LTE链路预算研究及分析

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LTE链路预算研究及分析

2013-09-25

摘要：链路预算是无线网络规划的基础环节，对网络覆盖能力和建设成本的估算具有十分重要的意义。重点对LTE链路预算的方式及主要参数进行研究，给出了关键参数的典型取值，并分析总结不同的场景或双工方式对链路预算及覆盖能力的影响。

关键词：LTE，链路预算，传播模型，覆盖半径

1  前言

LTE(Long Term Evolution，长期演进)是3G的演进。它定义了多种不同的工作带宽(1.4MHz、5MHz、10MHz、15MHz及20MHz)，并在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率，同时改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量并减少系统延迟。演进至LTE网络将使运营商们从效率的提升和吞吐量的增加等多方面受益，从而确保技术能适应未来移动宽带快速发展的业务要求。

LTE作为新一代网络技术，为运营商带来了网络规划和设计的新问题，其中最基本的考量是基于网络建设需求的网络覆盖效果及建设成本。链路预算可以初步预测网络的覆盖范围，进而评估无线网络的覆盖性能；同时，链路预算的结果直接影响网络建设成本。因此，链路预算和覆盖评估是网络规划初期的重要步骤。

本文对LTE网络链路预算的方法及影响因素进行研究，分析LTE无线网络的覆盖能力，为LTE无线网络的规划提供了参考。

2  LTE链路预算方式

链路预算首先是根据覆盖目标，估算手持终端和基站天线之间的最大允许链路损耗(MAPL，Max Attenuation Path Loss)；然后利用MAPL通过合适的传播模型(如Cost-Hata、Okumura-Hata等)，计算最大的小区半径；最后通过小区半径可以得到覆盖目标区域所需要的最少基站数目，从而指导无线网络的覆盖规划。

覆盖规划流程如图1所示：



图1  覆盖规划流程

LTE链路预算分为上行和下行链路预算，两者在计算原理上相同。基于设定的上下行边缘速率，在一定的链路预算参数输入下分别计算出上下行的覆盖半径，通过比较即可得到受限的覆盖半径。

相较3G网络，LTE网络空中接口有基带协议相似性近90%的TDD和FDD两种双工方式，采用了正交频分复用(OFDM)、多输入多输出(MIMO)、高阶调制技术、链路自适应技术(AMC)、混合自动重传(HARQ)等先进的无线链路技术，并可应用调度算法、小区间干扰消除技术(ICIC)等无线资源管理算法优化空口资源的配置方式及消除干扰。

上述技术在提升LTE无线网络性能的同时，为LTE空口的链路预算增加了新的复杂性。

计算LTE链路预算的主要公式如下：

MAPL=发射端EIRP-最小接收信号电平+其他增益-其他损耗-其他余量    (1)

2.1  发射端参数(发射端EIRP)

发射端EIRP是指天线口有效全向辐射功率，公式如下：

EIRP-发射端最大发射功率+发射天线增益-接头及馈线损耗-人体损耗    (2)

(1)发射端最大发射功率：LTE下行的基站发射功率与信道传输带宽成正比，上行的终端总发射功率与使用的UE Category相关，目前一般使用Category3。下行方向，发射功率一般均分在系统带宽的各个RB(Resource Block，资源块)上，再根据用户对频率资源的占用状况计算用户的最大发射功率；上行方向，终端功率一般是完全分配给用户使用。如表1所示：

表1  基站和终端的最大发射功率

	基站		终端UE
发射天线类型	2通道，每通道20W	8通道，每通道5W	Category 3
发射功率(dBm)	43	37	23
多天线增益(dB)	3	9	0
总的最大发射功率(dBm)	46	46	23
单用户最大发射功率(dBm)	46-101g(Assign. RB/Total RB)		23

(2)发射天线增益：下行基站天线增益一般取18dBi或15dBi，上行UE天线增益假设为0dBi。

(3)接头及馈线损耗：主要包括馈线损耗及接头、合路器、塔放等插入损耗。

(4)人体损耗：LTE目前主要是数据业务，不考虑人体损耗，取0dB。

2.2  接收端参数(最小接收信号电平)

最小接收信号电平是指天线口最小接收信号强度要求，可通过以下公式计算：

最小接收信号电平=接收机灵敏度-接收天线增益-接头及馈线损耗-人体损耗    (3)

