TD-LTE外場(chǎng)性能研究

本文針對(duì)TD-LTE在中國(guó)移動(dòng)商用網(wǎng)絡(luò)下的性能及產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析和探討。

一、背景介紹

自2008年底3GPP發(fā)布了LTE第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)版本Rel-8，到2009年底北歐運(yùn)營(yíng)商TeliaSonera率先商用，再到2013年7月韓國(guó)運(yùn)營(yíng)商全球首次商用Rel-10關(guān)鍵技術(shù)之一的載波聚合功能，LTE標(biāo)準(zhǔn)化與商用推進(jìn)的步伐從未停歇。根據(jù)GSA統(tǒng)計(jì)，截至2014年2月底，LTE已在全球101個(gè)國(guó)家的274個(gè)運(yùn)營(yíng)商獲得商用，發(fā)展勢(shì)頭之迅猛遠(yuǎn)超之前所有通信技術(shù)。在GTI的推動(dòng)下，LTE TDD（又稱TD-LTE）得到了良好協(xié)同發(fā)展[1].

2013年12月4日，國(guó)內(nèi)開啟了4G（第四代移動(dòng)通信技術(shù)）即LTE在中國(guó)大陸正式商用的大門。本次官方向中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通發(fā)放了TD-LTE牌照。僅中國(guó)移動(dòng)而言，其2014年目標(biāo)為建設(shè)50萬(wàn)個(gè)基站，預(yù)計(jì)明年再加20萬(wàn)個(gè)站后接近其GSM二十年部署基站數(shù)的90%.

技術(shù)層面上，中國(guó)移動(dòng)的TD-LTE以八通道雙極化智能天線為主而日本軟銀主要復(fù)用PHS（國(guó)內(nèi)又稱小靈通）的八通道圓陣天線，其他LTE TDD運(yùn)營(yíng)商以兩天線部署為主，同時(shí)各家應(yīng)用的頻譜也不盡相同（大多為B41、B38、B40，只有中國(guó)移動(dòng)以B39作為室外部署主要頻段），結(jié)合供貨設(shè)備商、采購(gòu)設(shè)備質(zhì)量、站址條件、應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用業(yè)務(wù)等差異將導(dǎo)致TD-LTE網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)存在差異。因此，自2010年初起在中國(guó)大陸上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室、小規(guī)模外場(chǎng)、大規(guī)模外場(chǎng)、擴(kuò)大規(guī)模外場(chǎng)、商用后評(píng)估等一系列性能研究測(cè)試，為TD-LTE全國(guó)范圍部署積累商用經(jīng)驗(yàn)。

本文以中國(guó)移動(dòng)在某省的商用示范片區(qū)為例，針對(duì)TD-LTE外場(chǎng)性能方面進(jìn)行驗(yàn)證和探討，以期對(duì)未來部署和優(yōu)化提供更為準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。

二、理論分析與需求

3G向4G演進(jìn)的背后驅(qū)動(dòng)力是移動(dòng)設(shè)備新服務(wù)的創(chuàng)新和發(fā)展，并通過可用于移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步來實(shí)現(xiàn)。從通信技術(shù)本身來看，LTE相對(duì)3G標(biāo)準(zhǔn)是革命性的。為支持以數(shù)據(jù)交換類型為核心的新業(yè)務(wù)，特別是互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)的IP業(yè)務(wù)，LTE無(wú)線接口的主要底層設(shè)計(jì)參數(shù)有[3]：數(shù)據(jù)速率、延遲、容量等。本文重點(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)速率。

以TD-LTE下行鏈路為例，20MHz系統(tǒng)帶寬、3D：1U時(shí)隙配比、10：2：2特殊時(shí)隙配置下的物理層理論峰值速率約120Mbps.由于TDD系統(tǒng)的上下行鏈路共享頻譜，因此應(yīng)當(dāng)折算為全時(shí)頻譜利用的速率，即120Mbps / （4ms/5ms） = 150Mbps，經(jīng)過香農(nóng)公式迭代計(jì)算可得信噪比需求至少為24dB.但從3GPP協(xié)議角度來看，該計(jì)算并不嚴(yán)謹(jǐn)。為獲得Rel-8標(biāo)準(zhǔn)的理論峰值速率，協(xié)議規(guī)定需要選擇的傳輸塊大小TB size為75376比特，對(duì)應(yīng)的MCS需要達(dá)到28[4].這里的SINR由基站根據(jù)UE的信道質(zhì)量信息CQI反饋計(jì)算得到，并且多高SINR才能影射到MCS28并實(shí)現(xiàn)峰值速率傳輸還與系統(tǒng)廠商實(shí)現(xiàn)算法和終端解調(diào)能力有關(guān)。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，通常需要30dB左右的信噪比才能獲得理論峰值速率。

上述速率為物理層傳輸速率，而實(shí)際應(yīng)用通?？紤]的是PDCP層速率，假定誤塊率BLER為10%，可簡(jiǎn)單折算PDCP層速率為物理層傳輸速率的90%.

