LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃技術(shù)研究

隨著無(wú)線業(yè)務(wù)需求的不斷增長(zhǎng)，目前的2G、3G網(wǎng)絡(luò)承載能力日趨飽和，為了應(yīng)對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的不斷凸顯的供需矛盾，第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(LTE)逐步從理論走向現(xiàn)實(shí)。強(qiáng)大的業(yè)務(wù)承載能力、高效的系統(tǒng)資源利用方式、低廉的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本、靈活的網(wǎng)絡(luò)部署模式使LTE越來(lái)越受到各主流運(yùn)營(yíng)商的青睞。

    LTE系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的不斷成熟有效地推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)。從目前來(lái)看，3GPP 在Release-8的相關(guān)工作已經(jīng)凍結(jié)，在此基礎(chǔ)上各設(shè)備商已經(jīng)展開(kāi)了LTE產(chǎn)品的研發(fā)工作，同時(shí)各類(lèi)實(shí)驗(yàn)局的部署和測(cè)試也在有序的進(jìn)行之中。從整個(gè)產(chǎn)業(yè)來(lái)看，雖然LTE產(chǎn)品的研發(fā)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，但是LTE系統(tǒng)的高度復(fù)雜性和靈活性帶來(lái)了各種不確定性，因此業(yè)界對(duì)于LTE系統(tǒng)特征、建網(wǎng)思路、優(yōu)化策略尚處于初級(jí)的摸索階段。就LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃而言，系統(tǒng)性理論體系及應(yīng)用方案的缺失成為L(zhǎng)TE能夠高效、精確部署的主要技術(shù)障礙。

    在LTE系統(tǒng)中，空中接口采用了正交頻分復(fù)用(OFDM)、多輸入多輸出(MIMO)、高級(jí)編碼調(diào)制方式(AMC)、混合自動(dòng)重傳(HARQ)等先進(jìn)的無(wú)線鏈路技術(shù)，并通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)度、小區(qū)間干擾消除技術(shù)(ICIC)、功率控制等無(wú)線資源管理算法提高空口資源配置的效率和靈活性[2-3]。從LTE的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)來(lái)看，上述無(wú)線技術(shù)在提升網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)，也大大增加了系統(tǒng)分析的復(fù)雜度。要實(shí)現(xiàn)高效、可靠的LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃方案，需要通過(guò)系統(tǒng)化的理論、仿真、測(cè)試等，從而對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)特征進(jìn)行全面的研究和分析。與2G、3G網(wǎng)絡(luò)相比，LTE網(wǎng)絡(luò)在資源共享方式、系統(tǒng)干擾特征等影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的核心因素方面有著根本性的不同，傳統(tǒng)的覆蓋規(guī)劃及鏈路預(yù)算思路和方案已遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足LTE實(shí)際建網(wǎng)的需要[4]。鑒于上述原因，對(duì)于LTE系統(tǒng)的覆蓋規(guī)劃，需要分析和總結(jié)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的潛在需求，剖析LTE系統(tǒng)的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)特征，總結(jié)出適合LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的覆蓋規(guī)劃體系和方案，并不斷完善。另外，增強(qiáng)頻譜效率是提升LTE競(jìng)爭(zhēng)力的核心內(nèi)容之一，因此它和頻組網(wǎng)下的LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是文章關(guān)注的重點(diǎn)。

 
1 LTE網(wǎng)規(guī)流程及覆蓋規(guī)劃策略
    總體來(lái)看，頻分雙工(FDD) LTE的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程和2G、3G規(guī)劃流程基本保持一致，包含需求收集和分析、覆蓋和容量設(shè)計(jì)、站點(diǎn)選擇、規(guī)劃仿真、報(bào)告撰寫(xiě)五大部分。其中，覆蓋和容量設(shè)計(jì)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的核心要素，需要根據(jù)用戶(hù)的具體需求，結(jié)合對(duì)網(wǎng)絡(luò)特征的深入分析，對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模進(jìn)行全面估算。文章主要對(duì)LTE系統(tǒng)的覆蓋規(guī)劃方法進(jìn)行分析。

