TD-LTE外場(chǎng)性能研究

本文針對TD-LTE在中國移動(dòng)商用網(wǎng)絡(luò )下的性能及產(chǎn)品優(yōu)勢進(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)標準版本Rel-8，到2009年底北歐運營(yíng)商TeliaSonera率先商用，再到2013年7月韓國運營(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標準化與商用推進(jìn)的步伐從未停歇。根據GSA統計，截至2014年2月底，LTE已在全球101個(gè)國家的274個(gè)運營(yíng)商獲得商用，發(fā)展勢頭之迅猛遠超之前所有通信技術(shù)。在GTI的推動(dòng)下，LTE TDD（又稱(chēng)TD-LTE）得到了良好協(xié)同發(fā)展[1].

2013年12月4日，國內開(kāi)啟了4G（第四代移動(dòng)通信技術(shù)）即LTE在中國大陸正式商用的大門(mén)。本次官方向中國移動(dòng)、中國電信和中國聯(lián)通發(fā)放了TD-LTE牌照。僅中國移動(dòng)而言，其2014年目標為建設50萬(wàn)個(gè)基站，預計明年再加20萬(wàn)個(gè)站后接近其GSM二十年部署基站數的90%.

技術(shù)層面上，中國移動(dòng)的TD-LTE以八通道雙極化智能天線(xiàn)為主而日本軟銀主要復用PHS（國內又稱(chēng)小靈通）的八通道圓陣天線(xiàn)，其他LTE TDD運營(yíng)商以?xún)商炀€(xiàn)部署為主，同時(shí)各家應用的頻譜也不盡相同（大多為B41、B38、B40，只有中國移動(dòng)以B39作為室外部署主要頻段），結合供貨設備商、采購設備質(zhì)量、站址條件、應用場(chǎng)景及應用業(yè)務(wù)等差異將導致TD-LTE網(wǎng)絡(luò )性能和用戶(hù)體驗存在差異。因此，自2010年初起在中國大陸上進(jìn)行實(shí)驗室、小規模外場(chǎng)、大規模外場(chǎng)、擴大規模外場(chǎng)、商用后評估等一系列性能研究測試，為T(mén)D-LTE全國范圍部署積累商用經(jīng)驗。

本文以中國移動(dòng)在某省的商用示范片區為例，針對TD-LTE外場(chǎng)性能方面進(jìn)行驗證和探討，以期對未來(lái)部署和優(yōu)化提供更為準確的參考數據。

二、理論分析與需求

3G向4G演進(jìn)的背后驅動(dòng)力是移動(dòng)設備新服務(wù)的創(chuàng )新和發(fā)展，并通過(guò)可用于移動(dòng)通信系統的技術(shù)進(jìn)步來(lái)實(shí)現。從通信技術(shù)本身來(lái)看，LTE相對3G標準是革命性的。為支持以數據交換類(lèi)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(xiàn)接口的主要底層設計參數有[3]：數據速率、延遲、容量等。本文重點(diǎn)關(guān)注數據速率。

以TD-LTE下行鏈路為例，20MHz系統帶寬、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系統的上下行鏈路共享頻譜，因此應當折算為全時(shí)頻譜利用的速率，即120Mbps / （4ms/5ms） = 150Mbps，經(jīng)過(guò)香農公式迭代計算可得信噪比需求至少為24dB.但從3GPP協(xié)議角度來(lái)看，該計算并不嚴謹。為獲得Rel-8標準的理論峰值速率，協(xié)議規定需要選擇的傳輸塊大小TB size為75376比特，對應的MCS需要達到28[4].這里的SINR由基站根據UE的信道質(zhì)量信息CQI反饋計算得到，并且多高SINR才能影射到MCS28并實(shí)現峰值速率傳輸還與系統廠(chǎng)商實(shí)現算法和終端解調能力有關(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%.

對網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商而言，用戶(hù)體驗在流量經(jīng)營(yíng)的時(shí)代是核心競爭能力之一。因此，愛(ài)立信結合全球商用經(jīng)驗提出了應用覆蓋APP coverage的概念，如下圖所示。智能手機及相關(guān)應用已經(jīng)成為移動(dòng)通信的主流，因此如何保障終端用戶(hù)獲得主流應用的良好體驗成為網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商差異性的重要體現，同時(shí)分組交流類(lèi)業(yè)務(wù)的接通率、掉線(xiàn)率等傳統網(wǎng)絡(luò )關(guān)鍵性能指標KPI也不再像電路交換類(lèi)業(yè)務(wù)那么敏感。下圖中三個(gè)百分比對應網(wǎng)絡(luò )覆蓋，三個(gè)數字為各覆蓋百分比下應保障的應用層速率，單位為Mbps，其值可能因不同運營(yíng)商而不同。但是為了確保主流應用的良好用戶(hù)體驗及網(wǎng)絡(luò )性能競爭優(yōu)勢，愛(ài)立信建議值為1、10、30.通常，商用網(wǎng)絡(luò )測試表明：90%點(diǎn)的連續覆蓋速率約為50%點(diǎn)的平均覆蓋速率的1/3.



以L(fǎng)TE發(fā)展最為活躍的美、日、韓為例，PCMagazine測試報告：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的連續覆蓋速率，仍有一定的優(yōu)化空間。相對而言，Signals Research在東京和首爾的測試結果更為優(yōu)異[5]：東京為軟銀LTE TDD商用網(wǎng)絡(luò )，平均速率和連續覆蓋速率為31Mbps和10Mbps；而LGU+在首爾應用3GPP Rel-10的載波聚合（10+10MHz帶寬）技術(shù)后達到了62Mbps的平均速率和20Mbps的連續覆蓋速率，為業(yè)界樹(shù)立了新的性能標桿。



三、測試片區及測試工具和方法

如本文開(kāi)始說(shuō)討論，部署頻段、供貨廠(chǎng)商、采購設備、站址條件、應用場(chǎng)景及業(yè)務(wù)等差異將導致各運營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò )性能和用戶(hù)體驗不盡相同。為此，我們選擇了中國移動(dòng)某省的TD-LTE商用示范區域進(jìn)行測試，其網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)可被視為預商用網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)。示范區及測試線(xiàn)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。



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

四、測試結果

本次道路測試結果通過(guò)CDS導出的網(wǎng)絡(luò )覆蓋統計，可見(jiàn)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(guò)CAT3 UE獲得的CRS-RSRP和CRS-SINR打點(diǎn)圖如下所示。



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



上述測試結果為采用CAT3和CAT4兩類(lèi)終端獲得各性能指標累積分布函數CDF中50%點(diǎn)即統計平均的數值?？紤]CAT3和CAT4兩類(lèi)終端進(jìn)行測試是因為：當前商用終端大多為CAT3，其測試結果代表了大多數終端的用戶(hù)體驗；而CAT4終端具有更高能力，可以充分體現出測試片區的網(wǎng)絡(luò )承載潛力。

實(shí)際商用網(wǎng)絡(luò )中，由于多用戶(hù)聯(lián)合調度以及小區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用覆蓋推薦均值。表格中好色高亮的測試結果遠好于該指標是由于該片區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(xún)機構展示的軟銀在東京的測試結果，是由于中國移動(dòng)應用的8通道智能天線(xiàn)相比8通道全向天線(xiàn)性能更好。