Scientific Journal of Information Engineering October 2013, Volume 3, Issue 5, PP.92-98
A Study for the TD-LTE Network Planning Methodology and Performance Evaluation Huihui Li 1, Ting Li 1, Lei Li 2†, Meng Zhang 2, Qisheng Yu 2, Peter Butovitsch 2 1. China Mobile Group Corporation, Guangdong Limited Co., Ltd. Guangzhou, 510095, China 2. Ericsson (China) Communications Co., Ltd., Beijing, 100102, China †Email:
lei.m.li@ericsson.com
Abstract This paper gives a TD-LTE network planning and performance evaluation methodology. In order to meet ever increasing traffic and datarate demands in the future, we propose, on a high level, three approaches: improving the macro layer radio performance, densifying the macro layer and complementing the macro layer with low power nodes. Combining with the proposed network planning and performance evaluation methodology, the paper made a scenario specific illustration on how to make a TD-LTE network evolution strategy and network planning via performance evaluation and solution comparison. Based on a system level simulation platform, we further demonstrate the feasibility of this study by evaluating two approaches: improving the macro layer radio performance by adding indoor antenna systems and densifying the macro layer, and get network planning key parameters. The results show that this network planning and performance evaluation methodology can provide guidance for TD-LTE network deployments and be of important value in making network evolution strategy. Keywords: TD-LTE; Network Planning; Network Evolution; System Level Simulation
TD-LTE 网络规划与性能评估方法研究 李晖晖 1，李挺 1，李蕾 2，张萌 2，余其胜 2，Peter Butovitsch2 1. 中国移动通信集团广东有限公司，广东 广州 510095 2. 爱立信（中国）通信有限公司，北京 100102 摘 要：本文研究了 TD-LTE 网络规划与性能评估方法，并针对未来无线通信系统对数据流量和传输速率日益增长的需 求，提出了宏基站升级、宏基站加密和部署微基站三种 TD-LTE 网络演进的方案。结合本文所研究的 TD-LTE 网络规划 与性能评估方法，通过综合性能评估和对比，制定针对场景的 TD-LTE 网络演进策略和具体网络规划方案。基于无线网 络系统级仿真平台，本文进一步验证了该研究方法的有效性，对宏基站加密和宏基站加入室内分布式天线系统这两种方 案进行了性能评估，并获得了满足网络性能目标的系统参数，结果表明该网络规划和性能评估方法可以为 TD-LTE 网络 部署提供指导，并为未来网络演进方案选择和策略制定提供重要的参考。 关键词：TD-LTE；网络规划；网络演进；系统级仿真
