主頁（http://www.130131.com）：FDD LTE無線性能與影響因素分析

摘要：隨著國內(nèi)LTE網(wǎng)絡(luò)的快速建設(shè)和發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)性能分析和優(yōu)化的需求越來越強(qiáng)。只有結(jié)合FDD LTE性能特點(diǎn)，了解FDD LTE性能指標(biāo)及其影響因素，并認(rèn)識到吞吐量指標(biāo)在LTE網(wǎng)絡(luò)中的重要性，才能更好地進(jìn)行LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作。

1 LTE無線性能指標(biāo)

移動通信系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡(luò)性能主要用容量、性能和覆蓋等指標(biāo)來描述，三者間相互影響和制約。LTE系統(tǒng)中，三者的核心要素為吞吐量。比如，容量可以采用小區(qū)中多個(gè)用戶的總吞吐量來界定，性能可以使用單用戶峰值吞吐量來表征，覆蓋則需要根據(jù)邊緣吞吐量來進(jìn)行分析和優(yōu)化。因此，進(jìn)行LTE網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化時(shí)，需要圍繞吞吐量這一關(guān)鍵指標(biāo)，通過無線環(huán)境優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化、信令分析等手段來改善網(wǎng)絡(luò)性能，提升用戶感知。

1.1 單用戶下行峰值吞吐量

理想條件下，單用戶所能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率稱為系統(tǒng)峰值吞吐量。峰值吞吐量受小區(qū)信道參數(shù)配置、系統(tǒng)負(fù)荷、終端級別和MIMO模式等因素的影響。

FDD系統(tǒng)中，可以采用開銷分析法來計(jì)算物理層吞吐量[1]，但是這種計(jì)算方法缺乏對無線環(huán)境的考慮，因此不夠精確。實(shí)際測試中，eNodeB需要根據(jù)MS上報(bào)的CQI信息來確定可用MCS，并結(jié)合可用PRB數(shù)目來查詢所對應(yīng)的TBS(即傳輸塊大小)，因此采用MCS和PRB信息來計(jì)算峰值吞吐量更加現(xiàn)實(shí)和合理。

假設(shè)系統(tǒng)帶寬為20MHz，可用PRB數(shù)為100，如果系統(tǒng)采用最大MCS索引28，則其對應(yīng)的TBS索引為26，如表1所示[2]。

參看表2，TBS索引號為26時(shí)，100個(gè)PRB所對應(yīng)的TBS為75 376，表示1個(gè)TTI(即1ms)中傳輸75 376比特，則單流傳輸時(shí)，可獲取的吞吐量為75 376bit/ms=75.376Mb/s。采用雙流傳輸時(shí)，所對應(yīng)的TBS為149 776，故可以獲得的吞吐量為149.7Mb/s。

計(jì)算峰值吞吐量時(shí)，還需要考慮終端特性，如果終端不能支持最大TBS，則上下行峰值吞吐量就會受到限制。如表3所示，類別2終端所支持的最大TBS為51 024，故采用雙流傳送時(shí)，下行峰值吞吐量只能達(dá)到102Mb/s[3]。

需要注意的是，下行方向上進(jìn)行TBS和PRB選擇時(shí)，還需要考慮有效碼率的限制。有效碼率為下行信息比特?cái)?shù)(包括CRC比特)除以PDSCH物理信道比特?cái)?shù)。根據(jù)3GPP TS36.213的規(guī)定，如果下行有效碼率超過0.93，則UE在初始傳送時(shí)，可以忽略對傳輸塊的解碼。例如，PDCCH符號數(shù)(即CFI)對峰值吞吐量會產(chǎn)生影響，比如從1增加到3時(shí)，物理層開銷增加，有效碼率可能會超過0.93，從而需要降低MCS或者PRB數(shù)目來獲取合適的TBS大小，因此限制了峰值吞吐量，如表4所示。

