FDDLTE無(wú)線性能與影響因素分析

摘要：隨著國(guó)內(nèi)LTE網(wǎng)絡(luò)的快速建設(shè)和發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)性能分析和優(yōu)化的需求越來(lái)越

強(qiáng)。只有結(jié)合FDDLTE性能特點(diǎn)，了解FDDLTE性能指標(biāo)及其影響因素，并認(rèn)

識(shí)到吞吐量指標(biāo)在LTE網(wǎng)絡(luò)中的重要性，才能更好地進(jìn)行LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作。

1LTE無(wú)線性能指標(biāo)

移動(dòng)通信系統(tǒng)中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能主要用容量、性能和覆蓋等指標(biāo)來(lái)描述，三者間

相互影響和制約。LTE系統(tǒng)中，三者的核心要素為吞吐量。比如，容量可以采用

小區(qū)中多個(gè)用戶的總吞吐量來(lái)界定，性能可以使用單用戶峰值吞吐量來(lái)表征，覆

蓋則需要根據(jù)邊母吞葉量來(lái)進(jìn)行分析和優(yōu)化.因此，進(jìn)行LTE網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化時(shí)，

需要圍繞吞吐量這一關(guān)鍵指標(biāo)，通過(guò)無(wú)線環(huán)境優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化、信令分析等手段

來(lái)改善網(wǎng)絡(luò)性能，提升用戶感知。

1.1單用戶下行峰值吞吐量

理想條件下，單用戶所能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率稱為系統(tǒng)峰值吞吐量。峰值吞吐量

受小區(qū)信道參數(shù)配置、系統(tǒng)負(fù)荷、終端級(jí)別和MIMO模式等因素的影響。

FDD系統(tǒng)中，可以采用開(kāi)銷分析法來(lái)計(jì)算物理層吞吐量[1],但是這種計(jì)算方法

缺乏對(duì)無(wú)線環(huán)境的考慮，因此不夠精確。實(shí)際測(cè)試中，eNodeB需要根據(jù)MS上

報(bào)的CQI信息來(lái)確定可用MCS,并結(jié)合可用PRB數(shù)目來(lái)查詢所對(duì)應(yīng)的TBS（即傳

輸塊大小），因此采用MCS和PRB信息來(lái)計(jì)算峰值吞吐量更加現(xiàn)實(shí)和合理。

假設(shè)系統(tǒng)帶寬為20MHz,可用PRB數(shù)為100,如果系統(tǒng)采用最大MCS索引28,

則其對(duì)應(yīng)的TBS索引為26,如表1所示[2].

