统可以运用第三代移动通信

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，增加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lOOMbit/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、自适应调制及编码和基于信道质量的频率选择性调度实现。

(4)时延

供应低时延，运用户平面内部单向传输时延低于5ms,限制平面从睡

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,以增加对实时业务的支持。

（5）多媒体广播和多播业务。

（6）支持增加型MBMS（E-MBMS）o

（7）取消CS域，CS域业务在PS域实现（如VoIP）。

（8）系统结构简洁化，低成本建网°

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,及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（EvolvedPacketCore,演进的分组交换核心网）

主要由MME（MobilityManagementEntity,移动性管理实体）、SGW

（ServingGateway,服务网关）和PGW（PacketDataNodeGateway,

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

（EvolvedPacketSystem,演进的分组交换系统）。系统架构如图1.3.1

所示。

图1.3.1LTE系统架构

各部分的功能如下：

（l）MME的功能：包括寻呼消息发送，平安限制，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爱护等。

（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

置和供应eNB的测量等。

⑷S1接口:连接eNB及核心网边缘节点MME及S-GW,分为限制平

面的S1-MME和用户平面的S1-U接口。

（5）X2接口：供应eNB之间的相互连接，分别供应限制平面和用户

平面的功能，为切换、小区间的RRM等功能供应支持。

4.LTE物理资源

LTE的物理资源有多个层次，如图1.4.1所示。

图1.4.1LTE的物理资源

LTE的空中接口的多址技术是以0FDM技术为基础的。0FDM多址接入

的资源具有时间和频率两个维度。这两个维度的大小确定了用户接入资

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(ResourceBlock,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，0FDMA本质上是TDMA+FDMA

的多址方式。

LTE的空中接口资源安排的基本单位是物理资源块(Physical

ResourceBlock,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180kHz、时长为0.5ms的无线资源，如图

1.4.2所示。

图1.4.2OFDMA资源块RB结构

LTE的子载波间隔Af=15kHz,于是PRB在频域上的宽度为

12X15=180(kHz)

7个连续的常规OFDM符号周期的时间长度为0.5ms,每个常规OFDM

符号周期为71.4us。

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

(ResourceElement,RE)。于是，一个RB包含的RE数目为

12X7=84RE

即一个RB包含84个REo

每一个资源单位RE都可以依据无线环境选择QPSK、16QAM或64QAM

的调制方式。调制方式为QPSK的时候，一个RE可携带2bit的信息；

调制方式为16QAM的时候，一个RE可携带4bit的信息;调制方式为64QAM

的时候,一个RE可携带6bit的信息。

LTE支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz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L4.1带宽及资源块数目

5.LTE关键技术

5.1现阶段的关键技术

（1）OFDM和SC-FDMA

LTE在下行采纳OFDM,上行采纳单载波-频分多址（SC-FDMA）oOFDM

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

户信号的频域重量进行正交频分多址（OFDMA）,相比于一般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恒久是连续

的，以简化终端实现；下行则可以是交织的，以增加频域分集增益。将

来有可能在上行中引入干脆运用OFDMA,因它调度更敏捷，也可以简化演

进的基站（eNB）侧均衡器和上行运用MIMO时的实现。

（2）更高阶调制（64QAM）

LTE中上、下行均可自适应运用正交相移键控（QPSK）、16星座正交

幅度调制（16QAM）和64QAM等多种调制技术,64QAM的运用可以支持更

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R8LTE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

也运用自适应调制编码（AMC）和HARQ技术，来进行速率限制和有效利

用信道时变特性。LTE下行采纳异步自适应HARQ,eNB在物理下行限制信

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，

该指示用物理上行限制信道（PUCCH）或物理上行共享信道（PISCH）承

载，由于是异步HARQ,每一次重传都须要eNB用PDCCH进行调度。

上行则采纳同步HARQ,它有两种模式：一般模式和子帧捆绑模式，

它们的区分是：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，一般模式是对

单个子帧操作；两种模式所支持的HARQ流程数也是不一样的，一般模式

对应的流程数为8,子帧捆绑模式的流程数为4。终端依据eNB在下行

PDCCH上的新数据指示（NDI）比特或物理HARQ指示信道（PHICH）来推

断是否须要重传，假如须要重传，终端将会在固定数目子帧后重传。

（4）先进的多天线技术

LTE在下行敏捷运用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)的用户运用MIMO技术，以供应更高的数据速率；当须要为更

