TD-LTE系统能力分析

【摘 要】文章首次具体地给出了TD-LTE上下行业务和控制信道的链路预算，随后对上下行覆盖受限因素作出细致的对比分析，对TD-LTE的容量评估指标，包括VoIP用户容纳能力、系统可同时调度用户数、上下行小区峰值吞吐量和上下行小区平均吞吐量均作了详尽的描述，在一定的模型下给予了实际的计算量化，有助于解决今后网络规划中的容量建模问题。

【关键词】TD-LTE 链路预算 VoIP 小区峰值吞吐量 小区平均吞吐量
收稿日期：2011-06-07
肖清华 汪丁鼎 华信邮电咨询设计研究院有限公司
1 前言
LTE [1]网络的优势在于能够更好地支持高速数据与多媒体业务，通过采用OFDM、SC-FDMA和MIMO等多种关键技术[2]可以实现比目前2/3G系统更快的数据速率，提供更高的小区容量，以及显著降低用户平面和控制平面的时延。

关于LTE的研究文献目前已经很多[3~7]，但绝大部分只是从标准或宏观层面对LTE系统进行阐述，并没有量化。

文献[3]给出LTE TDD和FDD在标准和实现过程中的差异，文献[4]给出了TD-LTE有关功率控制算法及仿真结果分析，文献[5]则从组网的角度进行了同频可行性分析。

这些研究都未对LTE应用中最具指导意义的系统容量与覆盖性能加以描述，而这两者是对系统进行评估的重要指标，尤其是覆盖性能决定了系统是否可以带给用户稳定、可靠的业务感知。

与系统容量和覆盖性能息息相关的是LTE网络规划，文献[6]和[7]中均有涉及，但前者更多地停留在概念阶段，提出了自组织网络（SON，Self Organized Network）的未来技术；后者只是从标准
设计层面给出了相关的评估方式与影响因素，也不具有实际的可操作性。

为此，本文从覆盖和容量两个层面分别定量分析LTE系统的能力，为后期的网络规划提供理论指导依据。

由于LTE分TDD和FDD两种制式，为表述方便，本文以TD-LTE为例进行阐述。

这与笔者之前对TD-SCDMA系统能力的分析[8]类似，不过TD-LTE由于取消了电路域、采取RB（Resource Block）承载和RNC功能下放的原因，其系统能力表现更为复杂。

2 覆盖能力分析
TD-LTE系统的覆盖能力与链路预算指标紧密相联，但与其它系统不同的是，TD-LTE在系统帧结构设计上支持更大的覆盖极限，覆盖目标也多样化，更多依赖于边缘用户的速率。

在TD-LTE系统规范中定义了6种载波带宽，用户占用的子载波带宽由系统分配，对覆盖产生很大影响。

此外，由于增加了64QAM的高阶调制，加之编码率更丰富，引入OFDM和MIMO技术等都会对TD-LTE 的覆盖能力产生影响。

2.1 帧结构与最大覆盖能力
T D -L T E 下行采用P B C H 、P C F I C H 、P D C C H 、
P D S C H和P M C H物理信道，上行则采用P U C C H、PUSCH和PRACH物理信道。

在进行OFDM符号IFFT（傅立叶逆变换）之后插入CP（Cyclic Prefix，循环前缀）以防止符号间干扰，其帧结构如图1所示。

TD-LTE最大覆盖能力一方面与帧结构中GP的配置长度有关（与TD-SCDMA类似），另一方面取决于小区边缘用户的最大接入距离（PRACH信道配置）。

对于GP配置，参考TD-LTE的帧结构，最大覆盖距离MaxD1=c*GP/2，其中c为光速。

对于特殊时隙不同的配置，最大覆盖距离如表1所示：
表1 不同特殊时隙的最大覆盖距离
特殊时隙配 置可支持半径（km）
3:10:1107.1
10:2:221.4
3:9:296.4
PRACH信道配置如图2所示：
图2 PRACH结构
此时最大覆盖距离MaxD2=c*GT/2，其中GT为PRACH中的空余时隙长度。

对于不同的PRACH配置格式，其覆盖距离如表2所示：
表2 PRACH最大接入距离
PRACH配置可支持半径（km）
014.53
177.34
3107.34
4 1.4
TD-LTE的理论最大覆盖距离MaxD=max(MaxD1, MaxD2)。