<1MCS與調(diào)制階數(shù)以及TBS之間的關(guān)系

MCS索引期制階數(shù)IBS索引

020

121

27625

28626

292預(yù)留

304內(nèi)預(yù)紹.,T

316預(yù)留

參看表2,TBS索引號(hào)為26時(shí)，100個(gè)PRB所對(duì)應(yīng)的TBS為75376,表示1

個(gè)TTI（即1ms）中傳輸75376比特，則單流傳輸時(shí)，可獲取的吞吐量為乃

376bit/ms=75.376Mb/So采用雙流傳輸時(shí)，所對(duì)應(yīng)的TBS為149776,故可以

獲得的吞吐量為149.7Mb/So

表2傳輸塊大小

j______________________但______________________

91■>>%廣9X991（MI

25573365925659256592566166461664616M616646377663776

2666592688/6880868808711127111271112737127371275376

計(jì)算峰值吞吐量時(shí)，還需要考慮終端特性，如果終端不能支持最大TBS,則上下

行峰值吞吐量就會(huì)受到限制。如表3所示，類別2終端所支持的最大TBS為51

024,故采用雙流傳送時(shí)，下行峰值吞吐量只能達(dá)到102Mb/s[3]。

我3LTE終端特性

UE一個(gè)DI.SCH-QDLSCH一個(gè)ULSCII上行是

類別TTI內(nèi).UE在兩TTI內(nèi).UE在單TT1內(nèi)，UE否支持

個(gè)TB1能夠接收個(gè)TB」所施第接所靛鉞發(fā)送的MQAM

的DLSCH傳輸收的DL-SCH傳DI.SCH傳輸

塊的慢大比特?cái)?shù)輸關(guān)的最大比特赦塊的用大比特致

類別110296102965160No

類別2510245102425456No

類別31020487537651024No

類別41507527537651024No

類別529955214977675376Yes

需要注意的是，下行方向上進(jìn)行TBS和PRB選擇時(shí)，還需要考慮有效碼率的限

制。有效碼率為下行信息比特?cái)?shù)（包括CRC比特）除以PDSCH物理信道比特?cái)?shù)。

根據(jù)3GPPTS36.213的規(guī)定，如果下行有效碼率超過(guò)0.93,則UE在初始傳送

時(shí)，可以忽略對(duì)傳輸塊的解碼。例如，PDCCH符號(hào)數(shù)（即CFI）對(duì)峰值吞吐量會(huì)產(chǎn)

生影響，比如從1增加到3時(shí)，物理層開(kāi)銷增加，有效碼率可能會(huì)超過(guò)0.93,

從而需要降低MCS或者PRB數(shù)目來(lái)獲取合適的TBS大小，因此限制了峰值吞吐

量，如表4所示。

表4CFI配置為1和3時(shí)的咤值吞吐量對(duì)比

______________(LTEFDD.2x2MIMO.ECR<0.93)_____________

CFIfift1.4MHz3MHz5MHz10MHz20MHz

D【外侑存吐量(Mb/s)16.619.533.770.2146.5

35.216.829.160.6124

1.2小區(qū)吞吐量

LTE系統(tǒng)中，由于不同業(yè)務(wù)類型的帶寬需求差異較大，且不同無(wú)線環(huán)境和QoS

要求下，同一業(yè)務(wù)類型的吞吐量差異也較大，因此，采用小區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)總體吞吐量

來(lái)描述信道容量更為準(zhǔn)確和直觀。小區(qū)容量受帶寬、鄰區(qū)負(fù)荷、MIMO模式、站

間距以及調(diào)度方式等因的影響。

NGMN對(duì)多用戶吞吐量進(jìn)行過(guò)模擬評(píng)估，其模擬條件為：

1)城區(qū)環(huán)境(有限干擾)；

2)站間距500m；

3)UE移動(dòng)速度為3km/h；

4)2GHz鏈路損耗模型為L(zhǎng)=I+37.6x|g(R),其中R表示千米(km),2GHzT,

I=128.1dB；

5)多徑模型為空間信道擴(kuò)展模型(SCME)；

3Gpp性能評(píng)估結(jié)果表明，500m站間距下，每小區(qū)為10個(gè)UE且小區(qū)負(fù)荷為100%

時(shí)（即PRB全部占用）,

下行4X2MIMO條件下，邊緣頻譜效率為0.06bps/Hz/用戶，為UTRA的3倍；

上行1X2MIMO邊緣頻譜效率為0.024bps/Hz/用戶，為UTRA的2.5倍-6］。

采用20MHz帶寬時(shí)，0.06bps/Hz/用戶的下行頻譜效率意味著單用戶的下行邊緣

吞吐量約為l.2Mb/s,0.024bps/Hz/用戶的下行頻譜效率意味著單用戶的下行邊

緣吞吐量約為480Kb/s。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，用戶數(shù)較少，進(jìn)行LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，上

/下行邊緣速率采用與仿真值類似的結(jié)果，既能夠滿足LTE的基本需求，又可以

借鑒實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和模擬分析結(jié)果，加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的分析和認(rèn)識(shí)「后期網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行

過(guò)程中，邊緣速率需要根據(jù)用戶特點(diǎn)以及業(yè)務(wù)發(fā)展策略進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

