主頁（http://m.by236.com）：FDD LTE無線性能與影響因素分析

摘要：隨著國內LTE網絡的快速建設和發展，網絡性能分析和優化的需求越來越強。只有結合FDD LTE性能特點，了解FDD LTE性能指標及其影響因素，并認識到吞吐量指標在LTE網絡中的重要性，才能更好地進行LTE網絡優化工作。

1 LTE無線性能指標

移動通信系統中，無線網絡性能主要用容量、性能和覆蓋等指標來描述，三者間相互影響和制約。LTE系統中，三者的核心要素為吞吐量。比如，容量可以采用小區中多個用戶的總吞吐量來界定，性能可以使用單用戶峰值吞吐量來表征，覆蓋則需要根據邊緣吞吐量來進行分析和優化。因此，進行LTE網絡性能優化時，需要圍繞吞吐量這一關鍵指標，通過無線環境優化、參數優化、信令分析等手段來改善網絡性能，提升用戶感知。

1.1 單用戶下行峰值吞吐量

理想條件下，單用戶所能達到的最大數據速率稱為系統峰值吞吐量。峰值吞吐量受小區信道參數配置、系統負荷、終端級別和MIMO模式等因素的影響。

FDD系統中，可以采用開銷分析法來計算物理層吞吐量[1]，但是這種計算方法缺乏對無線環境的考慮，因此不夠精確。實際測試中，eNodeB需要根據MS上報的CQI信息來確定可用MCS，并結合可用PRB數目來查詢所對應的TBS(即傳輸塊大小)，因此采用MCS和PRB信息來計算峰值吞吐量更加現實和合理。

假設系統帶寬為20MHz，可用PRB數為100，如果系統采用最大MCS索引28，則其對應的TBS索引為26，如表1所示[2]。

參看表2，TBS索引號為26時，100個PRB所對應的TBS為75 376，表示1個TTI(即1ms)中傳輸75 376比特，則單流傳輸時，可獲取的吞吐量為75 376bit/ms=75.376Mb/s。采用雙流傳輸時，所對應的TBS為149 776，故可以獲得的吞吐量為149.7Mb/s。

計算峰值吞吐量時，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，下行峰值吞吐量只能達到102Mb/s[3]。

需要注意的是，下行方向上進行TBS和PRB選擇時，還需要考慮有效碼率的限制。有效碼率為下行信息比特數(包括CRC比特)除以PDSCH物理信道比特數。根據3GPP TS36.213的規定，如果下行有效碼率超過0.93，則UE在初始傳送時，可以忽略對傳輸塊的解碼。例如，PDCCH符號數(即CFI)對峰值吞吐量會產生影響，比如從1增加到3時，物理層開銷增加，有效碼率可能會超過0.93，從而需要降低MCS或者PRB數目來獲取合適的TBS大小，因此限制了峰值吞吐量，如表4所示。

1.2 小區吞吐量

LTE系統中，由于不同業務類型的帶寬需求差異較大，且不同無線環境和QoS要求下，同一業務類型的吞吐量差異也較大，因此，采用小區內業務總體吞吐量來描述信道容量更為準確和直觀。小區容量受帶寬、鄰區負荷、MIMO模式、站間距以及調度方式等因的影響。

NGMN對多用戶吞吐量進行過模擬評估，其模擬條件為：

1)城區環境(有限干擾)；

2)站間距500m；

3)UE移動速度為3km/h；

4)2GHz鏈路損耗模型為L=I+37.6×lg(R)，其中R表示千米(km)，2GHz下，I=128.1dB；

5)多徑模型為空間信道擴展模型(SCME)；

6)eNodeB天線類型為交叉極化[4]。

仿真結果為：上行方向上，閑時(單用戶)峰值吞吐量約為忙時(多用戶)平均吞吐量的2~3倍；下行方向上，閑時(單用戶)下行峰值吞吐量約為忙時(多用戶)平均吞吐量的4~6倍，如表5所示。

1.3 邊緣吞吐量

3GPP規定，小區邊緣吞吐量定義為用戶吞吐量累計分布5%所對應的值，LTE的設計目標是保證上/下行邊緣吞吐量能夠為R6 HSPA的2~3倍[5]。

小區邊緣頻譜效率是吞吐量最低的5%用戶的吞吐量總和與系統帶寬之間的比值。小區邊緣頻譜效率的改善程度受調度和QoS機制的影響，小區邊緣用戶的優先級越高，那么它們所獲得的吞吐量越高，小區邊緣頻譜效率的改善程度也就越高。

