TD-LTE外場性能研究

本文針對TD-LTE在中國移動商用網(wǎng)絡下的性能及產(chǎn)品優(yōu)勢進行了分析和探討。

一、背景介紹

自2008年底3GPP發(fā)布了LTE第一個標準版本Rel-8，到2009年底北歐運營商TeliaSonera率先商用，再到2013年7月韓國運營商全球首次商用Rel-10關鍵技術之一的載波聚合功能，LTE標準化與商用推進的步伐從未停歇。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個運營商獲得商用，發(fā)展勢頭之迅猛遠超之前所有通信技術。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）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年目標為建設50萬個基站，預計明年再加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用PHS（國內(nèi)又稱小靈通）的八通道圓陣天線，其他LTE TDD運營商以兩天線部署為主，同時各家應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），結合供貨設備商、采購設備質量、站址條件、應用場景及應用業(yè)務等差異將導致TD-LTE網(wǎng)絡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行實驗室、小規(guī)模外場、大規(guī)模外場、擴大規(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外場性能方面進行驗證和探討，以期對未來部署和優(yōu)化提供更為準確的參考數(shù)據(jù)。

二、理論分析與需求

3G向4G演進的背后驅動力是移動設備新服務的創(chuàng)新和發(fā)展，并通過可用于移動通信系統(tǒng)的技術進步來實現(xiàn)。從通信技術本身來看，LTE相對3G標準是革命性的。為支持以數(shù)據(jù)交換類型為核心的新業(yè)務，特別是互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)帶動的IP業(yè)務，LTE無線接口的主要底層設計參數(shù)有[3]：數(shù)據(jù)速率、延遲、容量等。本文重點關注數(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，因此應當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，該計算并不嚴謹。為獲得Rel-8標準的理論峰值速率，協(xié)議規(guī)定需要選擇的傳輸塊大小TB size為75376比特，對應的MCS需要達到28[4].這里的SINR由基站根據(jù)UE的信道質量信息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。實際網(wǎng)絡中，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)絡運營商而言，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。智能手機及相關應用已經(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用的良好體驗成為網(wǎng)絡運營商差異性的重要體現(xiàn)，同時分組交流類業(yè)務的接通率、掉線率等傳統(tǒng)網(wǎng)絡關鍵性能指標KPI也不再像電路交換類業(yè)務那么敏感。下圖中三個百分比對應網(wǎng)絡覆蓋，三個數(shù)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商而不同。但是為了確保主流應用的良好用戶體驗及網(wǎng)絡性能競爭優(yōu)勢，愛立信建議值為1、10、30.通常，商用網(wǎng)絡測試表明：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果更為優(yōu)異[5]：東京為軟銀LTE TDD商用網(wǎng)絡，平均速率和連續(xù)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）技術后達到了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、采購設備、站址條件、應用場景及業(yè)務等差異將導致各運營商的網(wǎng)絡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)域進行測試，其網(wǎng)絡狀態(tài)可被視為預商用網(wǎng)絡狀態(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)絡中分開進行上下行測試的方法，均使用FTP業(yè)務。

四、測試結果

本次道路測試結果通過CDS導出的網(wǎng)絡覆蓋統(tǒng)計，可見網(wǎng)絡覆蓋狀況良好，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CAT4兩類終端獲得各性能指標累積分布函數(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(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)絡承載潛力。

實際商用網(wǎng)絡中，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(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構展示的軟銀在東京的測試結果，是由于中國移動應用的8通道智能天線相比8通道全向天線性能更好。