2LTE無(wú)線性能指標(biāo)影響因素

LTE系統(tǒng)中，不同用戶從時(shí)域、頻域、空域和碼域等多個(gè)維度共享系統(tǒng)資源。因

此，LTE的性能受到諸如系統(tǒng)帶寬、幀結(jié)構(gòu)、TDD/FDD模式、業(yè)務(wù)類型、無(wú)線

環(huán)境和天線MIM。模式等多種因素的影響。具體影響因素分析如下。

2.1峰值吞吐量影響因素

FDDLTE系統(tǒng)中，單用戶峰值吞吐量受到以下因素的影響。

1）系統(tǒng)帶寬。LTE支持14MHz到20MHz之間的多種頻帶寬度，不同頻帶提供的

子載波數(shù)以及無(wú)線資源塊數(shù)不同，帶寬越大，峰值吞吐量越高。

2）控制信道開(kāi)銷。LTE系統(tǒng)存在多種類型的控制信道，不同信道開(kāi)銷對(duì)容量的影

響較大。需要關(guān)注的首要因素就是PDCCH符號(hào)數(shù)，PDCCH符號(hào)數(shù)增加時(shí)，控制

信道開(kāi)銷增大，受下行最大碼率0.93的限制，傳輸塊大小(TBS)以及調(diào)制編碼方

式(MCS)可能發(fā)生變化，因而影響到峰值吞吐量。

3)無(wú)線環(huán)境。不同SINR條件下，用戶所能獲得的調(diào)制和編碼模式(MCS)不同，

每個(gè)符號(hào)所代表的比特?cái)?shù)就有區(qū)別，且所對(duì)應(yīng)的傳輸塊大小就有所區(qū)別，因此對(duì)

系統(tǒng)容量會(huì)產(chǎn)生較大影響。

4)MIMO模式。采用分集、復(fù)用以及波束賦形等MIMO模式，可以提升系統(tǒng)容量

或者可靠性，因此，分析和研究LTE峰值吞吐量時(shí)，需要使用雙流MIMO模式(即

TM3),如果采用分集等MIMO模式，峰值吞吐量必然會(huì)受到影響。

2.2容量(扇區(qū)吞吐量)影響因素

對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，衡量小區(qū)容量的指標(biāo)為小區(qū)服務(wù)用戶數(shù)以及總體吞吐量。小

區(qū)吞吐量受用戶所在位置以及用戶數(shù)的限制。比如，小區(qū)中用戶容量增加時(shí)，調(diào)

度器會(huì)根據(jù)每個(gè)用戶的鏈路狀況來(lái)為用戶分配頻域資源，有助于提高小區(qū)容量。

對(duì)于不同位置上的用戶，如果系統(tǒng)中采用等比例公平PF調(diào)度方法將利于提升邊

緣用戶的吞吐量，但是小區(qū)吞吐量則會(huì)受到影響。

理想情況下如果UE所處的無(wú)線環(huán)境極好，且業(yè)務(wù)速率要求較高，則調(diào)度器有可

能為用戶分配所有PRB資源，從而小區(qū)吞吐量與峰值吞吐量相當(dāng)。但是實(shí)際情

況中，由于負(fù)荷和干擾的影響，小區(qū)的容量遠(yuǎn)小于理論峰值吞吐量，影響小區(qū)容

量和性能的主要因素有以下幾方面。

1)小區(qū)中的激活用戶數(shù)。

2)鄰區(qū)上下行話務(wù)以及不同PRB上的外部干擾。小區(qū)中UE的所用話務(wù)都由小區(qū)

調(diào)度器進(jìn)行控制和調(diào)度。但小區(qū)邊緣的用戶則可能接入到其他小區(qū)中，從而對(duì)所

在小區(qū)產(chǎn)生干擾。

3）每個(gè)UE的無(wú)線鏈路狀況，包括路徑損耗、SINR、RSRP和RSRQ。將UE放置

在遠(yuǎn)、中和近點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)試時(shí)，小區(qū)的總?cè)萘渴撬蠻E的吞吐量之和。這種情

況下，近點(diǎn)上的UE所使用的MCS高，可以采用雙流空間復(fù)用模式，所以它對(duì)

小區(qū)總?cè)萘康呢暙I(xiàn)較大，遠(yuǎn)點(diǎn)上的用戶由于只能使用QPSK調(diào)制方式，且所分配

的PRB數(shù)有限，所以產(chǎn)生的吞吐量較低，導(dǎo)致小區(qū)整體吞吐量下降。

4）每個(gè)TTI中上下行調(diào)度的UE數(shù)目。同時(shí)調(diào)度的用戶數(shù)對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)面時(shí)延會(huì)產(chǎn)