    FDD LTE系統(tǒng)覆蓋規(guī)劃的主要目標(biāo)是基于實(shí)際的小區(qū)邊緣覆蓋需求，在一定的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置下，估算基站能夠?qū)崿F(xiàn)的覆蓋距離，從而得到網(wǎng)絡(luò)規(guī)模需求。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)際的規(guī)劃需求，F(xiàn)DD LTE系統(tǒng)的覆蓋規(guī)劃策略一般主要分為3類(lèi)：

基于上行邊緣速率要求的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模估算

第1種策略主要應(yīng)用于只限制了上行邊緣速率的覆蓋需求?；谏闲兴俾?，在一定的鏈路預(yù)算參數(shù)輸入下，計(jì)算出上行的覆蓋半徑；并根據(jù)得到的上行覆蓋半徑預(yù)測(cè)下行可實(shí)現(xiàn)的邊緣速率；

基于下行邊緣速率要求的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模估算

第2種策略主要應(yīng)用于只限制了下行邊緣速率的覆蓋需求。基于下行速率，在一定的鏈路預(yù)算參數(shù)輸入下，計(jì)算出下行的覆蓋半徑；并根據(jù)得到的下行覆蓋半徑預(yù)測(cè)上行可實(shí)現(xiàn)的邊緣速率；

基于上行和下行邊緣速率要求的規(guī)模估算

第3種策略主要應(yīng)用于同時(shí)限制了上下行邊緣速率的覆蓋需求?；谏舷滦兴俾剩谝欢ǖ逆溌奉A(yù)算參數(shù)輸入下，分別計(jì)算出上下行的覆蓋半徑；并通過(guò)比較即可得到受限的覆蓋半徑。
 

    在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，需要根據(jù)不同的具體需求和應(yīng)用場(chǎng)景選取合適的覆蓋規(guī)劃策略，靈活應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中出現(xiàn)的問(wèn)題。

2 LTE上行覆蓋規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)

    要解決LTE覆蓋規(guī)劃的問(wèn)題，關(guān)鍵在于如何根據(jù)上行或下行的邊緣業(yè)務(wù)速率要求得到相應(yīng)的覆蓋范圍。對(duì)于一些特殊的場(chǎng)景或業(yè)務(wù)，還要考慮控制信道的相關(guān)覆蓋性能。文章主要討論業(yè)務(wù)信道受限場(chǎng)景下的覆蓋規(guī)劃問(wèn)題。在給定的業(yè)務(wù)速率需求下，需要從LTE的鏈路及系統(tǒng)兩個(gè)主要方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特征進(jìn)行深入的分析和總結(jié)。

    對(duì)于LTE上行覆蓋規(guī)劃技術(shù)的研究，主要包含兩個(gè)方面：系統(tǒng)級(jí)研究和鏈路級(jí)研究。由于LTE系統(tǒng)上行引入了基于單載波-頻分多址(SC-FDMA)的多址接入方式，小區(qū)內(nèi)的用戶(hù)之間互相正交，干擾主要來(lái)自于鄰小區(qū)的激活用戶(hù)，上行功率控制策略的選擇直接影響小區(qū)間的干擾模式及干擾強(qiáng)度[5-6]。在LTE上行覆蓋設(shè)計(jì)中，干擾余量作為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的核心依據(jù)之一，直接取決于功率控制方法、應(yīng)用場(chǎng)景等因素，并需要通過(guò)系統(tǒng)級(jí)仿真對(duì)不同環(huán)境下的干擾進(jìn)行深入的研究，為上行覆蓋規(guī)劃提供較為貼近實(shí)際應(yīng)用的參考設(shè)置。