接收机灵敏度是指在无外界干扰及噪声情况下天线端口接收信号的最小平均强度，计算公式如下：

接收机灵敏度=热噪声电平(kTB)+噪声系数(NF)+解调门限(SINR)    (4)

热噪声电平(kTB)是指特定带宽B下的热噪声电平，公式如下：

kTB=热噪声功率谱密度+所用带宽=kT+10lg10B    (5)

其中：

kT=玻尔兹曼常数×绝对温度=10lg(1.381×10-23J/K×290K)=-174dBm；

B=NRB×180kHz，NRB是分配的RB个数，180kHz是一个RB的带宽。

噪声系数(NF)由硬件集成设计决定，不同厂家的设备有区别，但差异较小。一般情况下，基站的噪声系数取2～3dB，终端的噪声系数取7dB。

上述的解调门限(SINR)指在给定条件下接收机能正确解调信号的最低信干比需求，是影响接收机灵敏度的关键参数。

解调门限与分配的RB数、调制编码方式(MCS，Modulation and Coding Scheme)、无线环境(多径环境、移动速度)、目标数据速率和服务质量(QoS)、天线MIMO方式、误块率(BLER，Block Error Ratio)、最大允许的HARQ重传次数、调度算法、干扰抑制合并(IRC，Interference Rejection Combining)技术等因素相关，由链路仿真或外场测试得出。其中，主要的影响因素如下：

(1)分配的RB数及MCS等级：在设定的边缘速率下，边缘区域每用户分配的RB数越多，每RB需承载的数据量越小，链路可以允许更低的MCS等级及解调门限，从而扩大网络覆盖范围；但同时，边缘用户的频谱效率更低，在有限的频谱资源下，无线网络总体吞吐量下降。此外，同样假定条件下，分配给用户的RB数目还受到调度算法(如正比公平、轮询等)的影响。在LTE链路预算中，需综合考虑设定条件(带宽、边缘速率、调度算法等)，得到容量和覆盖达到均衡的合理的分配RB数及MCS等级，如图2所示。

(2)天线MIMO方式：LTE定义的MIMO模式包括空间分集、空间复用和波束赋形。目前FDD-LTE系统的MIMO模式主要考虑开环或闭环的空间复用，TD-LTE的MIMO模式主要考虑波束赋形。不同模式对MIMO增益有一定影响。此外，MIMO技术可通过多天线实现，一般天线数越多，MIMO增益越高。

(3)无线环境：是对传播环境的模拟，模拟多径的数目、信号强度和延时。典型的信道类型包括EPA、EVA和ETU，与覆盖场景和移动速度相关。不同的信道类型对应的解调门限不同。

其他值接收天线增益、接头及馈线增益、人体损耗的考量与上文类似，如上行接收端对应下行发射端。



图2  SINR与RB及MCS的曲线示意图

2.3  其他增益、损耗及余量

(1)穿透损耗：建筑物穿透损耗是指当移动用户在室内与室外基站进行通信时，由于建筑物结构而带来的射频信号衰减。在链路预算中，穿透损耗与工作频段及覆盖场景相关。

(2)阴影衰落余量：阴影衰落是指电磁波在传播路径上受到建筑物阻挡而产生阴影效应带来的损耗。在链路预算中，考虑一定通信概率的情况下，预留对抗阴影衰落的余量值称为阴影衰落余量。它是边缘覆盖概率及阴影衰落方差的函数，而阴影衰落方差与覆盖场景有关。

(3)干扰裕量：由于LTE空口链路是正交的，故LTE网络没有小区内干扰，但有小区间干扰。在实际情况下，当链路受到邻小区干扰时，热噪声水平抬升；当系统负载增大时，小区的覆盖范围会随干扰的增加而缩小。因此，在链路预算中需要预留一定的干扰裕量，受小区负载的影响，随着负载的增加而增加。

1)下行干扰情况受到组网方式(干扰协调方式)、系统负载等因素的影响，并且随着小区半径的变化而变化。下行干扰余量是期望的SINR、邻区负载和小区边缘C/I关系的函数，可通过计算得出。

