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

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 Ofganized 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

TD-LTE下行采用PBCH、PCFICH、PDCCH、PDSCH和PMCH物理信道，上行则采用PUCCH、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八距离（PRACH信道配置）。

对于GP配置，参考TD-LTE的帧结构，最大覆盖距离MaxDl=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：



PRACH信道配置如图2所示：





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：



TD-LTE的理论最大覆盖距离MaxD=max（MaxDl，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20MHz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，才能通过链路仿真获取该信道的SINR，如表3所示：



2．3TD-LTE链路预算

TD-LTE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）上行链路预算一业务信道

以64kbps—lOOOkbps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～Format2b等6种格式。当采用Format2b格式时，使用OPSK+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）下行链路预算一业务信道

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）下行链路预算一控制信道

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。



根据上文对TD-LTE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） TD-LTE的上行信道受限于PUSCH，即业务信道；

（2） TD-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，TD-LTE系统覆盖受限于PDCCH，即下行控制信道。

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-TTI同时调度的用户数，也不会限制小区可以接八的用户数。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：



其中， 为系统带宽内的RB总数；Ng在PBCH中配置，取值为1/6、1／2、1和2；mi与TDD配置相关，具体取值如表8所示：



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。

3．3VoIP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：



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； 为20ms半静态调度周期内初传可用的RB数量； 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：



最大同时可调度用户数由下式算得：

NCCE=（N/NMUX_PHICH）+NCCE_PHICH+N*NPDCCH（3）

其中，NCCE由表9给出；N表示可同时调度的用户数；NMUX_PHICH表示PHICH的最大复用数，取值8；NCCE_PHICH表示PHICH的CCE占用数；NPDCCH表示每VoIP用户PDCCH的配置数，取值2。

3．5小区峰值吞量

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_OutDL=Nstream*（Ndl_subf_i*BITsubf+BITDwpts）/Lensubf_i（4）

其中，Nstream表示下行的流数；Ndl_subf_i表示下行配置j时的子帧数，具体配置参见表10；BITsubf表示每子帧传输比特数，计算如式（5）；BITDwpts表示DwPTS承载的比特数，计算如式（6）；Lensubf_i表示配置耐的无线帧长。



BITsubf=NRB*[NSC*（14-NCR_OFDM）-NRS]*Mod*Rate（5）

其中，NRB表示带宽内的RB数；Nsc表示每RB的子载波数；NCR_OFDM表示控制符号数；NRS表示参考信号数；Mod表示调制阶次，OPSK取2，16QAM取4，64QAM取6；Rate表示编码率。

BITDwpts=NRB*（NSC*NS_OFDM-NCR_OFDM-NRS）*Mod*Rate（6）

其中，Ns_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_OutUL=Nut_subt_i*[NRB*NSC*（14-NRS）*Mod*Rate]/Lensubf_i（7）

其中，Nul_subf_i表示上行配置／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：Ave_Through_OutUL



其中， 表示上行RB总数； 表示上行PUCCH占用RB数；NDMRS表示解调参考信号占用符号数；NSRS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； 表示上行子帧数；Nsubf表示子帧总数。

类似地，对于下行平均吞吐量，有：Ave_Through_OutDL



其中， 表示下行控制信道占用RB数；NRS表示下行参考信号占用符号数； 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。

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）．★