2.2 链路预算参数
TD-LTE的链路预算关键参数包括所要承载的业务速率（小区边缘用户的流量要求）、带宽参数（系统带宽和边缘用户占用的RB个数）、天线数及发射模式（如发射分集或波束赋形）、天线增益、发射功率、接收灵敏度、SINR（信干噪比，Signal to Interference plus Noise Ratio）和干扰余量等。

为表述方便，本文以20M H z信道带宽（100个RB）、常规CP配置、终端1天线收发、基站2天线收发（SFBC+分集）为例进行链路预算分析。

发射功率、干扰余量、天线增益等具体参数详见链路预算表，在此只分析最重要的SINR参数。

目标SINR的取定限于一定边缘速率的用户的需要，与用户RB配置、MCS等级、传输模式、信道模型等均有
关。

只有确定相关的系统条件和配置，才能通过链路仿图1 TD-LTE帧结构
真获取该信道的SINR，如表3所示：
表3 不同配置下的SINR
序号调制模式编码率SINR（dB）
1QPSK1/19-9.1
2QPSK1/15-8.1
……………………
8QPSK1/4-3.55
9QPSK1/3-2.6
……………………
2.3 TD-LTE链路预算
T D-L T E链路预算分上
下行链路预算，每一链路又
分控制信道和业务信道的链
路预算。

（1）上行链路预算－
业务信道
以64kbps～1000kbps
数据业务为例，具体链路预
算参见表4。

需要注意的是，上行链
路接收端噪声功率与业务本
身分配的RB带宽有关。

（2）上行链路预算－
控制信道
上行控制信道主要是
PUCCH，包括Format1~
F o r m a t2b等6
种格式。

当采
用F o r m a t2b
格式时，使用
QPSK+QPSK调
制，总bit数超过
20，覆盖距离是
最短的。

本文以
Format2系列格
式为例对上行控
制信道的链路预
算进行说明。

由于大部分参数与业务信道相同，在此只列出不同部分，如表5所示。

（3）下行链路预算－业务信道
以64kbps～2000kbps数据业务为例，具体链路预算参见表6。

需要注意的是，下行链路发射功率与RB分配量有关。

（4）下行链路预算－控制信道
表4 TD-LTE上行业务信道链路预算
序号数据速率（RLC）kbps642505001000RLC layer rate 1所需RB数量6244848A
2RB带宽kHz180180180180B DL overhead 3eUE最大功率dBm24242424C
4天线增益dBi0000D
5人体损耗dB2222E
6EIRP dBm22222222F C+D-E
7热噪声密度dBm/Hz-174-174-174-174G
8接收端噪声系数dB2222H
9接收端噪声功率dB-111.56-105.54-102.53-102.53I10*lg(A*B)+G+H 10接收端天线增益dBi18181818J
11接收端多天线增益dB3333K
12Rx TMA dB3333L
13插损和馈线损耗dB3333M
14SINR dB-5.5-6.2-6.3-4.4N
15接收灵敏度dBm-138.06-132.74-129.83-127.93O I-J-K-L+M+N 16干扰余量dB 4.5 4.5 4.5 4.5P
17穿透损耗dB22222222Q
18衰落余量dB7777R
19链路预算dB126.56121.24118.33116.43S F-O-P-Q-R 表5 TD-LTE上行控制信道与业务信道链路预算差异
序号
上行控制信道上行业务信道
PUCCH
Format2
PUCCH
Format2a
PUCCH
Format2b
64kbps250kbps500kbps1000kbps
1所需RB数量1116244848
2接收端噪声
功率
dB-119.34-119.34-119.34-111.56-105.54-102.53-102.53
3SINR dB-3.51-5.21-2.21-5.5-6.2-6.3-4.4 4接收灵敏度dBm-143.85-145.55-142.55-138.06-132.74-129.83-127.93 5链路预算dB132.35134.05131.05126.56121.24118.33116.43
下行控制信道包括PBCH、PDCCH、PCFICH等，由于大部分参数与业务信道相同，在此只列出不同部分，如表7所示。

2.4 链路分析
根据上文对
T D-L T E不同业
务、不同控制信
道和不同链路的
覆盖能力分析，
可知：
（1）T D-
LTE的上行信道受
限于PUSCH，即
业务信道；
（2）T D-
LTE的下行信道受
限于PDCCH，即
控制信道；
（3）在上
下行业务信道目
标速率相同时，
PDSCH覆盖优于
PUSCH，即上行
业务受限；
（4）对比上
下行覆盖范围，T D-L T E系统覆盖受限于P D C C H，即下行控制信道。