生影響，從而影響到小區(qū)總體性能。

5）下行PDCCH使用的符號(hào)數(shù)。PDCCH符號(hào)數(shù)增加，小區(qū)整體性能下降。

6）上行PUCCH分配的PRB數(shù)目.每個(gè)終端都需要周期性地上報(bào)CQT和SRL還

需要在適當(dāng)?shù)纳闲凶訋袑?duì)上行資源分配工作采用HARQACK消息進(jìn)行確認(rèn)，

因此必須分配足夠的PUCCH資源來(lái)滿足這些需求。增加PUCCHRB數(shù)量可以增

加同時(shí)接入的用戶數(shù)，但是這也直接減少了上行容量，因?yàn)镻USCH可用的RB

也會(huì)相應(yīng)減少。而且每個(gè)子幀能夠解碼的PUCCH數(shù)量還受限于硬件的限制，通

過(guò)增加CQI和SRI的周期時(shí)長(zhǎng)可以增加同時(shí)接入的用戶數(shù)，但是這也會(huì)限制終

端跟蹤無(wú)線衰落的能力，進(jìn)而造成吞吐量降低。

7）支持GBR業(yè)務(wù)的用戶數(shù)。當(dāng)用戶被分配了保證速率的承載信道后，同時(shí)接入

用戶總數(shù)會(huì)受限于當(dāng)前的信道條件和每個(gè)用戶需要的GBR速率。

8）處理器能力。所有的硬件平臺(tái)

都有處理能力的限制。如果上行解碼和下行編碼處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，吞吐量就會(huì)受到