1.2 小區(qū)吞吐量

LTE系統(tǒng)中，由于不同業(yè)務(wù)類型的帶寬需求差異較大，且不同無線環(huán)境和QoS要求下，同一業(yè)務(wù)類型的吞吐量差異也較大，因此，采用小區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)總體吞吐量來描述信道容量更為準(zhǔn)確和直觀。小區(qū)容量受帶寬、鄰區(qū)負(fù)荷、MIMO模式、站間距以及調(diào)度方式等因的影響。

NGMN對多用戶吞吐量進(jìn)行過模擬評估，其模擬條件為：

1)城區(qū)環(huán)境(有限干擾)；

2)站間距500m；

3)UE移動速度為3km/h；

4)2GHz鏈路損耗模型為L=I+37.6×lg(R)，其中R表示千米(km)，2GHz下，I=128.1dB；

5)多徑模型為空間信道擴(kuò)展模型(SCME)；

6)eNodeB天線類型為交叉極化[4]。

仿真結(jié)果為：上行方向上，閑時(shí)(單用戶)峰值吞吐量約為忙時(shí)(多用戶)平均吞吐量的2~3倍；下行方向上，閑時(shí)(單用戶)下行峰值吞吐量約為忙時(shí)(多用戶)平均吞吐量的4~6倍，如表5所示。

1.3 邊緣吞吐量

3GPP規(guī)定，小區(qū)邊緣吞吐量定義為用戶吞吐量累計(jì)分布5%所對應(yīng)的值，LTE的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證上/下行邊緣吞吐量能夠?yàn)镽6 HSPA的2~3倍[5]。

小區(qū)邊緣頻譜效率是吞吐量最低的5%用戶的吞吐量總和與系統(tǒng)帶寬之間的比值。小區(qū)邊緣頻譜效率的改善程度受調(diào)度和QoS機(jī)制的影響，小區(qū)邊緣用戶的優(yōu)先級越高，那么它們所獲得的吞吐量越高，小區(qū)邊緣頻譜效率的改善程度也就越高。

3GPP性能評估結(jié)果表明，500m站間距下，每小區(qū)為10個(gè)UE且小區(qū)負(fù)荷為100%時(shí)(即PRB全部占用)，

下行4×2MIMO條件下，邊緣頻譜效率為0.06bps/Hz/用戶，為UTRA的3倍；上行1×2MIMO邊緣頻譜效率為0.024bps/Hz/用戶，為UTRA的2.5倍[6]。

采用20MHz帶寬時(shí)，0.06bps/Hz/用戶的下行頻譜效率意味著單用戶的下行邊緣吞吐量約為1.2Mb/s，0.024bps/Hz/用戶的下行頻譜效率意味著單用戶的下行邊緣吞吐量約為480Kb/s。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，用戶數(shù)較少，進(jìn)行LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，上/下行邊緣速率采用與仿真值類似的結(jié)果，既能夠滿足LTE的基本需求，又可以借鑒實(shí)驗(yàn)室測試和模擬分析結(jié)果，加深對網(wǎng)絡(luò)性能的分析和認(rèn)識。后期網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，邊緣速率需要根據(jù)用戶特點(diǎn)以及業(yè)務(wù)發(fā)展策略進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

2 LTE無線性能指標(biāo)影響因素

LTE系統(tǒng)中，不同用戶從時(shí)域、頻域、空域和碼域等多個(gè)維度共享系統(tǒng)資源。因此，LTE的性能受到諸如系統(tǒng)帶寬、幀結(jié)構(gòu)、TDD/FDD模式、業(yè)務(wù)類型、無線環(huán)境和天線MIMO模式等多種因素的影響。具體影響因素分析如下。

2.1 峰值吞吐量影響因素

FDD LTE系統(tǒng)中，單用戶峰值吞吐量受到以下因素的影響。

1)系統(tǒng)帶寬。LTE支持1.4MHz到20MHz之間的多種頻帶寬度，不同頻帶提供的子載波數(shù)以及無線資源塊數(shù)不同，帶寬越大，峰值吞吐量越高。