表6 TD-LTE下行业务信道链路预算
序号数据速率kbps6425050010002000RLC layer rate 1发射功率dBm4646464646A
2发射天线增
益
dBm1818181818B
3电缆损耗dBm22222C 4RB分配624484848D
5EIRP dBm49.7855.8058.8158.8158.81E
A+B-C+ 10*lg(D/100)
6UE噪声系
数
dBm77777F
7UE热噪声
系数
dBm-113.56-107.54-104.53-104.53-104.53G
8UE底躁dBm-106.56-100.54-97.53-97.53-97.53H
-174+F+
10*lg(D*RB带宽)
9SINR dBm-5.50-6.20-6.30-4.40 4.75I
10接收机灵敏
度
dBm-112.06-106.74-103.83-101.93-92.78J H+I
11干扰余量dBm 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5K
12控制信道开
销
dBm11111L
13UE天线增
益
dBm00000M
14身体损耗dBm00000N 15穿透损耗dBm2222222222O 16衰落余量dBm77777P
17链路预算dBm127.34128.04128.14126.24117.09Q E-J-K-L+M-N-
O-P
表7 TD-LTE下行控制信道与业务信道链路预算差异
序号
下行控制信道下行业务信道
PBCH PDCCH PCFICH PHICH64kbps250kbps500kbps1000kbps2000kbps
1RB分配684 CCE NA NA624484848 2EIRP dBm49.7854.0442.0042.0046.7852.8055.8155.8155.81
3UE热噪声
系数
dBm-113.56-109.30-121.34-121.34-113.56-107.54-104.53-104.53-104.53
4UE底躁dBm-106.56-102.30-114.34-114.34-106.56-100.54-97.53-97.53-97.53 5SINR dBm-0.50 4.00-2.300.70-5.50-6.20-6.30-4.40 4.75
6接收机灵敏
度
dBm-107.06-98.30-116.64-113.64-112.06-106.74-103.83-101.93-92.78
7链路预算dBm123.34118.84125.14122.14127.34128.04128.14126.24117.09
3 容量能力分析
文献[7]指出，由于LTE网络采用共享方式进行数据传输，即使是语音信号也通过VoIP的方式共享空口资源；因此，对于LTE网络容量尤其是无线网络容量的评估不能简单地通过用户数来衡量，还需要结合小区峰值吞吐量、小区平均吞吐量以及单用户的峰值吞吐量、单用户的平均吞吐量等指标进行评估。

实际上，TD-LTE的容量与系统带宽、上下行子帧配比、特殊子帧配比、控制信道开销、具体的业务类型、频率组网方式等诸多因素相关，容量建模非常复杂。

为方便表述，本文在文献[7]给出的评估指标基础上，增加VoIP容量指标，并对上下行各信道容量进行逐步分析。

此外，由于单用户的容量=小区容量/用户总数，因此再对TD-LTE最大同时可调度用户数指标进行分析。

3.1 上行PUSCH容量分析
由上文可知，TD-LTE系统在上行业务信道受限，因此着重分析PUSCH信道。

PUSCH信道用于承载业务数据，其信道容量与具体的调度方式（半静态调度、动态调度）、系统带宽、TDD配置等因素相关。

对于不同的业务类型，采用的调度方式不同，PUSCH信道容量的衡量方式也不同。

例如对VoIP业务采用半静态调度，主要使用小区支持的满意VoIP用户数来衡量；而对于数据业务或具有保证速率要求的流类业务，主要使用小区吞吐率等指标来衡量。

3.2 下行信道分析
TD-LTE下行链路为控制信道受限，PDSCH业务信道容量将采取下文的小区吞吐量来评估，这里不再单独表述。

下行控制信道包括PCFICH、PDCCH和PHICH信道，此外还有PBCH广播信道。

PBCH和PCFICH信道所有用户都需要接收，不会限制小区容量。

PDCCH信道只会限制同一TTI同时调度的用户数，也不会限制小区可以接入的用户数。

而对于用于承载下行ACK/NACK消息的PHICH信道，其格式由PBCH广播指示，通过组映射来区分，其组容量计算如下：
()()8normal CP 28extended CP
DL g RB i DL
g RB N N m N N ⎧⎡⎤⎢⎥⎪
×⎨
⎡⎤⎪⋅⎢
⎥⎩ （1）
其中，DL
RB
N 为系统带宽内的RB总数；N g 在PBCH中配置，取值为1/6、1/2、1和2；m i 与TDD配置相关，具体取值如表8所示：
表8 PHICH信道容量系数取值
TDD
配置子帧编号i
0123456789021---21---101--101--1200-1000-10310---00011400--000011500-00000106
1
1
---1
1
--1
需要说明的是，在常规CP下，每个PHICH组的复用系数最大可取到8。

