FDD LTE无线性能与影响因素分析

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摘要：随着国内LTE网络的快速建设和发展，网络性能分析和优化的需求越来越强。只有结合FDD LTE性能特点，了解FDD LTE性能指标及其影响因素，并认识到吞吐量指标在LTE网络中的重要性，才能更好地进行LTE网络优化工作。

1 LTE无线性能指标

移动通信系统中，无线网络性能主要用容量、性能和覆盖等指标来描述，三者间相互影响和制约。LTE系统中，三者的核心要素为吞吐量。比如，容量可以采用小区中多个用户的总吞吐量来界定，性能可以使用单用户峰值吞吐量来表征，覆盖则需要根据边缘吞吐量来进行分析和优化。因此，进行LTE网络性能优化时，需要围绕吞吐量这一关键指标，通过无线环境优化、参数优化、信令分析等手段来改善网络性能，提升用户感知。

1.1 单用户下行峰值吞吐量

理想条件下，单用户所能达到的最大数据速率称为系统峰值吞吐量。峰值吞吐量受小区信道参数配置、系统负荷、终端级别和MIMO模式等因素的影响。

FDD系统中，可以采用开销分析法来计算物理层吞吐量[1]，但是这种计算方法缺乏对无线环境的考虑，因此不够精确。实际测试中，eNodeB需要根据MS上报的CQI信息来确定可用MCS，并结合可用PRB数目来查询所对应的TBS(即传输块大小)，因此采用MCS和PRB信息来计算峰值吞吐量更加现实和合理。

假设系统带宽为20MHz，可用PRB数为100，如果系统采用最大MCS索引28，则其对应的TBS索引为26，如表1所示[2]。

参看表2，TBS索引号为26时，100个PRB所对应的TBS为75 376，表示1个TTI(即1ms)中传输75 376比特，则单流传输时，可获取的吞吐量为75 376bit/ms=75.376Mb/s。采用双流传输时，所对应的TBS为149 776，故可以获得的吞吐量为149.7Mb/s。

计算峰值吞吐量时，还需要考虑终端特性，如果终端不能支持最大TBS，则上下行峰值吞吐量就会受到限制。如表3所示，类别2终端所支持的最大TBS为51 024，故采用双流传送时，下行峰值吞吐量只能达到102Mb/s[3]。

需要注意的是，下行方向上进行TBS和PRB选择时，还需要考虑有效码率的限制。有效码率为下行信息比特数(包括CRC比特)除以PDSCH物理信道比特数。根据3GPP TS36.213的规定，如果下行有效码率超过0.93，则UE在初始传送时，可以忽略对传输块的解码。例如，PDCCH符号数(即CFI)对峰值吞吐量会产生影响，比如从1增加到3时，物理层开销增加，有效码率可能会超过0.93，从而需要降低MCS或者PRB数目来获取合适的TBS大小，因此限制了峰值吞吐量，如表4所示。

1.2 小区吞吐量

LTE系统中，由于不同业务类型的带宽需求差异较大，且不同无线环境和QoS要求下，同一业务类型的吞吐量差异也较大，因此，采用小区内业务总体吞吐量来描述信道容量更为准确和直观。小区容量受带宽、邻区负荷、MIMO模式、站间距以及调度方式等因的影响。

NGMN对多用户吞吐量进行过模拟评估，其模拟条件为：

1)城区环境(有限干扰)；

2)站间距500m；

3)UE移动速度为3km/h；

4)2GHz链路损耗模型为L=I+37.6×lg(R)，其中R表示千米(km)，2GHz下，I=128.1dB；

5)多径模型为空间信道扩展模型(SCME)；

6)eNodeB天线类型为交叉极化[4]。

仿真结果为：上行方向上，闲时(单用户)峰值吞吐量约为忙时(多用户)平均吞吐量的2~3倍；下行方向上，闲时(单用户)下行峰值吞吐量约为忙时(多用户)平均吞吐量的4~6倍，如表5所示。

1.3 边缘吞吐量

3GPP规定，小区边缘吞吐量定义为用户吞吐量累计分布5%所对应的值，LTE的设计目标是保证上/下行边缘吞吐量能够为R6 HSPA的2~3倍[5]。

小区边缘频谱效率是吞吐量最低的5%用户的吞吐量总和与系统带宽之间的比值。小区边缘频谱效率的改善程度受调度和QoS机制的影响，小区边缘用户的优先级越高，那么它们所获得的吞吐量越高，小区边缘频谱效率的改善程度也就越高。

3GPP性能评估结果表明，500m站间距下，每小区为10个UE且小区负荷为100%时(即PRB全部占用)，

下行4×2MIMO条件下，边缘频谱效率为0.06bps/Hz/用户，为UTRA的3倍；上行1×2MIMO边缘频谱效率为0.024bps/Hz/用户，为UTRA的2.5倍[6]。

