LTE网络覆盖规划技术研究

    随着无线业务需求的不断增长，目前的2G、3G网络承载能力日趋饱和，为了应对移动网络的不断凸显的供需矛盾，第三代合作伙伴计划(3GPP)长期演进技术(LTE)逐步从理论走向现实。强大的业务承载能力、高效的系统资源利用方式、低廉的网络建设和运营成本、灵活的网络部署模式使LTE越来越受到各主流运营商

的青睐[1]。

    LTE系统标准化的不断成熟有效地推动了相关产业。从目前来看，3GPP 在Release-8的相关工作已经冻结，在此基础上各设备商已经展开了LTE产品的研发工作，同时各类实验局的部署和测试也在有序的进行之中。从整个产业来看，虽然LTE产品的研发取得了实质性的进展，但是LTE系统的高度复杂性和灵活性带来了各种不确定性，因此业界对于LTE系统特征、建网思路、优化策略尚处于初级的摸索阶段。就LTE网络规划而言，系统性理论体系及应用方案的缺失成为LTE能够高效、精确部署的主要技术障碍。

    在LTE系统中，空中接口采用了正交频分复用(OFDM)、多输入多输出(MIMO)、高级编码调制方式(AMC)、混合自动重传(HARQ)等先进的无线链路技术，并通过动态调度、小区间干扰消除技术(ICIC)、功率控制等无线资源管理算法提高空口资源配置的效率和灵活性[2-3]。从LTE的网络设计来看，上述无线技术在提升网络性能的同时，也大大增加了系统分析的复杂度。要实现高效、可靠的LTE网络覆盖规划方案，需要通过系统化的理论、仿真、测试等，从而对系统的技术特征进行全面的研究和分析。与2G、3G网络相比，LTE网络在资源共享方式、系统干扰特征等影响网络覆盖性能的核心因素方面有着根本性的不同，传统的覆盖规划及链路预算思路和方案已远不能满足LTE实际建网的需要[4]。鉴于上述原因，对于LTE系统的覆盖规划，需要分析和总结网络建设的潜在需求，剖析LTE系统的技术和网络特征，总结出适合LTE网络建设的覆盖规划体系和方案，并不断完善。另外，增强频谱效率是提升LTE竞争力的核心内容之一，因此它和频组网下的LTE系统网络设计是文章关注的重点。

 
1 LTE网规流程及覆盖规划策略
    总体来看，频分双工(FDD) LTE的网络规划流程和2G、3G规划流程基本保持一致，包含需求收集和分析、覆盖和容量设计、站点选择、规划仿真、报告撰写五大部分。其中，覆盖和容量设计是整个网络规划的核心要素，需要根据用户的具体需求，结合对网络特征的深入分析，对网络规模进行全面估算。文章主要对LTE系统的覆盖规划方法进行分析。

    FDD LTE系统覆盖规划的主要目标是基于实际的小区边缘覆盖需求，在一定的系统参数设置下，估算基站能够实现的覆盖距离，从而得到网络规模需求。根据应用场景和实际的规划需求，FDD LTE系统的覆盖规划策略一般主要分为3类：

• 基于上行边缘速率要求的网络规模估算
  第1种策略主要应用于只限制了上行边缘速率的覆盖需求。基于上行速率，在一定的链路预算参数输入下，计算出上行的覆盖半径；并根据得到的上行覆盖半径预测下行可实现的边缘速率；
• 基于下行边缘速率要求的网络规模估算
  第2种策略主要应用于只限制了下行边缘速率的覆盖需求。基于下行速率，在一定的链路预算参数输入下，计算出下行的覆盖半径；并根据得到的下行覆盖半径预测上行可实现的边缘速率；
• 基于上行和下行边缘速率要求的规模估算
  第3种策略主要应用于同时限制了上下行边缘速率的覆盖需求。基于上下行速率，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；并通过比较即可得到受限的覆盖半径。