2)控制信道開銷。LTE系統(tǒng)存在多種類型的控制信道，不同信道開銷對容量的影響較大。需要關(guān)注的首要因素就是PDCCH符號數(shù)，PDCCH符號數(shù)增加時(shí)，控制信道開銷增大，受下行最大碼率0.93的限制，傳輸塊大小(TBS)以及調(diào)制編碼方式(MCS)可能發(fā)生變化，因而影響到峰值吞吐量。

3)無線環(huán)境。不同SINR條件下，用戶所能獲得的調(diào)制和編碼模式(MCS)不同，每個(gè)符號所代表的比特?cái)?shù)就有區(qū)別，且所對應(yīng)的傳輸塊大小就有所區(qū)別，因此對系統(tǒng)容量會產(chǎn)生較大影響。

4)MIMO模式。采用分集、復(fù)用以及波束賦形等MIMO模式，可以提升系統(tǒng)容量或者可靠性，因此，分析和研究LTE峰值吞吐量時(shí)，需要使用雙流MIMO模式(即TM3)，如果采用分集等MIMO模式，峰值吞吐量必然會受到影響。

2.2 容量(扇區(qū)吞吐量)影響因素

對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說，衡量小區(qū)容量的指標(biāo)為小區(qū)服務(wù)用戶數(shù)以及總體吞吐量。小區(qū)吞吐量受用戶所在位置以及用戶數(shù)的限制。比如，小區(qū)中用戶容量增加時(shí)，調(diào)度器會根據(jù)每個(gè)用戶的鏈路狀況來為用戶分配頻域資源，有助于提高小區(qū)容量。對于不同位置上的用戶，如果系統(tǒng)中采用等比例公平PF調(diào)度方法將利于提升邊緣用戶的吞吐量，但是小區(qū)吞吐量則會受到影響。

理想情況下如果UE所處的無線環(huán)境極好，且業(yè)務(wù)速率要求較高，則調(diào)度器有可能為用戶分配所有PRB資源，從而小區(qū)吞吐量與峰值吞吐量相當(dāng)。但是實(shí)際情況中，由于負(fù)荷和干擾的影響，小區(qū)的容量遠(yuǎn)小于理論峰值吞吐量，影響小區(qū)容量和性能的主要因素有以下幾方面。

1)小區(qū)中的激活用戶數(shù)。

2)鄰區(qū)上下行話務(wù)以及不同PRB上的外部干擾。小區(qū)中UE的所用話務(wù)都由小區(qū)調(diào)度器進(jìn)行控制和調(diào)度。但小區(qū)邊緣的用戶則可能接入到其他小區(qū)中，從而對所在小區(qū)產(chǎn)生干擾。

3)每個(gè)UE的無線鏈路狀況，包括路徑損耗、SINR、RSRP和RSRQ。將UE放置在遠(yuǎn)、中和近點(diǎn)上進(jìn)行測試時(shí)，小區(qū)的總?cè)萘渴撬�有UE的吞吐量之和。這種情況下，近點(diǎn)上的UE所使用的MCS高，可以采用雙流空間復(fù)用模式，所以它對小區(qū)總?cè)萘康呢暙I(xiàn)較大，遠(yuǎn)點(diǎn)上的用戶由于只能使用QPSK調(diào)制方式，且所分配的PRB數(shù)有限，所以產(chǎn)生的吞吐量較低，導(dǎo)致小區(qū)整體吞吐量下降。

4)每個(gè)TTI中上下行調(diào)度的UE數(shù)目。同時(shí)調(diào)度的用戶數(shù)對系統(tǒng)業(yè)務(wù)面時(shí)延會產(chǎn)生影響，從而影響到小區(qū)總體性能。