3.3 VoIP容量分析
一般情况下，某用户在使用VoIP进行语音通信时，若98%的数据包时延在50ms以内，则认为该用户是满意的。

而如果小区内95%的用户是满意的，则认为该小区所能容纳的VoIP用户总数为该小区的VoIP容量。

由于VoIP采用半静态调度，可以不考虑控制信道限制；同时假定系统配置的PHICH反馈信道总能满足用户需求，则可得： VoIP容量11
/160ms 1/20ms ini RB RB
N SIDSize N PacketSize α=
∗
∗+ （2）
其中，α为激活因子，通常为0.5；SIDSize 为VoIP 用户在静默期MAC层包的大小，单位bit；PacketSize 为VoIP用户在通话期MAC层包的大小，单位bit；160ms为话音用户静默期SID帧传输周期；ini
RB N 为20ms半静态调度周期内初传可用的RB数量；RB N 为每个用户需要的平均RB数量。

3.4 最大同时可调度用户数分析
TD-LTE同时能够得到调度的用户数目受限于控制信道的可用资源数目，即PDCCH（包括PHICH、PC-FICH）信道可用的CCE数。

一般情况下，一个对称业务
的用户需要配置2条PDCCH，其中PHICH占用1个CCE，最多可复用8个用户。

PCFICH指明给定带宽和天线配置下可用的CCE个数，如表9所示：
表9 可用CCE数
单（双）天线四（八）天线
CFI值
10MHz
（50RB）
20MHz
（100RB）
10MHz
（50RB）
20MHz
（100RB）
111221122
227552244
344883877
最大同时可调度用户数由下式算得：
N CCE=(N/N MUX_PHICH)+N CCE_PHICH+N*N PDCCH （3）
其中，N CCE由表9给出；N表示可同时调度的用户数；N MUX_PHICH表示PHICH的最大复用数，取值8；N CCE_ PHICH
表示PHICH的CCE占用数；N PDCCH表示每VoIP用户PDCCH的配置数，取值2。

3.5 小区峰值吞吐量
TD-LTE小区上下行峰值吞吐量主要与系统带宽、上下行时隙配比和调制编码方式有关。

根据在单个无线帧时间内承载的数据比特量便可估算出上下行的峰值吞吐量。

对于下行峰值吞吐量，有：
Through_Out DL=N stream*(N dl_subf_i*BIT subf+BIT Dwpts)/ Len subf_i （4）其中，N stream表示下行的流数；N dl_subf_i表示下行配置i 时的子帧数，具体配置参见表10；BIT subf表示每子帧传输比特数，计算如式（5）；BIT Dwpts表示DwPTS承载的比特数，计算如式（6）；Len subf_i表示配置i时的无线帧长。

BIT subf=N RB*[N SC*(14-N CR_OFDM)-N RS]*Mod*Rate （5）
其中，N RB表示带宽内的RB数；N SC表示每RB的子载波数；N CR_OFDM表示控制符号数；N RS表示参考信号数；Mod表示调制阶次，QPSK取2，16QAM取4，64QAM取6；Rate表示编码率。

BIT Dwpts=N RB*(N SC*N S_OFDM-N CR_OFDM-N RS)*Mod*Rate
（6）
其中，N S_OFDM表示特殊子帧承载的下行符号数。

对于上行峰值吞吐量，有：
Through_Out UL=N ul_subf_i*[N RB*N SC*(14-N RS)* Mod*Rate]/Len subf_i （7）其中，N ul_subf_i表示上行配置i时的子帧数。