    在实际的网络规划中，需要根据不同的具体需求和应用场景选取合适的覆盖规划策略，灵活应对网络规划中出现的问题。

2 LTE上行覆盖规划关键技术
    要解决LTE覆盖规划的问题，关键在于如何根据上行或下行的边缘业务速率要求得到相应的覆盖范围。对于一些特殊的场景或业务，还要考虑控制信道的相关覆盖性能。文章主要讨论业务信道受限场景下的覆盖规划问题。在给定的业务速率需求下，需要从LTE的链路及系统两个主要方面对网络的技术特征进行深入的分析和总结。

    对于LTE上行覆盖规划技术的研究，主要包含两个方面：系统级研究和链路级研究。由于LTE系统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，上行功率控制策略的选择直接影响小区间的干扰模式及干扰强度[5-6]。在LTE上行覆盖设计中，干扰余量作为网络规划的核心依据之一，直接取决于功率控制方法、应用场景等因素，并需要通过系统级仿真对不同环境下的干扰进行深入的研究，为上行覆盖规划提供较为贴近实际应用的参考设置。

    根据建网侧重点的不同，上行干扰特征会受到功率控制策略等方面因素的主导。对于LTE系统，上行干扰特征最直接的衡量就是平均干扰抬升(IOT)。因此上行IOT的分布特征取决于实际的应用场景及上行功率控制参数。LTE上行功率控制分为开环功控和闭环功控。一般情况下，系统的开环功控基本决定了系统的干扰模式，闭环功控主要用在实际的网络运行中根据业务及干扰的变化对系统参数进行适当的调整。具体来看，开环功率控制主要通过对功控参数P 0和α的确立来满足特定的网络设计需求，不同的参数集合会带来不同的网络覆盖和容量特征。为满足实际规划的需求，需要在不同的应用场景下对上述参数进行深入的研究和分析，总结出满足特定要求的参数，同时在相应的参数设置下研究系统的干扰特征，即平均IOT，并分析相应的上行干扰余量。基于上述分析，不同的参数会带来差异化的系统性能指标及干扰特征，在实际的规划过程中要根据实际情况进行合适的选择，如图1所示。

    在LTE系统的建网初期，网络设计主要关注的是覆盖。根据上述讨论，在以覆盖准则为导向的规划设计中，可以设计相应的功控参数来满足覆盖的最大化（降低干扰），由于网络负载的设计目标各不相同，需考虑不同负载下的网络干扰水平，以此作为覆盖规划的参考依据，如图2所示。

    在链路研究方面，该设计主要考虑的是给定数据速率下用户带宽的优化配置。对于特定的边缘数据速率需求，可以通过给用户分配不同的带宽来实现，但同时会带来不同的覆盖性能。通过对信道容量的研究及链路级仿真结果系统性的全面分析，在给定的数据速率要求下，对配置带宽的优化可以增强业务的覆盖性能。该设计是根据链路仿真及实际系统测试中对链路性能的分析，从终端功率使用效率出发，对特定的业务速率、不同用户带宽分配下的性能进行深入的分析。在此基础上，不同的业务速率需求，可以得到优化的上行占用带宽，实现较好的覆盖性能，如图3所示。

    以上分别从系统及链路两个方面确定了上行链路预算的核心内容：干扰余量及上行发射带宽（与之对应的调制编码格式及目标信号与干扰噪声比由链路仿真给出）。在此基础上可以根据传统的链路预算、计算方法计算出给定边缘数据速率下的上行最大允许路径损耗(MAPL)。

3 LTE下行覆盖规划关键技术
    与上行类似，下行覆盖规划设计包含系统及链路两个方面的研究，其中链路技术的研究主要是通过不同链路设置，如调制编码格式(MCS)、带宽等下的链路仿真，分析不同信道环境、业务速率对链路质量（载干比）的需求，以此作为覆盖规划的依据；系统级的研究方面，主要是依托系统仿真，对覆盖区域中不同位置的接收信号强度、干扰强度、干扰余量、载干比等在不同应用场景及覆盖范围下进行深入的仿真分析：一方面研究传统的基于干扰余量的链路预算方案的局限性，另一方面，建立在信号与干扰之间的纽带，对现有的覆盖规划思路作进一步改进。