    根據(jù)建網(wǎng)側(cè)重點(diǎn)的不同，上行干擾特征會(huì)受到功率控制策略等方面因素的主導(dǎo)。對(duì)于LTE系統(tǒng)，上行干擾特征最直接的衡量就是平均干擾抬升(IOT)。因此上行IOT的分布特征取決于實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景及上行功率控制參數(shù)。LTE上行功率控制分為開(kāi)環(huán)功控和閉環(huán)功控。一般情況下，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)功控基本決定了系統(tǒng)的干擾模式，閉環(huán)功控主要用在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中根據(jù)業(yè)務(wù)及干擾的變化對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。具體來(lái)看，開(kāi)環(huán)功率控制主要通過(guò)對(duì)功控參數(shù)P 0和α的確立來(lái)滿(mǎn)足特定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需求，不同的參數(shù)集合會(huì)帶來(lái)不同的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量特征。為滿(mǎn)足實(shí)際規(guī)劃的需求，需要在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行深入的研究和分析，總結(jié)出滿(mǎn)足特定要求的參數(shù)，同時(shí)在相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置下研究系統(tǒng)的干擾特征，即平均IOT，并分析相應(yīng)的上行干擾余量?；谏鲜龇治觯煌膮?shù)會(huì)帶來(lái)差異化的系統(tǒng)性能指標(biāo)及干擾特征，在實(shí)際的規(guī)劃過(guò)程中要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合適的選擇，如圖1所示。

    在LTE系統(tǒng)的建網(wǎng)初期，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主要關(guān)注的是覆蓋。根據(jù)上述討論，在以覆蓋準(zhǔn)則為導(dǎo)向的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的功控參數(shù)來(lái)滿(mǎn)足覆蓋的最大化（降低干擾），由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的設(shè)計(jì)目標(biāo)各不相同，需考慮不同負(fù)載下的網(wǎng)絡(luò)干擾水平，以此作為覆蓋規(guī)劃的參考依據(jù)，如圖2所示。

    在鏈路研究方面，該設(shè)計(jì)主要考慮的是給定數(shù)據(jù)速率下用戶(hù)帶寬的優(yōu)化配置。對(duì)于特定的邊緣數(shù)據(jù)速率需求，可以通過(guò)給用戶(hù)分配不同的帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)不同的覆蓋性能。通過(guò)對(duì)信道容量的研究及鏈路級(jí)仿真結(jié)果系統(tǒng)性的全面分析，在給定的數(shù)據(jù)速率要求下，對(duì)配置帶寬的優(yōu)化可以增強(qiáng)業(yè)務(wù)的覆蓋性能。該設(shè)計(jì)是根據(jù)鏈路仿真及實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試中對(duì)鏈路性能的分析，從終端功率使用效率出發(fā)，對(duì)特定的業(yè)務(wù)速率、不同用戶(hù)帶寬分配下的性能進(jìn)行深入的分析。在此基礎(chǔ)上，不同的業(yè)務(wù)速率需求，可以得到優(yōu)化的上行占用帶寬，實(shí)現(xiàn)較好的覆蓋性能，如圖3所示。

    以上分別從系統(tǒng)及鏈路兩個(gè)方面確定了上行鏈路預(yù)算的核心內(nèi)容：干擾余量及上行發(fā)射帶寬（與之對(duì)應(yīng)的調(diào)制編碼格式及目標(biāo)信號(hào)與干擾噪聲比由鏈路仿真給出）。在此基礎(chǔ)上可以根據(jù)傳統(tǒng)的鏈路預(yù)算、計(jì)算方法計(jì)算出給定邊緣數(shù)據(jù)速率下的上行最大允許路徑損耗(MAPL)。

3 LTE下行覆蓋規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)
    與上行類(lèi)似，下行覆蓋規(guī)劃設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)及鏈路兩個(gè)方面的研究，其中鏈路技術(shù)的研究主要是通過(guò)不同鏈路設(shè)置，如調(diào)制編碼格式(MCS)、帶寬等下的鏈路仿真，分析不同信道環(huán)境、業(yè)務(wù)速率對(duì)鏈路質(zhì)量（載干比）的需求，以此作為覆蓋規(guī)劃的依據(jù)；系統(tǒng)級(jí)的研究方面，主要是依托系統(tǒng)仿真，對(duì)覆蓋區(qū)域中不同位置的接收信號(hào)強(qiáng)度、干擾強(qiáng)度、干擾余量、載干比等在不同應(yīng)用場(chǎng)景及覆蓋范圍下進(jìn)行深入的仿真分析：一方面研究傳統(tǒng)的基于干擾余量的鏈路預(yù)算方案的局限性，另一方面，建立在信號(hào)與干擾之間的紐帶，對(duì)現(xiàn)有的覆蓋規(guī)劃思路作進(jìn)一步改進(jìn)。