3.6 小区平均吞吐量
小区平均吞吐量针对非VoIP业务，主要使用动态调度。

每调度一个初传用户，必须首先发送UL Grant。

若单用户数据速率较低，且小区内该用户数量较多时，可能出现PDCCH受限的场景，从而影响小区平均吞吐量。

为分析方便，下文假设不考虑此类情形。

小区的平均吞吐量与该小区内每个用户的行为均有关，而不同用户的行为又千差万别，因此无法采用类似峰值吞吐量的公式来评估。

此时可引入“平均频谱效率”概念，即考虑单位带宽下系统所能承载的平均速率。

对于上行平均吞吐量，有：
__
UL
Ave Through Out
[()*12*(14)*_24]* UL PUCCH UL
RB RB DMRS SRS subf
subf
N N N N Ave Eff N
N
−−−−
=
（8）
其中，UL RB
N表示上行RB总数；PUCCH
RB
N表示上行PUCCH占用RB数；N DMRS表示解调参考信号占用符号数；N SRS表示探测参考信号占用符号数；Ave_Eff表示小
区的平均频谱效率，可以根据链路仿真获取；UL
subf
N表 示上行子帧数；N subf表示子帧总数。

类似地，对于下行平均吞吐量，有：
表10 TD-LTE配置
TDD 配置上下行转换
时长（ms）
子帧号
0123456789
05D S U U U D S U U U 15D S U U D D S U U D 25D S U D D D S U D D 310D S U U U D D D D D 410D S U U D D D D D D 510D S U D D D D D D D 65D S U U U D S U U D
__DL Ave Through Out [()*12*(14)*_24]*DL CR DL RB RB RS subf
subf
N N N Ave Eff N N −−−=
（9）
其中，CR
RB
N 表示下行控制信道占用RB数；N RS 表示下行参考信号占用符号数；DL
subf
N 表示下行子帧数。

4 结语
TD-LTE的容量与覆盖性能是对系统进行评估的重要指标，尤其是覆盖性能决定了系统是否可以带给用户稳定、可靠的业务感知。

本文针对目前TD-LTE在这两方面的研究短板，分别具体地给出了包括上下行控制与业务信道的链路预算、VoIP用户容量、小区峰值吞吐量、小区平均吞吐量以及最大可同时调度用户数等指标，对于今后从事TD-LTE的网络规划有着一定的指导作用。

当然，TD-LTE的覆盖和容量性能与RB的分配算法、调度模式和调制方法紧密相关，所以在实际中也是千变万化的。

本文也只是以典型案例进行介绍，对于其它不同情形，还需进一步分析。

【作者简介】
肖清华：高级工程师，博士毕业于浙江大学，现任华信邮电咨询设计研究院有限公司网研院副总工程师。

一直从事无线网络规划与设计，在3G移动通信领域的网络规划、优化、工程设计方面有丰富的经验。

已发表论文数十篇，出版专著一部。

汪丁鼎：工程师，硕士毕业于北京邮电大学电磁场与微波技术专业，现就职于华信邮电咨询设计研究院有限公司，主要从事移动通信网络规划、设计和优化，研究方向为第三代移动通信无线网
络规划和优化。

参考文献
[1]胡宏林,徐景. 3GPP LTE无线链路关键技术[M]. 北京: 电子工业出版社,2008.
[2]王竞,王启星,等. LTE无线链路关键技术探讨[J]. 电信科学,2009(1).
[3]董宏波,朱新宁,等. LTE TDD与LTE FDD的关键过程差异分析[J]. 电信科学,2010(2).
[4]陈俊,彭木根,王文博. TD-LTE系统功率控制技术的研究[J]. 数据通信,2010(4).
[5]罗伟民,陈其铭,等. TD-LTE同频组网可行性研究[J]. 移动通信,2010(5).
[6]吕骥,练成栋. LTE的规划和应用[J]. 电信科学,2010(1).[7]董江波,李楠,等. 从系统设计分析LTE系统覆盖与容量规划[J]. 电信科学,2010(8).
[8]肖清华,汤建东,等. TD-SCDMA基站能力分析[J]. 邮电
设计技术,2006(12). ★
据国外媒体报道，Zain伊拉克公司日前与爱立信签署了一份为期五年的网络外包协议，价值6.5亿美元。

该协议是爱立信在伊拉克获得的首份主要的电信管理服务协议，部分Zain员工将转移至爱立信。

基于该协议，爱立信将优化、现代化、管理Zain在伊拉克的IT运营及移动网络，这张网络目前包括超过3700个站址。

同时协议还延伸至库尔德斯坦北部地区，Zain最近在当地推出了商用服务。

为做好未来演进准备，爱立信将通过引入单一无线接入网（single-RAN）平台替换并升级Zain的网络。

爱立信获伊拉克6.5亿美元
网络外包合同。