對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商而言，用戶體驗(yàn)在流量經(jīng)營(yíng)的時(shí)代是核心競(jìng)爭(zhēng)能力之一。因此，愛立信結(jié)合全球商用經(jīng)驗(yàn)提出了應(yīng)用覆蓋APP coverage的概念，如下圖所示。智能手機(jī)及相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)成為移動(dòng)通信的主流，因此如何保障終端用戶獲得主流應(yīng)用的良好體驗(yàn)成為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商差異性的重要體現(xiàn)，同時(shí)分組交流類業(yè)務(wù)的接通率、掉線率等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)KPI也不再像電路交換類業(yè)務(wù)那么敏感。下圖中三個(gè)百分比對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，三個(gè)數(shù)字為各覆蓋百分比下應(yīng)保障的應(yīng)用層速率，單位為Mbps，其值可能因不同運(yùn)營(yíng)商而不同。但是為了確保主流應(yīng)用的良好用戶體驗(yàn)及網(wǎng)絡(luò)性能競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，愛立信建議值為1、10、30.通常，商用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試表明：90%點(diǎn)的連續(xù)覆蓋速率約為50%點(diǎn)的平均覆蓋速率的1/3.



以LTE發(fā)展最為活躍的美、日、韓為例，PCMagazine測(cè)試報(bào)告：北美LTE FDD網(wǎng)絡(luò)中AT性能較好（15MHz帶寬），但也只有17Mbps的平均速率和8Mbps的連續(xù)覆蓋速率，仍有一定的優(yōu)化空間。相對(duì)而言，Signals Research在東京和首爾的測(cè)試結(jié)果更為優(yōu)異[5]：東京為軟銀LTE TDD商用網(wǎng)絡(luò)，平均速率和連續(xù)覆蓋速率為31Mbps和10Mbps；而LGU+在首爾應(yīng)用3GPP Rel-10的載波聚合（10+10MHz帶寬）技術(shù)后達(dá)到了62Mbps的平均速率和20Mbps的連續(xù)覆蓋速率，為業(yè)界樹立了新的性能標(biāo)桿。



三、測(cè)試片區(qū)及測(cè)試工具和方法

如本文開始說討論，部署頻段、供貨廠商、采購(gòu)設(shè)備、站址條件、應(yīng)用場(chǎng)景及業(yè)務(wù)等差異將導(dǎo)致各運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)不盡相同。為此，我們選擇了中國(guó)移動(dòng)某省的TD-LTE商用示范區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)可被視為預(yù)商用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。示范區(qū)及測(cè)試線路如下圖所示：共57個(gè)連片基站（其中33個(gè)D頻段8通道站位于中心，22個(gè)F頻段8通道站位于周邊），帶寬20MHz，平均站間距470米，平均站高約30米。網(wǎng)絡(luò)配置為：3D：1U時(shí)隙配比、10：2：2特殊時(shí)隙。



測(cè)試使用了兩類終端，分別為Quanta D2 （CAT3），HISI E5776 （CAT4）。測(cè)試軟件使用CDS7.1版本。對(duì)于上下行速率測(cè)試采用單UE在網(wǎng)絡(luò)中分開進(jìn)行上下行測(cè)試的方法，均使用FTP業(yè)務(wù)。

四、測(cè)試結(jié)果

本次道路測(cè)試結(jié)果通過CDS導(dǎo)出的網(wǎng)絡(luò)覆蓋統(tǒng)計(jì)，可見網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀況良好，但SINR均值表明還具有一定的優(yōu)化空間。



通過CAT3 UE獲得的CRS-RSRP和CRS-SINR打點(diǎn)圖如下所示。



采用CAT3 UE進(jìn)行道路測(cè)試獲得的上下行PDCP速率分布如下圖所示：



上述測(cè)試結(jié)果為采用CAT3和CAT4兩類終端獲得各性能指標(biāo)累積分布函數(shù)CDF中50%點(diǎn)即統(tǒng)計(jì)平均的數(shù)值?？紤]CAT3和CAT4兩類終端進(jìn)行測(cè)試是因?yàn)椋寒?dāng)前商用終端大多為CAT3，其測(cè)試結(jié)果代表了大多數(shù)終端的用戶體驗(yàn)；而CAT4終端具有更高能力，可以充分體現(xiàn)出測(cè)試片區(qū)的網(wǎng)絡(luò)承載潛力。

實(shí)際商用網(wǎng)絡(luò)中，由于多用戶聯(lián)合調(diào)度以及小區(qū)間一定程度干擾等因素的存在，通常平均速率為理論峰值速率的三分之一左右，以CAT3 UE為例，約為80 / 3 = 27Mbps，接近本文第二章給出的應(yīng)用覆蓋推薦均值。表格中好色高亮的測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)好于該指標(biāo)是由于該片區(qū)采取了一定程度的深度優(yōu)化，其性能好于本文第二章第三方咨詢機(jī)構(gòu)展示的軟銀在東京的測(cè)試結(jié)果，是由于中國(guó)移動(dòng)應(yīng)用的8通道智能天線相比8通道全向天線性能更好。