2)上行引入了基于单载波频分多址(SC-FDMA)的多址接入方式，小区内的用户之间互相正交，干扰主要来自于邻小区的激活用户。上行干扰余量值通过对不确定性用户分布的模拟仿真确定，是小区负载的函数。

(4)硬切换增益：LTE使用硬切换可减小对阴影余量的需求，经过仿真分析典型的切换增益为2～4dB。

(5)其他增益如IRC增益、HARQ增益等已在SINR取值中考虑。

3  链路预算结果及分析

3.1  链路预算示例

假设采用FDD双工模式，频段为2.1GHz，系统带宽20MHz，覆盖场景为密集市区，天线配置下行2×2、上行1×2，MIMO采用空间分集方式，下行和上行边缘速率要求分别为1Mkbps/256kbps，移动速度为步行3km/h，信道模型使用ETU3，传播模型使用Cost-Hata 231。则下行/上行业务信道(PDSCH/PUSCH)的链路预算结果如表2所示。

由表2可知，LTE链路预算上行受限，应取上行的站间距作为下一步覆盖估算的依据。

3.2  不同场景比较

不同场景(如密集市区和普通市区)主要影响穿透损耗及传播模型中的天线高度因子和环境校正因子。假设条件及参数同3.1，密集市区和普通市区链路预算的对比如表3所示：

由表3可知，普通市区站间距较密集市区多40%，郊区站间距较密集市区增加三倍。

3.3  不同双工方式的比较

为了确保比较的公平性，假定FDD-LTE及TD-LTE均工作在2.6GHz频段，FDD-LTE的带宽为10MHz*2，TD-LTE的带宽为20MHz，信道模型均为ETU3。TD-LTE采用DL∶UL=2∶2的时隙配比。

两种双工方式的链路预算的差异主要如下：

(1)基站噪声系数：不同厂家设备FDD-LTE的基站噪声系数较低，但差异不大。

(2)天线配置：

1)FDD-LTE的天线配置一般为下行2×2、上行1×2；TD-LTE的天线配置除以上配置外，多数应用下行8×2、上行1×8。这样的天线配置方式将为TD-LTE带来优于FDD-LTE约6dB的天线增益。

2)由于TD-LTE可应用8天线，下行基站可应用天线MIMO的波束赋形模式，上行基站可应用IRC干扰抑制算法，因此有助于减少干扰，得到新的增益。

以上因素中，前者影响基站发射端总的最大发射功率，后者影响SINR值及干扰余量。

(3)频率调度算法：TD-LTE由于上下行时隙分开，上行及下行都可以运用信道预估算法获得算法增益，从而影响解调门限SINR值。

(4)RB资源分配：TD-LTE采用TDD双工方式，上下行分时隙传输，并具备特殊子帧，因此上下行无法连续传输的占空比将导致RB资源分配上的差别，在同样的边缘速率条件下，TDD需要占用更多的带宽(即分配更多的RB)，从而影响到SINR值。