3GPP性能評估結果表明，500m站間距下，每小區為10個UE且小區負荷為100%時(即PRB全部占用)，

下行4×2MIMO條件下，邊緣頻譜效率為0.06bps/Hz/用戶，為UTRA的3倍；上行1×2MIMO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，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1.2Mb/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。網絡建設初期，用戶數較少，進行LTE網絡規劃時，上/下行邊緣速率采用與仿真值類似的結果，既能夠滿足LTE的基本需求，又可以借鑒實驗室測試和模擬分析結果，加深對網絡性能的分析和認識。后期網絡運行過程中，邊緣速率需要根據用戶特點以及業務發展策略進行相應調整。

2 LTE無線性能指標影響因素

LTE系統中，不同用戶從時域、頻域、空域和碼域等多個維度共享系統資源。因此，LTE的性能受到諸如系統帶寬、幀結構、TDD/FDD模式、業務類型、無線環境和天線MIMO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

FDD LTE系統中，單用戶峰值吞吐量受到以下因素的影響。

1)系統帶寬。LTE支持1.4MHz到20MHz之間的多種頻帶寬度，不同頻帶提供的子載波數以及無線資源塊數不同，帶寬越大，峰值吞吐量越高。

2)控制信道開銷。LTE系統存在多種類型的控制信道，不同信道開銷對容量的影響較大。需要關注的首要因素就是PDCCH符號數，PDCCH符號數增加時，控制信道開銷增大，受下行最大碼率0.93的限制，傳輸塊大小(TBS)以及調制編碼方式(MCS)可能發生變化，因而影響到峰值吞吐量。

3)無線環境。不同SINR條件下，用戶所能獲得的調制和編碼模式(MCS)不同，每個符號所代表的比特數就有區別，且所對應的傳輸塊大小就有所區別，因此對系統容量會產生較大影響。

4)MIMO模式。采用分集、復用以及波束賦形等MIMO模式，可以提升系統容量或者可靠性，因此，分析和研究LTE峰值吞吐量時，需要使用雙流MIMO模式(即TM3)，如果采用分集等MIMO模式，峰值吞吐量必然會受到影響。

2.2 容量(扇區吞吐量)影響因素

對于數據業務來說，衡量小區容量的指標為小區服務用戶數以及總體吞吐量。小區吞吐量受用戶所在位置以及用戶數的限制。比如，小區中用戶容量增加時，調度器會根據每個用戶的鏈路狀況來為用戶分配頻域資源，有助于提高小區容量。對于不同位置上的用戶，如果系統中采用等比例公平PF調度方法將利于提升邊緣用戶的吞吐量，但是小區吞吐量則會受到影響。

理想情況下如果UE所處的無線環境極好，且業務速率要求較高，則調度器有可能為用戶分配所有PRB資源，從而小區吞吐量與峰值吞吐量相當。但是實際情況中，由于負荷和干擾的影響，小區的容量遠小于理論峰值吞吐量，影響小區容量和性能的主要因素有以下幾方面。

1)小區中的激活用戶數。

2)鄰區上下行話務以及不同PRB上的外部干擾。小區中UE的所用話務都由小區調度器進行控制和調度。但小區邊緣的用戶則可能接入到其他小區中，從而對所在小區產生干擾。

3)每個UE的無線鏈路狀況，包括路徑損耗、SINR、RSRP和RSRQ。將UE放置在遠、中和近點上進行測試時，小區的總容量是所有UE的吞吐量之和。這種情況下，近點上的UE所使用的MCS高，可以采用雙流空間復用模式，所以它對小區總容量的貢獻較大，遠點上的用戶由于只能使用QPSK調制方式，且所分配的PRB數有限，所以產生的吞吐量較低，導致小區整體吞吐量下降。

4)每個TTI中上下行調度的UE數目。同時調度的用戶數對系統業務面時延會產生影響，從而影響到小區總體性能。

5)下行PDCCH使用的符號數。PDCCH符號數增加，小區整體性能下降。

6)上行PUCCH分配的PRB數目。每個終端都需要周期性地上報CQI和SRI，還需要在適當的上行子幀中對上行資源分配工作采用HARQ ACK消息進行確認，因此必須分配足夠的PUCCH資源來滿足這些需求。增加PUCCH RB數量可以增加同時接入的用戶數，但是這也直接減少了上行容量，因為PUSCH可用的RB也會相應減少。而且每個子幀能夠解碼的PUCCH數量還受限于硬件的限制。通過增加CQI和SRI的周期時長可以增加同時接入的用戶數，但是這也會限制終端跟蹤無線衰落的能力，進而造成吞吐量降低。