    LTE下行干擾情況受到組網(wǎng)方式（干擾協(xié)調(diào)方式）、系統(tǒng)負(fù)載等因素的影響，并且隨著小區(qū)半徑的變化而變化。同時(shí)，鏈路預(yù)算中的關(guān)鍵參量干擾余量也隨之變化，如圖4所示。由于干擾余量與小區(qū)半徑的強(qiáng)相關(guān)特性，傳統(tǒng)的基于給定干擾余量計(jì)算小區(qū)半徑的思路已不再適用于現(xiàn)行情況，需要重新尋找相對(duì)比較穩(wěn)定的中間參數(shù)來(lái)分析。

    經(jīng)過(guò)大量的系統(tǒng)分析，幾何因子(GF, GF=本鄰小區(qū)信干擾之比)以其獨(dú)到的特性為下行鏈路預(yù)算提供了一個(gè)理想的橋梁。在滿(mǎn)負(fù)載(100%)全同頻組網(wǎng)(Frequency Reuse Factor=1)的情況下，通過(guò)對(duì)不同小區(qū)半徑下的幾何因子累積分布函數(shù)(CDF)可以看出：在不同的覆蓋半徑下，幾何因子的分布幾乎重合（如圖5所示），該特征為L(zhǎng)TE下行鏈路預(yù)算提供了一個(gè)穩(wěn)定的中間參數(shù)。

    在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，一般選取95%的區(qū)域覆蓋所對(duì)應(yīng)的幾何因子作為覆蓋規(guī)劃的參考依據(jù)，在全同頻組網(wǎng)、滿(mǎn)負(fù)載條件下，如圖6中仿真結(jié)果，幾何因子為3 dB。實(shí)際組網(wǎng)中的設(shè)計(jì)目標(biāo)不同，因此需要考慮不同系統(tǒng)負(fù)載下幾何因子的差異性，并以此作為相應(yīng)負(fù)載條件下的參考取值，通過(guò)利用幾何因子，在下行覆蓋分析中，可以在干擾噪聲比(SINR)間建立起明確的數(shù)學(xué)關(guān)系。具體來(lái)看，在實(shí)際的鏈路預(yù)算中，根據(jù)特定的需求確定下行邊緣所需要的SINR，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算出邊緣所需的最低接收信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)基站的發(fā)射功率，可以計(jì)算得出MAPL（如公式1—3）。

    其中SINRrequire是目標(biāo)信干燥比，Srequire是接收端需要的最小接收功率，P為基站發(fā)射功率，sh_margin為陰影余量，Loss為包括饋線損耗在內(nèi)的所有設(shè)備損耗，Gain為包含天增增益在內(nèi)的所有設(shè)備增益。

4 結(jié)束語(yǔ)
    LTE的開(kāi)放性及靈活性給網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，從整個(gè)業(yè)界來(lái)看，對(duì)于LTE實(shí)際組網(wǎng)的研究處于初步的探索階段。文章通過(guò)對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程和需求的理解，結(jié)合覆蓋規(guī)劃中關(guān)鍵技術(shù)分析及對(duì)系統(tǒng)特征的深入研究，一方面給給出了LTE覆蓋在不同需求下的規(guī)劃思路，為商業(yè)需求到技術(shù)需求的轉(zhuǎn)化提供了明確的指導(dǎo)；另一方面，提出LTE系統(tǒng)上下行鏈路預(yù)算的整體技術(shù)思路、關(guān)鍵參數(shù)的取值分析及應(yīng)用方法，為L(zhǎng)TE實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)奠定了初步的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用指導(dǎo)。