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供应服

务；对某些用户运用波束成型技术，将发送/接收波束对准用户，以提高

用户的数据速率；当不须要运用SDMA,MIMO也无法带来附加增益时，运

用传统的天线接收、发送分集技术以获得多天线增益。LTER8在上行只

运用SDMA和多天线接收分集技术，将来应当也会考虑MTMO技术。LTE标

准目前最高支持4X4MIMO,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

2X2MIMO。

LTE阶段定义了8种下行多天线MTMO传输模式(transmissionmode,

TM)：单天线发送(TM1)；放射分集(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)o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供应两种同步信号：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

正常状况下能在5nls内获得同步。终端利用主同步信号来获得次同步信

号的相位参考，然后利用次同步信号获得物理帧的边界定时，最终利用

二者确定小区标识号(ID)。不管系统实际运用的带宽是多少，同步信号

恒久运用最中间的1.08MI1Z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运用不同的子帧和符号来承载

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)敏捷的限制信道设计

LTE中下行限制信道PDCCH(物理下行限制信道)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可以依据负载状况和信道条件等动态调整安排给PDCCH的资源，

包括它所占用的OFDM符号数和所运用的功率，eNB用物理限制格式指示

信道(PCFICH)来指示安排给PDCCH的符号数。

LTE对业务信道和限制信道运用不同的信道编码，对业务信道运用

Turbo码，因它数据块较大可以有更深的交织，对限制信道等则运用卷积

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）自适应资源安排

LTE资源的最小单位是一个OFDM符号上的一个子载波，为便利安排

和减小信令开销，实际资源安排是以资源块（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

12X15=180kHz）组成。

LTE可以依据业务类型对资源进行自适应安排，例如对时延不敏感的

非实时业务（如文件传输FTP和网页阅读HTTP业务）运用动态安排，即

依据全部恳求用户的信道条件和业务需求、系统资源状况等进行动态调

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），则可以采纳半长久安排，即eNB不

通过调度器而干脆将预先定义的资源安排给终端，以削减因需频繁发送

恳求和等待安排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多址技术的运用使小区内干扰基本得到消退，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纳部分频率复用技术，其主要思想是让各相

邻小区为位于其小区边缘的用户安排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

为削减网络处理节点从而削减相关处理时延，LTE采纳了扁平化网络

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,原无线网络限制器（RNC）的功能被相应分散到它们

中，大部分功能由eNB担当，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TP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。

MME的主要功能有：接入子层（AS）平安限制；NAS信令和其平安；

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。

5GW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；及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：安排TP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，这可以极大地便

利网络设备厂家和终端设备厂家同时开发这两种产品，也便利运营商运

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、下行采纳相同的帧结构，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，当运

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）和它们间的爱护期，子帧

2固定用于上行，其它子帧可以依据系统的上、下行速率需求进行敏捷安

排。当系统须要安排较多的上行资源，例如须要将后半个帧中的部分子

帧安排给上行时，子帧6也将用于承载DRPTS、UpPTS和它们间的爱护期。

5.2LTE-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IGbit/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，使部署更加敏捷。当进行载波聚合时应当依据上卜行需求

敏捷考虑上下行载波带宽，多载波间应进行协调调度和限制。

(2)高阶MIMO

LTE-Advanced将在下行引入8X8甚至有可能更高阶的MIMO,在上行

弓I入4X4MIMO,并可能通过改进单用户MIMO和多用户MIMO算法、运用

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

——TM9oTM9可以采纳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分是它更像是一个运用无线回程(Backhaul)

的微基站，它只放大信号而避开放大噪声和干扰，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，具有自己的ID和调度功能，在一

个R8的LTE终端看来，它就像是一个一般的°NB,它及终端间的通信和

它及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将通过综合运用宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝、家庭基

站(HomeNB)、中继等供应泛在服务和节约网络部署及运营成本。异构

网络间的协调、移动性管理和干扰限制将是探讨的热点。

(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

资源不运用或者减小运用功率来避开或者削减干扰。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

用户和避开运用相同资源的邻小区用户。联合处理则是指分布式基站/天

线间采纳协同和联合处理，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可以规避或者削减干扰，为了更有效地支持异构网络部署，特

殊是提高小区边缘用户的运用体验，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。

二、LTE网络覆盖分析

1.LTE覆盖实力的影响因素

在WCDMA和TD-SCDMA的3GppR4版本之前，不同的业务通过功率限

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，使得信噪比低于确定程度，且不满足该业务的解

调门限时，该业务则无法接着。也就是说，不同的业务有不同的覆盖范

围。

在LTE里，由于采纳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，业务还可以接着，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3GppR5版本的HSDPA