7)支持GBR業務的用戶數。當用戶被分配了保證速率的承載信道后，同時接入用戶總數會受限于當前的信道條件和每個用戶需要的GBR速率。

8)處理器能力。所有的硬件平臺

都有處理能力的限制。如果上行解碼和下行編碼處理時間過長，吞吐量就會受到影響，同時用戶也會掉線。

9)其他。以上因素中，在特定的測試條件下，外部干擾和UE的無線鏈路狀況基本上只受鄰區加擾的影響，與參數的關系不大。而每個TTI中上下行調度的UE數目、下行PDCCH使用的符號數、上行PUCCH使用的PRB數目等則直接受參數的控制。

2.3 覆蓋(邊緣吞吐量)影響因素

邊緣吞吐量與覆蓋的關系通常具備以下規律，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律。這是因為吞吐量與所分配的PRB數目有關，上行功率只在所分配的PRB上進行分配，下行功率則在全頻段范圍上進行分配，所以上行用戶所占用的RB個數對覆蓋的影響相對較大，而下行用戶則相反。

鏈路預算就是從邊緣吞吐量入手，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算的各種因素也必然會對邊緣吞吐量產生影響。具體描述如下。

1) SINR。SINR是RB上有用信號功率與噪聲和干擾之和的比值，它受到所用MCS、業務BLER要求以及可用RB數的影響。不同邊緣吞吐量所需要的MCS不同，隨著MCS和碼率的增加，SINR的需求也會增加。對于給定的MCS，SINR越高，背景噪聲對鏈路質量的影響越小，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數有區別，從而影響到接收靈敏度。接收靈敏度計算公式如下：

其中，SINR為每個RB所要求的信噪比(dB)，NF為eNodeB噪聲系數(dB)，Nth為噪聲譜密度4×10-18mW/Hz，10lg(Nth) =-174dBm/Hz。為單個RB的帶寬，再乘以RB數后相當于接收總帶寬。

而

相當于噪聲總功率。

由此可見，接收靈敏度受以下因素的影響：小區邊緣所需的信噪比和噪聲；接收機的噪聲系數(NF)；信道帶寬(影響到每個子載波上的噪聲功率)；接收子載波的數目。

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27對應64QAM，MCS索引號1對應QPSK，因此，MCS越低，調制階數越小，解調所需的SINR越低，接收靈敏度也就越高，所提供的覆蓋越好。MCS、TBS以及PRB三者之間存在對應和制約關系，下行應該在保證邊緣吞吐量的基礎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PRB功率的需求。

4) 干擾。通常采用干擾余量來進行表示，干擾余量指在有干擾和沒有干擾的情況下所接收到的信號之間的關系。下行方向上，干擾余量定義為-10lg(1-SINR×小區負荷/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果來獲取。鄰區負荷高會導致干擾余量的增加，從而降低MAPL(最大鏈路損耗)，進而限制了高階MCS的使用。

LTE系統中小區內不存在干擾，小區負荷只受鄰區的影響。小區負荷表示RB資源的利用率，小區負荷增加會使得干擾余量增加，從而會影響小區容量。

5) 不同邊緣吞吐量要求與負荷和覆蓋半徑之間的關系。不同負荷和小區邊緣吞吐量條件下，小區覆蓋半徑有很大區別。通常來講，相同負荷條件下，小區覆蓋半徑越大，所獲取的邊緣吞吐量越低。另一方面，覆蓋距離相同時，則隨著負荷的增加，邊緣吞吐量逐步降低。

3 LTE系統無線性能提升思路

根據上述分析可知，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。為了保證用戶感知、提升網絡性能，需要綜合多種手段提升吞吐量指標，包括：

1)優化無線網絡，提升網絡覆蓋，保證較高的RSRP；

2)綜合利用功率控制、干擾控制等手段，降低小區間干擾，提升網絡整體SINR；

3)采用MCS自適應算法， 保證系統資源的高效利用；

4)采用MIMO自適應機制，提升中心用戶的吞吐量，保證邊緣用戶的性能可靠性；

5)采用靈活的調度算法，保證邊緣吞吐量和小區總吞吐量之間的均衡。

LTE網絡優化是一個動態、漸進的過程，只有了解網絡性能影響因素，才能更好地進行網絡建設、規劃和優化等工作。面向吞吐量進行分析和優化，對影響吞吐量的各種因素進行綜合分析和優化，將是未來LTE網絡優化的重要工作之一，也是打造優質LTE網絡的必要條件。
 

作者介紹：

文志成

高級工程師，曾參與《通用分組無線業務-GPRS》、《UMTS系統無線協議與信令流程-從R99到HSDPA和HSUPA》、《LTE空中接口技術與性能》以及《LTE關鍵技術與無線性能》等書籍的編寫工作。目前主要從事LTE的現場測試和性能分析等工作。

亓新峰

工程師，長期致力于無線系統的網落規劃和優化，目前主要從事LTE的現場測試和性能分析等工作。