5)下行PDCCH使用的符號數(shù)。PDCCH符號數(shù)增加，小區(qū)整體性能下降。

6)上行PUCCH分配的PRB數(shù)目。每個(gè)終端都需要周期性地上報(bào)CQI和SRI，還需要在適當(dāng)?shù)纳闲凶訋�中對上行資源分配工作采用HARQ ACK消息進(jìn)行確認(rèn)，因此必須分配足夠的PUCCH資源來滿足這些需求。增加PUCCH RB數(shù)量可以增加同時(shí)接入的用戶數(shù)，但是這也直接減少了上行容量，因?yàn)镻USCH可用的RB也會相應(yīng)減少。而且每個(gè)子幀能夠解碼的PUCCH數(shù)量還受限于硬件的限制。通過增加CQI和SRI的周期時(shí)長可以增加同時(shí)接入的用戶數(shù)，但是這也會限制終端跟蹤無線衰落的能力，進(jìn)而造成吞吐量降低。

7)支持GBR業(yè)務(wù)的用戶數(shù)。當(dāng)用戶被分配了保證速率的承載信道后，同時(shí)接入用戶總數(shù)會受限于當(dāng)前的信道條件和每個(gè)用戶需要的GBR速率。

8)處理器能力。所有的硬件平臺

都有處理能力的限制。如果上行解碼和下行編碼處理時(shí)間過長，吞吐量就會受到影響，同時(shí)用戶也會掉線。

9)其他。以上因素中，在特定的測試條件下，外部干擾和UE的無線鏈路狀況基本上只受鄰區(qū)加擾的影響，與參數(shù)的關(guān)系不大。而每個(gè)TTI中上下行調(diào)度的UE數(shù)目、下行PDCCH使用的符號數(shù)、上行PUCCH使用的PRB數(shù)目等則直接受參數(shù)的控制。

2.3 覆蓋(邊緣吞吐量)影響因素

邊緣吞吐量與覆蓋的關(guān)系通常具備以下規(guī)律，即隨著邊緣吞吐量的提高，上行最大鏈路損耗越小，這意味著上行覆蓋距離隨著邊緣速率的提高而越小，而下行覆蓋不存在這種規(guī)律。這是因?yàn)橥掏铝颗c所分配的PRB數(shù)目有關(guān)，上行功率只在所分配的PRB上進(jìn)行分配，下行功率則在全頻段范圍上進(jìn)行分配，所以上行用戶所占用的RB個(gè)數(shù)對覆蓋的影響相對較大，而下行用戶則相反。

鏈路預(yù)算就是從邊緣吞吐量入手，分析覆蓋和鏈路損耗需求，從而獲取滿足邊緣吞吐量要求的站間距等信息。這意味著影響鏈路預(yù)算的各種因素也必然會對邊緣吞吐量產(chǎn)生影響。具體描述如下。

1) SINR。SINR是RB上有用信號功率與噪聲和干擾之和的比值，它受到所用MCS、業(yè)務(wù)BLER要求以及可用RB數(shù)的影響。不同邊緣吞吐量所需要的MCS不同，隨著MCS和碼率的增加，SINR的需求也會增加。對于給定的MCS，SINR越高，背景噪聲對鏈路質(zhì)量的影響越小，BLER越低。

2) 接收靈敏度。接收靈敏度是克服白噪聲并達(dá)到要求的SINR的最小接收電平。不同類型的信道所需的SINR以及RB數(shù)有區(qū)別，從而影響到接收靈敏度。接收靈敏度計(jì)算公式如下：

其中，SINR為每個(gè)RB所要求的信噪比(dB)，NF為eNodeB噪聲系數(shù)(dB)，Nth為噪聲譜密度4×10-18mW/Hz，10lg(Nth) =-174dBm/Hz。為單個(gè)RB的帶寬，再乘以RB數(shù)后相當(dāng)于接收總帶寬。

而

相當(dāng)于噪聲總功率。

由此可見，接收靈敏度受以下因素的影響：小區(qū)邊緣所需的信噪比和噪聲；接收機(jī)的噪聲系數(shù)(NF)；信道帶寬(影響到每個(gè)子載波上的噪聲功率)；接收子載波的數(shù)目。