综上所述，FDD-LTE及TD-LTE在链路预算上的差异主要体现在解调门限上。此外，基站天线的最大发射功率受到天线数量的影响，基站噪声系数有些微的差异。

链路预算结果的对比如表4所示。

由表4可以推断，在同等假设条件下：

(1)当天线配置方式一致时，FDD-LTE的MAPL大于TD-LTE，即FDD-LTE的覆盖能力略优于TD-LTE：

表2  LTE密集市区下行/上行链路预算结果

	DL(下行链路)	UL(上行链路)	备注
边缘速率(kbps)	1024	256
参数设定
频段(MHz)	2115	1925
场景	密集市区	密集市区
信道类型	ETU3	ETU3
系统带宽(MHz)	20	20
天线配置	2×2	1×2
系统负荷	50%	50%
UE等级	3	3
RB资源块分配
可用的RB数	100	100	a1
分配给用户的RB数	26	5	a2
发射机
最大发射功率(dBm)	46	23	b
发射天线增益(dBi)	18	0	c
接头及馈线损耗(dB)	2.6	0	d
人体损耗(dB)	0	0	e
EIRP(dBm)	55.55	23	DL:f=b+c-d-e+10lg(a2/a1)UL:f=b+c-d-e
接收机
热噪声功率谱密度(dBm/Hz)	-174	-174	g
热噪声(dBm)	-107.30	-114.46	h=g+10lg(a2*180kHz)
噪声系数(dB)	7	2.3	i
解调门限SINR(dB)	-2.38	-1.10	j
接收天线增益(dBi)	0	18	k
接头及馈线损耗(dB)	0	2.6	l
人体损耗(dB)	0	0
接收机灵敏度(dBm)	-102.68	-113.26	n=h+i+j
最小接收电平(dBm)	-102.68	-128.66	o=n-k+l+m
其他增益和损耗
硬切换增益(dB)	2	2	p
穿透损耗(dB)	20	20	q
区域覆盖概率(%)	95	95
阴影衰落方差(dB)	8	8
阴影衰落余量(dB)	8.6	8.6	r
干扰余量(dB)	3	1.7	s
最大允许链路损耗MAPL(dB)	128.63	123.36	t=f-o+p-q-r-s
基站天线高度(m)	30	30
终端天线高度(m)	1.5	1.5
小区覆盖半径(km)	0.47	0.33	u
站间距(km)	0.70	0.50	v=u*1.5

表3  不同场景的链路预算结果比较

	UL(上行链路)
边缘速率(kbps)	256
场景	密集市区	普通市区	郊区乡镇
MAPL(dB)	123.36	125.36	128.36
基站天线高度(m)	30	30	35
站间距(km)	0.50	0.69	1.99
差异	1	+40%	+300%

表4  FDD与TDD的链路预算结果比较

	UL(上行链路)
边缘速率(kbps)	256
参数设定
双工方式	FDD	TDD	TDD
天线配置	1×2	1×2	1×8
系统带宽(MHz)	10	20	20
频段(MHz)	2600	2600	2600
场景	密集市区	密集市区	密集市区
系统负荷	50%	50%	50%
RB资源块分配
可用的RB数	50	100	100
分配给用户的RB数	4	9	9
接收机
热噪声(dBm)	-115.43	-111.90	-111.90
噪声系数(dB)	2.3	3	3
解调门限SINR(dB)	-0.41	-3.32	-6.89
接收天线增益(dBi)	18	15	15
接收机灵敏度(dBm)	-113.54	-112.22	-115.79
最小接收电平(dBm)	-128.94	-124.62	-128.19
其他增益和损耗
干扰余量(dB)	3	3	2
最大允许链路损耗MAPL(dB)	122.34	118.02	122.59
站间距(km)	0.349	0.263	0.355

(2)当TD-LTE采用实际应用时常用的天线配置方式(8天线，波束赋形)及信道预估算法时，TD-LTE与FDD-LTE的覆盖能力基本一致。

4  结束语

本文对LTE系统的链路预算进行深入地研究和分析，提出了完整的链路预算方法，分析重要影响因素并给出典型值，结合合适的传播模型，计算链路预算的结果，最后还从覆盖场景和双工方式等角度进行对比归纳，为LTE系统的覆盖预估及规划提供了重要依据。

作者简介

黄芷辛：助理工程师，理学硕士毕业于美国伊利诺理工大学，现任职于广东省电信规划设计院有限公司电信咨询设计院，从事无线网络的咨询、规划和优化工作。

冯健：硕士毕业于华南理工大学电信学院，现任广东省电信规划设计院有限公司电信咨询设计院副总工程师、PMP项目经理，从事移动网络规划、优化和工程建设等工作。

麦磊鑫：工学博士毕业于中国科学技术大学，现任职于广东省电信规划设计院有限公司电信咨询设计院，从事无线网络的咨询、规划和优化工作。

参考文献：

[1]3GPP TS 36.104 v9.12.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Base Station(BS) radio transmission and reception[S].

[2]3GPP TS 36.101 v9.12.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); User Equipment(UE) radio transmission and reception[S].

[3]郭省力，方俊利，张跃虎.LTE FDD链路预算及覆盖估算方法研究[J].邮电设计技术，2012(7)：56-60.

[4]程敏，刘天立.LTE系统链路预算分析[J].广东通信技术，2012(1)：49-52.

[5]李新.TD-LTE无线网络覆盖特性浅析[J].电信科学，2009(1)：43-47.

作者： 广东省电信规划设计院有限公司
黄芷辛 冯健 麦磊鑫  来源： 《移动通信》2013年第08期