采用20MHz带宽时，0.06bps/Hz/用户的下行频谱效率意味着单用户的下行边缘吞吐量约为1.2Mb/s，0.024bps/Hz/用户的下行频谱效率意味着单用户的下行边缘吞吐量约为480Kb/s。网络建设初期，用户数较少，进行LTE网络规划时，上/下行边缘速率采用与仿真值类似的结果，既能够满足LTE的基本需求，又可以借鉴实验室测试和模拟分析结果，加深对网络性能的分析和认识。后期网络运行过程中，边缘速率需要根据用户特点以及业务发展策略进行相应调整。

2 LTE无线性能指标影响因素

LTE系统中，不同用户从时域、频域、空域和码域等多个维度共享系统资源。因此，LTE的性能受到诸如系统带宽、帧结构、TDD/FDD模式、业务类型、无线环境和天线MIMO模式等多种因素的影响。具体影响因素分析如下。

2.1 峰值吞吐量影响因素

FDD LTE系统中，单用户峰值吞吐量受到以下因素的影响。

1)系统带宽。LTE支持1.4MHz到20MHz之间的多种频带宽度，不同频带提供的子载波数以及无线资源块数不同，带宽越大，峰值吞吐量越高。

2)控制信道开销。LTE系统存在多种类型的控制信道，不同信道开销对容量的影响较大。需要关注的首要因素就是PDCCH符号数，PDCCH符号数增加时，控制信道开销增大，受下行最大码率0.93的限制，传输块大小(TBS)以及调制编码方式(MCS)可能发生变化，因而影响到峰值吞吐量。

3)无线环境。不同SINR条件下，用户所能获得的调制和编码模式(MCS)不同，每个符号所代表的比特数就有区别，且所对应的传输块大小就有所区别，因此对系统容量会产生较大影响。

4)MIMO模式。采用分集、复用以及波束赋形等MIMO模式，可以提升系统容量或者可靠性，因此，分析和研究LTE峰值吞吐量时，需要使用双流MIMO模式(即TM3)，如果采用分集等MIMO模式，峰值吞吐量必然会受到影响。

2.2 容量(扇区吞吐量)影响因素

对于数据业务来说，衡量小区容量的指标为小区服务用户数以及总体吞吐量。小区吞吐量受用户所在位置以及用户数的限制。比如，小区中用户容量增加时，调度器会根据每个用户的链路状况来为用户分配频域资源，有助于提高小区容量。对于不同位置上的用户，如果系统中采用等比例公平PF调度方法将利于提升边缘用户的吞吐量，但是小区吞吐量则会受到影响。

理想情况下如果UE所处的无线环境极好，且业务速率要求较高，则调度器有可能为用户分配所有PRB资源，从而小区吞吐量与峰值吞吐量相当。但是实际情况中，由于负荷和干扰的影响，小区的容量远小于理论峰值吞吐量，影响小区容量和性能的主要因素有以下几方面。

1)小区中的激活用户数。

2)邻区上下行话务以及不同PRB上的外部干扰。小区中UE的所用话务都由小区调度器进行控制和调度。但小区边缘的用户则可能接入到其他小区中，从而对所在小区产生干扰。

3)每个UE的无线链路状况，包括路径损耗、SINR、RSRP和RSRQ。将UE放置在远、中和近点上进行测试时，小区的总容量是所有UE的吞吐量之和。这种情况下，近点上的UE所使用的MCS高，可以采用双流空间复用模式，所以它对小区总容量的贡献较大，远点上的用户由于只能使用QPSK调制方式，且所分配的PRB数有限，所以产生的吞吐量较低，导致小区整体吞吐量下降。

4)每个TTI中上下行调度的UE数目。同时调度的用户数对系统业务面时延会产生影响，从而影响到小区总体性能。

5)下行PDCCH使用的符号数。PDCCH符号数增加，小区整体性能下降。

6)上行PUCCH分配的PRB数目。每个终端都需要周期性地上报CQI和SRI，还需要在适当的上行子帧中对上行资源分配工作采用HARQ ACK消息进行确认，因此必须分配足够的PUCCH资源来满足这些需求。增加PUCCH RB数量可以增加同时接入的用户数，但是这也直接减少了上行容量，因为PUSCH可用的RB也会相应减少。而且每个子帧能够解码的PUCCH数量还受限于硬件的限制。通过增加CQI和SRI的周期时长可以增加同时接入的用户数，但是这也会限制终端跟踪无线衰落的能力，进而造成吞吐量降低。

7)支持GBR业务的用户数。当用户被分配了保证速率的承载信道后，同时接入用户总数会受限于当前的信道条件和每个用户需要的GBR速率。

8)处理器能力。所有的硬件平台

都有处理能力的限制。如果上行解码和下行编码处理时间过长，吞吐量就会受到影响，同时用户也会掉线。

9)其他。以上因素中，在特定的测试条件下，外部干扰和UE的无线链路状况基本上只受邻区加扰的影响，与参数的关系不大。而每个TTI中上下行调度的UE数目、下行PDCCH使用的符号数、上行PUCCH使用的PRB数目等则直接受参数的控制。