技术是相同的。

LTE的覆盖实力应当是满足确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，必需指出满足多大的边缘速

率要求。

在确定业务速率要求下，LTE的覆盖实力还和基站的放射功率、选用

的载波频率及带宽、多天线方式、RB资源占用状况、RRM算法的选用、

帧结构等因素有关，如图所示。放射功率由每个RE进行均分，可以应对

敏捷的资源安排和放射。

图LTE覆盖实力的影响因素

1.1放射功率

发送功率对覆盖的影响是一把“双刃剑”。一方面，基站放射功率的

增大，会使覆盖实力增加；另一方面，基站放射功率的增大，会导致小

区间干扰的快速增加。

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。功率大到确定程度，干扰的增加会导致信噪比的恶化，于是频谱效

率起先下降，如图所示。在确定功率值旁边，信噪比和频谱效率达到峰

值。

图放射功率和信噪比的关系

实际设备功率取值确定要在覆盖实力、频谱效率、设备成本及体积方

面综合权衡。

基站的下行放射功率和UE的上行覆盖实力是不一样的，因此上、下

行的覆盖水平可能不一样。

1.2载波频率及带宽

LTE支持从700MHz~2.6GHz等多种频段。高频段的传播损耗、穿透

损耗比低频段的要大10dB左右。所以运用高频段时，LTE的覆盖范围要

缩小许多。表是自由空间传播模型下，不同频率的路径损耗的对比。

表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实力的

提升。

对于下行链路来说，放射分集时，4天线、8天线比2天线的增益稍

高；采纳波束赋型时，8天线比2天线高6dB左右的增益。采纳波束赋

型后，小区边缘频谱效率比采纳放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，既供应了赋型增益，又供应了分集增益。

而在放射分集模式的时候，没有赋型增益的效果。

1.4RB资源占用

LTE支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz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

求确定的状况下，支持的覆盖距离就越大。

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，覆盖范围的变更

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需依据信道环境、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，接入用户数就会削减，所以单用户

子载波数目的调度须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。

限制信道（PDCCH、PUCCH、PRACH等）的资源配置的方式不同，覆盖

实力也就不同。如PDCCH的DC1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。

1.5RRM算法

对覆盖有影响的RRM算法主要是ICIC模块、DKA模块。小区间干扰

的存在会导致接收机底噪的抬升，从而降低接收机智敏度。因此ICIC模

块的运用效果通过影响上、下行接收机的灵敏度，而影响了覆盖范围。

动态资源调度DRA确定了用户运用的子载波数目和调制编码方式，从而

影响了覆盖范围。

1.6CP酉己置

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，和实际覆盖实力没有太干脆的关系。在密集城区，多径环境比

较困难的条件下，常规CP（NormalCP）配置适用于L5km以内的覆盖

范围，扩展CP（ExtendCP）适用于5km以内的覆盖范围。

2,覆盖实力分析

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及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。

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。

链路预算就是依据放射端天线口功率、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）业务信道和限制信道覆盖的平衡。

由于基站和手机的放射功率不同，最小接收电平也不同，上、下行的

覆盖实力可能有较大的差别，须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，也须要分别进行链路预算。

依据链路预算，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

C0ST231-Rata模型。

最大覆盖距离相当于基站的覆盖半径。依据标准的蜂窝结构（正六边

形），可以计算出单基站的覆盖面积。

依据规划面积及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。

2.2LTE链路预算

2.2.1传播模型

LTE链路预算采纳C0ST231Hlata模型，该模型的应用范围如下：

频率范围：1500~2000MHz。

基站高度：30"200m.

终端天线高度：l~10m

C0ST231-Hata模型可以用如下公式表示：

式中：

fc——工作频率（MHz）

北一一基站有效高度（m）

hre——移动台有效高度（m）

d——基站天线及移动台天线的有效距离（km）

&（hQ——接收端有效天线修正因子

G——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,己经超过了标准

C0ST231-Hata模型,及150~2000MHz的标准频段范围,因此,在实际的

LTE系统设计,C0ST23『Hata模型必需在CW测试结果的基础上予以校正。

2.2.2计算方法

链路预算首先是依据覆盖目标，估算用户设备和基站天线之间的最大

允许链路损耗（MAPL,MaxAttenuationPathLoss）；然后利用MAPL通

过合适的传播模型（如CostTIata、Okumura-Hata等），计算最大的小区

半径；最终通过小区半径可以得到覆盖目标区域所须要的最少基站数目,

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，在确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像性近90%的TDD和