影響，同時(shí)用戶也會(huì)掉線。

9）其他。以上因素中，在特定的測(cè)試條件下，外部干擾和UE的無(wú)線鏈路狀況基

本上只受鄰區(qū)加擾的影響，與參數(shù)的關(guān)系不大。而每個(gè)丁門(mén)中上下行調(diào)度的UE

數(shù)目、下行PDCCH使用的符號(hào)數(shù)、上行PUCCH使用的PRB數(shù)目等則直接受參

數(shù)的控制。

2.3覆蓋(邊緣吞吐量)影響因素

邊緣吞吐量與覆蓋的關(guān)系通常具備以下規(guī)律，即隨著邊緣吞吐量的提高，上行最

大鏈路損耗越小，這意味著上行覆蓋距離隨著邊緣速率的提高而越小，而下行覆

蓋不存在這種規(guī)律。這是因?yàn)橥掏铝颗c所分配的PRB數(shù)目有關(guān)，上行功率只在

所分配的PRB上進(jìn)行分配，下行功率則在全頻段范圍上進(jìn)行分配，所以上行用

戶所占用的RB個(gè)數(shù)對(duì)覆蓋的影響相對(duì)較大，而下行用戶則相反。

鏈路預(yù)算就是從邊緣吞葉量入手，分析覆蓋和鏈路損耗需求，從而獲取滿足邊緣

吞吐量要求的站間距等信息。這意味著影響鏈路預(yù)算的各種因素也必然會(huì)對(duì)邊緣

吞吐量產(chǎn)生影響。具體描述如下。

1)SINRoSINR是RB上有用信號(hào)功率與噪聲和干擾之和的比值，它受到所用

MCS、業(yè)務(wù)BLER要求以及可用RB數(shù)的影響。不同邊緣吞吐量所需要的MCS不

同，隨著MCS和碼率的增加，SINR的需求也會(huì)增加。對(duì)于給定的MCS,SINR

越高，背景噪聲對(duì)鏈路質(zhì)量的影響越小，BLER越低。

2)接收靈敏度。接收靈敏度是克服白噪聲并達(dá)到要求的SINR的最小接收電平。

不同類型的信道所需的SINR以及RB數(shù)有區(qū)別，從而影響到接收靈敏度。接收

靈敏度計(jì)算公式如下：

S=H74<ffim/H2H-10xlg05KHzxi2xRBft>4-

NF+SINR

其中，SINR為每個(gè)RB所要求的信噪比(dB),NF為eNodeB噪聲系數(shù)(dB),Nth

為噪聲譜密度4xlO?18mW/Hz,lOlg(Nth)=-174dBm/Hz0為單個(gè)RB的帶寬,

再乘以RB數(shù)后相當(dāng)于接收總帶寬。

而-174dBm/Hz4-10xlg（15KHzx12爾3數(shù)）相當(dāng)于噪聲總功率。

由此可見(jiàn)，接收靈敏度受以下因素的影響：小區(qū)邊緣所需的信噪比和噪聲；接收

機(jī)的噪聲系數(shù)（NF）；信道帶寬（影響到每個(gè)子載波上的噪聲功率）；接收子載波的

數(shù)目。

上下行方向上，邊緣吞吐量要求越高，接收靈敏度越低。邊緣吞吐量要求不同，

用戶所分配的帶寬對(duì)接收靈敏度的影響也不同。

3）TBS和MCS選擇方法。LTE中，MCS索引號(hào)27對(duì)應(yīng)64QAM,MCS索引號(hào)1

對(duì)應(yīng)QPSK,因此，MCS越低，調(diào)制階數(shù)越小，解調(diào)所需的SINR越低，接牧靈

敏度也就越高，所提供的覆蓋越好。MCS、TBS以及PRB三者之間存在對(duì)應(yīng)和

制約關(guān)系，下行應(yīng)該在保證邊緣吞吐量的基礎(chǔ)上盡可能選擇較低的MCS索引值。

但是上行不能采用類似的原則。另外，MCS的選擇還需要兼顧SINR以及每個(gè)

PRB功率的需求。

4）干擾。通常采用干擾余量來(lái)進(jìn)行表示，干擾余量指在有干擾和沒(méi)有干擾的情

況下所接收到的信號(hào)之間的關(guān)系。下行方向上，干擾余量定義為-10lg（l-SINRx

小區(qū)負(fù)荷/載干比），上行方向上，由于用戶分布不確定，所以干擾余量采用仿真

結(jié)果來(lái)獲取。鄰區(qū)負(fù)荷高會(huì)導(dǎo)致干擾余量的增加，從而降低MAPL（最大鏈路損耗）,

進(jìn)而限制了高階MCS的使用。

LTE系統(tǒng)中小區(qū)內(nèi)不存在干擾，小區(qū)負(fù)荷只受鄰區(qū)的影響。小區(qū)負(fù)荷表示RB資

源的利用率，小區(qū)負(fù)荷增加會(huì)使得干擾余量增加，從而會(huì)影響小區(qū)容量。

5）不同邊緣吞吐量要求與負(fù)荷和覆蓋半徑之間的關(guān)系。不同負(fù)荷和小區(qū)邊緣吞

吐量條件下，小區(qū)覆蓋半徑有很大區(qū)別。通常來(lái)講，相同負(fù)荷條件下，小區(qū)覆蓋

半徑越大，所獲取的邊緣吞吐量越低。另一方面，覆蓋距離相同時(shí)，則隨著負(fù)荷

的增加，邊緣吞吐量逐步降低。

3LTE系統(tǒng)無(wú)線性能提升思路

根據(jù)上述分析可知，吞吐量受多種因素的影響，從而制約了容量、性能和覆蓋等

指標(biāo)。為了保證用戶感知、提升網(wǎng)絡(luò)性能，需要綜合多種手段提升吞吐量指標(biāo)，

包括：

1）優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋，保證較高的RSRP；

2）綜合利用功率控制、干擾控制等手段，降低小區(qū)間干擾，提升網(wǎng)絡(luò)整體SINR；

3）采用MCS自適應(yīng)算法，保證系統(tǒng)資源的高效利用；

4）采用MIMO自適應(yīng)機(jī)制，提升中心用戶的吞吐量，保證邊緣用戶的性能可靠性；

5）采用靈活的調(diào)度算法，保證邊緣吞吐量和小區(qū)總吞吐量之間的均衡。

LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是一個(gè)動(dòng)態(tài)、漸進(jìn)的過(guò)程，只有了解網(wǎng)絡(luò)性能影響因素，才能更好

地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、規(guī)劃和優(yōu)化等工作。面向吞吐量進(jìn)行分析和優(yōu)化，對(duì)影響吞吐

量的各種因素進(jìn)行綜合分析和優(yōu)化，將是未來(lái)LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重要工作之一，也

是打造優(yōu)質(zhì)LTE網(wǎng)絡(luò)的