TD-LTE外場性能研究

本文針對TD-LTE在中國移動商用網(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第一個標(biāo)準(zhǔn)版本Rel-8，到2009年底北歐運(yùn)營商TeliaSonera率先商用，再到2013年7月韓國運(yùn)營商全球首次商用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，截至2014年2月底，LTE已在全球101個國家的274個運(yùn)營商獲得商用，發(fā)展勢頭之迅猛遠(yuǎn)超之前所有通信技術(shù)。在GTI的推動下，LTE TDD（又稱TD-LTE）得到了良好協(xié)同發(fā)展[1].

2013年12月4日，國內(nèi)開啟了4G（第四代移動通信技術(shù)）即LTE在中國大陸正式商用的大門。本次官方向中國移動、中國電信和中國聯(lián)通發(fā)放了TD-LTE牌照。僅中國移動而言，其2014年目標(biāo)為建設(shè)50萬個基站，預(yù)計明年再加20萬個站后接近其GSM二十年部署基站數(shù)的90%.

技術(shù)層面上，中國移動的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（國內(nèi)又稱小靈通）的八通道圓陣天線，其他LTE TDD運(yùn)營商以兩天線部署為主，同時各家應(yīng)用的頻譜也不盡相同（大多為B41、B38、B40，只有中國移動以B39作為室外部署主要頻段），結(jié)合供貨設(shè)備商、采購設(shè)備質(zhì)量、站址條件、應(yīng)用場景及應(yīng)用業(yè)務(wù)等差異將導(dǎo)致TD-LTE網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗存在差異。因此，自2010年初起在中國大陸上進(jìn)行實驗室、小規(guī)模外場、大規(guī)模外場、擴(kuò)大規(guī)模外場、商用后評估等一系列性能研究測試，為TD-LTE全國范圍部署積累商用經(jīng)驗。

本文以中國移動在某省的商用示范片區(qū)為例，針對TD-LTE外場性能方面進(jìn)行驗證和探討，以期對未來部署和優(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)動力是移動設(shè)備新服務(wù)的創(chuàng)新和發(fā)展，并通過可用于移動通信系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步來實現(xiàn)。從通信技術(shù)本身來看，LTE相對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)帶動的IP業(yè)務(wù)，LTE無線接口的主要底層設(shè)計參數(shù)有[3]：數(shù)據(jù)速率、延遲、容量等。本文重點關(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時隙配比、10：2：2特殊時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)折算為全時頻譜利用的速率，即120Mbps / （4ms/5ms） = 150Mbps，經(jīng)過香農(nóng)公式迭代計算可得信噪比需求至少為24dB.但從3GPP協(xié)議角度來看，該計算并不嚴(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反饋計算得到，并且多高SINR才能影射到MCS28并實現(xiàn)峰值速率傳輸還與系統(tǒng)廠商實現(xiàn)算法和終端解調(diào)能力有關(guān)。實際網(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，而實際應(yīng)用通?？紤]的是PDCP層速率，假定誤塊率BLER為10%，可簡單折算PDCP層速率為物理層傳輸速率的90%.

對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商而言，用戶體驗在流量經(jīng)營的時代是核心競爭能力之一。因此，愛立信結(jié)合全球商用經(jīng)驗提出了應(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)用的良好體驗成為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商差異性的重要體現(xiàn)，同時分組交流類業(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。下圖中三個百分比對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，三個數(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)營商而不同。但是為了確保主流應(yīng)用的良好用戶體驗及網(wǎng)絡(luò)性能競爭優(yōu)勢，愛立信建議值為1、10、30.通常，商用網(wǎng)絡(luò)測試表明：90%點的連續(xù)覆蓋速率約為50%點的平均覆蓋速率的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(xù)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(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、測試片區(qū)及測試工具和方法

如本文開始說討論，部署頻段、供貨廠商、采購設(shè)備、站址條件、應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)等差異將導(dǎo)致各運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗不盡相同。為此，我們選擇了中國移動某省的TD-LTE商用示范區(qū)域進(jìn)行測試，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)及測試線路如下圖所示：共57個連片基站（其中33個D頻段8通道站位于中心，22個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時隙配比、10：2：2特殊時隙。



測試使用了兩類終端，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)中分開進(jìn)行上下行測試的方法，均使用FTP業(yè)務(wù)。

四、測試結(jié)果

本次道路測試結(jié)果通過CDS導(dǎo)出的網(wǎng)絡(luò)覆蓋統(tǒng)計，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(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%點即統(tǒng)計平均的數(shù)值?？紤]CAT3和CAT4兩類終端進(jìn)行測試是因為：當(dāng)前商用終端大多為CAT3，其測試結(jié)果代表了大多數(shù)終端的用戶體驗；而CAT4終端具有更高能力，可以充分體現(xiàn)出測試片區(qū)的網(wǎng)絡(luò)承載潛力。

實際商用網(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試結(jié)果，是由于中國移動應(yīng)用的8通道智能天線相比8通道全向天線性能更好。