FDD两种双工方式，采纳了正交频分复用（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、小区间干扰消退技术（ICIC）等

无线资源管理算法优化空口资源的配置方式及消退干扰。

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

加了新的困难性。

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

放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MAPLo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二发端E1RP—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2.2.2LTE系统下行链路预算模型

图2.2.3LTE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二放射端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，便可依据式（1）计

算最大允许路径损耗（MAPL）。

式中：

P阵一一放射机最大放射功率

GTX——放射机天线增益

GRX——接收机天线增益

Lt.able——馈线损耗

Lbody----------人体损耗

Mshadowfading一-一阴影衰落余量

Minterfercncc7^^1余

SR,——接收机智敏度

I^netration一一建筑物穿透损耗

2.2.3链路预算结果

假设采纳FDD双工模式，频段为1.8GHz,系统带宽20MHZ,覆盖场

景为密集市区，天线配置下行2X2、上行1X2,MIMO采纳空间分集方式，

下行和上行边缘速率要求分别为IMkbps/256kbps,移动速度为步行

3km/h,信道模型运用ETU3,传播模型运用Cost-Hata231。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，在采纳上述参数时，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。

23结果分析及比较

2.3.1覆盖场景比较

不同场景（如密集市区和一般市区）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。密集市区和一般市区链路预算的对比

如表2.2.10所示。

由表2.2.10可知，一般市区站间距较密集市区多近40乐郊区站间

距是密集市区的3倍多。

2.3.2双工方式的比较

为了确保比较的公允性，假定FDD-IJE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

ETU3oTD-LTE采纳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2X2、上行1X2；TD-LTE的天线

配置除以上配置外，多数应用下行8X2、上行1X8。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，因此有助于削减干扰，得到

新的增益。

以上因素中，前者影响基站放射端总的最大放射功率，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资源安排：TD-LTE采纳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资源安排上

的差别，在同样的边缘速率条件下，TDD须要占用更多的带宽（即安排更

多的RB）,从而影响到SINR值。

表2.2.9LTE密集市区下行/上行链路预算结果

1.8GFDD

参数取定

LTE上行链路预算LTE下行链路预算

边缘数据速率（kbps）10244096

应用场景密集市区密集市区

工作频率（MHz）17851880

系统带宽(MHz)2020

参数MIMO模式1T2R2T2R

MCS812

运用RB数820

运用带宽（KHz）14403600

最大放射功率（dBm）2343

多天线增益（dB）00

放射

实际放射功率（dBm）2336.01

机参

须要安排功率的RB数820

数

放射天线高度（m）1.535

放射天线增益（dBi）018

接收SINR要求(dB)0.44

机参接收机噪声系数（dB）2.57

数接收机智敏度（dB）-109.41-97.33

1.8GFDD

LTE上行链路预算LTE下行链路预算

接收天线高度(m)351.5

接收天线增益(dBi)180

边缘覆盖率(%)7575

阴影衰落标准差(dB)1010

其

它阴影衰落余量(dB)6.746.74

增

益穿透损耗(dB)2020

及

余人体损耗(dB)00

量

敏干扰余量(dB)33

馈线损耗(dB)11

切换增益(dB)44

快衰落余量(dB)00

最

大室外最大路径损耗(dB)143.67144.60

路

径

损

耗室内最大路径损耗(dB)123.67124.60

基站天线高度(m)3535

Cm33

a(hm)(大城市)-0.000919047-0.000919047

a(hm)(中小城市)0.042647440.044674206

a(hm)(hm=l.5m)00

站距

al138.19138.95

计算

a234.7934.79

覆盖半径(室外)(km)1.441.45

覆盖半径(室内)(km)0.380.39

室外覆盖建议站距(km)2.162.18

室内覆盖建议站距(km)0.570.58

表2.2.10不同场景的链路预算结果比较

密集市区一般市区郊区

应用场景上行下行上行下行上行下行

1M4M1M4M1M4M

覆盖半径（室外）（km）1.441.451.921.944.804.86

覆盖半径（室内）（km）0.380.390.710.722.032.05

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，基站天线的最大放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2.2.11FDD及TDD的链路预算结果比较

制式FDDTDD

边缘数据速率（kbps）40964096

系统参数