2.3 覆盖(边缘吞吐量)影响因素

边缘吞吐量与覆盖的关系通常具备以下规律，即随着边缘吞吐量的提高，上行最大链路损耗越小，这意味着上行覆盖距离随着边缘速率的提高而越小，而下行覆盖不存在这种规律。这是因为吞吐量与所分配的PRB数目有关，上行功率只在所分配的PRB上进行分配，下行功率则在全频段范围上进行分配，所以上行用户所占用的RB个数对覆盖的影响相对较大，而下行用户则相反。

链路预算就是从边缘吞吐量入手，分析覆盖和链路损耗需求，从而获取满足边缘吞吐量要求的站间距等信息。这意味着影响链路预算的各种因素也必然会对边缘吞吐量产生影响。具体描述如下。

1) SINR。SINR是RB上有用信号功率与噪声和干扰之和的比值，它受到所用MCS、业务BLER要求以及可用RB数的影响。不同边缘吞吐量所需要的MCS不同，随着MCS和码率的增加，SINR的需求也会增加。对于给定的MCS，SINR越高，背景噪声对链路质量的影响越小，BLER越低。

2) 接收灵敏度。接收灵敏度是克服白噪声并达到要求的SINR的最小接收电平。不同类型的信道所需的SINR以及RB数有区别，从而影响到接收灵敏度。接收灵敏度计算公式如下：

其中，SINR为每个RB所要求的信噪比(dB)，NF为eNodeB噪声系数(dB)，Nth为噪声谱密度4×10-18mW/Hz，10lg(Nth) =-174dBm/Hz。为单个RB的带宽，再乘以RB数后相当于接收总带宽。

而

相当于噪声总功率。

由此可见，接收灵敏度受以下因素的影响：小区边缘所需的信噪比和噪声；接收机的噪声系数(NF)；信道带宽(影响到每个子载波上的噪声功率)；接收子载波的数目。

上下行方向上，边缘吞吐量要求越高，接收灵敏度越低。边缘吞吐量要求不同，用户所分配的带宽对接收灵敏度的影响也不同。

3) TBS和MCS选择方法。LTE中，MCS索引号27对应64QAM，MCS索引号1对应QPSK，因此，MCS越低，调制阶数越小，解调所需的SINR越低，接收灵敏度也就越高，所提供的覆盖越好。MCS、TBS以及PRB三者之间存在对应和制约关系，下行应该在保证边缘吞吐量的基础上尽可能选择较低的MCS索引值。但是上行不能采用类似的原则。另外，MCS的选择还需要兼顾SINR以及每个PRB功率的需求。

4) 干扰。通常采用干扰余量来进行表示，干扰余量指在有干扰和没有干扰的情况下所接收到的信号之间的关系。下行方向上，干扰余量定义为-10lg(1-SINR×小区负荷/载干比)，上行方向上，由于用户分布不确定，所以干扰余量采用仿真结果来获取。邻区负荷高会导致干扰余量的增加，从而降低MAPL(最大链路损耗)，进而限制了高阶MCS的使用。

LTE系统中小区内不存在干扰，小区负荷只受邻区的影响。小区负荷表示RB资源的利用率，小区负荷增加会使得干扰余量增加，从而会影响小区容量。

5) 不同边缘吞吐量要求与负荷和覆盖半径之间的关系。不同负荷和小区边缘吞吐量条件下，小区覆盖半径有很大区别。通常来讲，相同负荷条件下，小区覆盖半径越大，所获取的边缘吞吐量越低。另一方面，覆盖距离相同时，则随着负荷的增加，边缘吞吐量逐步降低。

3 LTE系统无线性能提升思路

根据上述分析可知，吞吐量受多种因素的影响，从而制约了容量、性能和覆盖等指标。为了保证用户感知、提升网络性能，需要综合多种手段提升吞吐量指标，包括：

1)优化无线网络，提升网络覆盖，保证较高的RSRP；

2)综合利用功率控制、干扰控制等手段，降低小区间干扰，提升网络整体SINR；

3)采用MCS自适应算法， 保证系统资源的高效利用；

4)采用MIMO自适应机制，提升中心用户的吞吐量，保证边缘用户的性能可靠性；

5)采用灵活的调度算法，保证边缘吞吐量和小区总吞吐量之间的均衡。

LTE网络优化是一个动态、渐进的过程，只有了解网络性能影响因素，才能更好地进行网络建设、规划和优化等工作。面向吞吐量进行分析和优化，对影响吞吐量的各种因素进行综合分析和优化，将是未来LTE网络优化的重要工作之一，也是打造优质LTE网络的必要条件。
 

作者介绍：

文志成

高级工程师，曾参与《通用分组无线业务-GPRS》、《UMTS系统无线协议与信令流程-从R99到HSDPA和HSUPA》、《LTE空中接口技术与性能》以及《LTE关键技术与无线性能》等书籍的编写工作。目前主要从事LTE的现场测试和性能分析等工作。

亓新峰

工程师，长期致力于无线系统的网落规划和优化，目前主要从事LTE的现场测试和性能分析等工作。