    LTE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。同时，链路预算中的关键参量干扰余量也随之变化，如图4所示。由于干扰余量与小区半径的强相关特性，传统的基于给定干扰余量计算小区半径的思路已不再适用于现行情况，需要重新寻找相对比较稳定的中间参数来分析。

    经过大量的系统分析，几何因子(GF, GF=本邻小区信干扰之比)以其独到的特性为下行链路预算提供了一个理想的桥梁。在满负载(100%)全同频组网(Frequency Reuse Factor=1)的情况下，通过对不同小区半径下的几何因子累积分布函数(CDF)可以看出：在不同的覆盖半径下，几何因子的分布几乎重合（如图5所示），该特征为LTE下行链路预算提供了一个稳定的中间参数。

    在网络设计中，一般选取95%的区域覆盖所对应的几何因子作为覆盖规划的参考依据，在全同频组网、满负载条件下，如图6中仿真结果，几何因子为3 dB。实际组网中的设计目标不同，因此需要考虑不同系统负载下几何因子的差异性，并以此作为相应负载条件下的参考取值，通过利用几何因子，在下行覆盖分析中，可以在干扰噪声比(SINR)间建立起明确的数学关系。具体来看，在实际的链路预算中，根据特定的需求确定下行边缘所需要的SINR，并在此基础上计算出边缘所需的最低接收信号强度，根据基站的发射功率，可以计算得出MAPL（如公式1—3）。

    其中SINRrequire是目标信干燥比，Srequire是接收端需要的最小接收功率，P为基站发射功率，sh_margin为阴影余量，Loss为包括馈线损耗在内的所有设备损耗，Gain为包含天增增益在内的所有设备增益。

4 结束语
    LTE的开放性及灵活性给网络设计带来了极大的挑战，从整个业界来看，对于LTE实际组网的研究处于初步的探索阶段。文章通过对LTE网络规划流程和需求的理解，结合覆盖规划中关键技术分析及对系统特征的深入研究，一方面给给出了LTE覆盖在不同需求下的规划思路，为商业需求到技术需求的转化提供了明确的指导；另一方面，提出LTE系统上下行链路预算的整体技术思路、关键参数的取值分析及应用方法，为LTE实际网络的设计奠定了初步的理论基础和应用指导。

5 参考文献
[1] SESIA S, TOUFIK I, BAKER M. LTE .The UMTS Long Term Evolution[M].New York,NY,USA:John Wiley & Sons,2009.
[2] 3GPP TS36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN):Overall Description[S].2008.
[3] 3GPP TS 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)：Physical Layer Procedures[S].2008.
[4] SYED Abdul Basit.Dimensioning of LTE Network[D]. Helsinki, Finland: Helsinki University of technology,2009.
[5] QUINTERO N J.Advanced Power Control for UTRAN LTE Uplink[D].Barcelona,Italy:
      University of Catalonia, 2008.
[6] MUHAMMAD B.Closed Loop Power Control for LTE Uplink[D]. Aalborg, Denmark :Aalborg University,2008.

收稿日期：2010-10-14

[摘要] 为了保障高质量的网络部署，LTE系统的覆盖规划对网络的建设成本及质量发挥着至关重要的作用。文章基于LTE实际组网的规划需求，结合系统化的理论及仿真分析，对LTE无线接入的链路及网络特征进行了深入的研究。在此基础上，开发形成一套完整的LTE蜂窝网络覆盖规划理论及应用方法，为LTE无线网络规划提供了基础性的技术指导。

[关键词] 覆盖设计；几何因子；功率控制；干扰余量

[Abstract] For efficient LTE network deployment, coverage planning is important to reduce construction costs and ensure network quality. This paper considers actual network planning requirements and combines theory with simulation analysis to study LTE wireless access link and network characteristics. A theory for LTE cellular coverage planning and application methods is then proposed, which lays the basic foundation for LTE cellular networks.

[Keywords] coverage design; geometry factor; power control; interference margin