上下行方向上，邊緣吞吐量要求越高，接收靈敏度越低。邊緣吞吐量要求不同，用戶所分配的帶寬對接收靈敏度的影響也不同。

3) TBS和MCS選擇方法。LTE中，MCS索引號27對應(yīng)64QAM，MCS索引號1對應(yīng)QPSK，因此，MCS越低，調(diào)制階數(shù)越小，解調(diào)所需的SINR越低，接收靈敏度也就越高，所提供的覆蓋越好。MCS、TBS以及PRB三者之間存在對應(yīng)和制約關(guān)系，下行應(yīng)該在保證邊緣吞吐量的基礎(chǔ)上盡可能選擇較低的MCS索引值。但是上行不能采用類似的原則。另外，MCS的選擇還需要兼顧SINR以及每個(gè)PRB功率的需求。

4) 干擾。通常采用干擾余量來進(jìn)行表示，干擾余量指在有干擾和沒有干擾的情況下所接收到的信號之間的關(guān)系。下行方向上，干擾余量定義為-10lg(1-SINR×小區(qū)負(fù)荷/載干比)，上行方向上，由于用戶分布不確定，所以干擾余量采用仿真結(jié)果來獲取。鄰區(qū)負(fù)荷高會導(dǎo)致干擾余量的增加，從而降低MAPL(最大鏈路損耗)，進(jìn)而限制了高階MCS的使用。

LTE系統(tǒng)中小區(qū)內(nèi)不存在干擾，小區(qū)負(fù)荷只受鄰區(qū)的影響。小區(qū)負(fù)荷表示RB資源的利用率，小區(qū)負(fù)荷增加會使得干擾余量增加，從而會影響小區(qū)容量。

5) 不同邊緣吞吐量要求與負(fù)荷和覆蓋半徑之間的關(guān)系。不同負(fù)荷和小區(qū)邊緣吞吐量條件下，小區(qū)覆蓋半徑有很大區(qū)別。通常來講，相同負(fù)荷條件下，小區(qū)覆蓋半徑越大，所獲取的邊緣吞吐量越低。另一方面，覆蓋距離相同時(shí)，則隨著負(fù)荷的增加，邊緣吞吐量逐步降低。

3 LTE系統(tǒng)無線性能提升思路

根據(jù)上述分析可知，吞吐量受多種因素的影響，從而制約了容量、性能和覆蓋等指標(biāo)。為了保證用戶感知、提升網(wǎng)絡(luò)性能，需要綜合多種手段提升吞吐量指標(biāo)，包括：

1)優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)，提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋，保證較高的RSRP；

2)綜合利用功率控制、干擾控制等手段，降低小區(qū)間干擾，提升網(wǎng)絡(luò)整體SINR；

3)采用MCS自適應(yīng)算法， 保證系統(tǒng)資源的高效利用；

4)采用MIMO自適應(yīng)機(jī)制，提升中心用戶的吞吐量，保證邊緣用戶的性能可靠性；

5)采用靈活的調(diào)度算法，保證邊緣吞吐量和小區(qū)總吞吐量之間的均衡。

LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是一個(gè)動態(tài)、漸進(jìn)的過程，只有了解網(wǎng)絡(luò)性能影響因素，才能更好地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、規(guī)劃和優(yōu)化等工作。面向吞吐量進(jìn)行分析和優(yōu)化，對影響吞吐量的各種因素進(jìn)行綜合分析和優(yōu)化，將是未來LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重要工作之一，也是打造優(yōu)質(zhì)LTE網(wǎng)絡(luò)的必要條件。
 

作者介紹：

文志成

高級工程師，曾參與《通用分組無線業(yè)務(wù)-GPRS》、《UMTS系統(tǒng)無線協(xié)議與信令流程-從R99到HSDPA和HSUPA》、《LTE空中接口技術(shù)與性能》以及《LTE關(guān)鍵技術(shù)與無線性能》等書籍的編寫工作。目前主要從事LTE的現(xiàn)場測試和性能分析等工作。

亓新峰

工程師，長期致力于無線系統(tǒng)的網(wǎng)落規(guī)劃和優(yōu)化，目前主要從事LTE的現(xiàn)場測試和性能分析等工作。