引言 近年来，移动通信用户的数量逐年递增。除传统的移动业务（例如语音通信）之外，以移动互联网接 入、移动文件下载为主的移动数据业务与日俱增 [1-3]，移动通信消费者期望获得更加多元化的服务以及更高 速的网络体验。因此，移动运营商急需建成具有更大容量的网络来支持高速的无线数据通信。在这样的背 景下，3GPP 制定了长期演进（LTE）计划来满足以上的需求。在北美及欧洲，许多国家已经建成并运营了 LTE 网络。在国内，以中国移动为首的移动运营商也已经完成了 TD-LTE 试验网的建设，并且正在准备大 规模建网。在大规模建网之前，通过进行网络规划来设置基站数目、位置、频点以及天线配置等重要参数 - 92 http://www.sjie.org/
来指导网络建设，具有十分重要的作用。 按照目标来划分，网络规划包括容量规划和覆盖规划，分别以网络的容量（包括平均容量和小区边缘 容量）或覆盖率为目标，通过网络性能评估对网络参数进行配置和优化，达到特定的容量或覆盖目标。在 传统的 2G/3G 网络中，网络支持的主要业务是电路域的语音业务，在给定网络配置参数和呼叫阻塞率的情 况下，爱尔兰公式是计算网络容量的最常用和最有效的方法[4]。LTE 系统是以无线数据通信为主的高速网 络，采用了很多先进的链路级和系统级技术，例如灵活的大带宽配置、OFDM、MIMO、快速频选调度、小 区间干扰协调（ICIC）等，网络能够以更好的服务质量（QoS）提供更高的数据速率。但与此同时，在网络 建设时，很难通过简单的计算精确地获得不同场景下的系统容量，用户的数量、流量分布等都会影响系统 性能，因此需要更加复杂有效的网络规划方法。另外随着用户数量和网内数据流量的增加，初期部署的网 络可能无法满足未来网络的性能指标，在这种情况下，网络需要不断地演进来满足日益增长的需求。因此 一套能够适应网络演进的网络规划方案和评估方法对 TD-LTE 网络建设和升级都至关重要。 基于 TD-LTE 网络，本文提出了三种网络演进方案，即改进升级现有宏基站、提高宏基站的密度和部署 微基站。为了规划和评估上述三种网络演进方案，本文给出了基于系统级仿真的网络规划方法[5]，即通过蒙 特卡罗方法对多个网络快照进行性能评估，然后进行统计平均处理来获得不同业务负载模式和不同网络部 署方式下网络的统计性能，最后综合对比各个方案的性能评估结果，制定针对场景的网络演进策略和规划 方案。作为一个实例验证，本文在仿真结果部分，针对中国移动提出的网络性能指标，对宏基站升级和宏 基站加密两种方案进行了性能评估，其中宏基站升级方案中主要考虑加入室内分布式天线系统。系统级仿 真评估结果表明，该方法可获得符合网络性能指标的方案配置，并能够为 TD-LTE 网络的进一步演进提供有 效的参考。 本文的组织结构如下。第二章介绍 TD-LTE 网络规划的一般性方法，并提出了网络演进的三种方案。 第三章介绍网络性能评估方法，包括静态系统级仿真的步骤以及基于仿真的规划与评估方案。第四章选取 了典型场景对 TD-LTE 网络演进方案进行了仿真，并获得了满足性能需求的演进方案配置。第五章总结了 全文。
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TD-LTE 网络规划与演进方案 本章介绍 TD-LTE 网络规划的基本方法和流程以及网络演进的方案，为 TD-LTE 网络建设以及后续的增
强和升级提供依据。
1.1
网络规划基本流程 TD-LTE 无线网络规划流程可以分成：需求分析、网络规模估算、站址规划、网络仿真、无线参数规划
等 5 个阶段。 在需求分析阶段，首先应明确建网策略，提出相应的建网需求，根据网络中的业务需求数据明确网络 的容量和覆盖指标，这些数据都是 TD-LTE 无线网络规划的重要输入。 网络规模估算主要是通过覆盖和容量估算来确定网络建设的基本规模，在进行覆盖估算时首先应了解 当地的传播模型，然后通过链路预算来确定不同区域的小区覆盖半径，从而估算出满足覆盖需求的基站数 量。容量估算则是分析在一定载频及站型配置的条件下，TD-LTE 网络可承载的系统容量，并计算是否可以 满足用户的容量需求。 在站址规划阶段，主要工作是依据链路预算的建议值，结合目前网络站址资源情况，进行站址布局工 作，并在确定站点初步布局后，结合现有资料或现场勘测来进行站点可用性分析，确定目前覆盖区域可用 的共址站点和需新建的站点。在下一章的网络仿真与性能评估中，为使我们的评估方案具有一般性，我们 将跳过站址规划的步骤而采用规则的六边形小区。 完成初步的站址规划后，需要进一步将站址规划方案输入到 TD-LTE 规划仿真软件中进行覆盖及容量仿 - 93 http://www.sjie.org/
真分析，仿真分析流程包括规划数据导入、传播预测、邻区规划、时隙和频率规划、用户和业务模型配置 以及蒙特卡罗仿真，通过仿真分析输出结果，可以进一步评估目前规划方案是否可以满足覆盖及容量目 标，如存在部分区域不能满足要求，则需要对规划方案进行调整修改，使得规划方案最终满足规划目标。 在利用网络仿真进行性能评估之后，就可以输出详细的网络参数，主要包括基站的站间距、天线高 度、方向角、下顷角等小区基本参数，这些参数最终将做为规划方案输出参数提交给后续的工程设计及优 化使用。
1.2 网络演进方案 为了满足日益增长的业务需求，现有的网络不可避免地需要不断演进。以最有效的方式设计一个 TDLTE 的演进方案总体来说包括以下三个步骤： (1) 改进升级现有宏基站：利用更多频谱以及更为先进的天线技术改进宏小区，增加接收机和/或发射机 的分集阶数，提高节点内部和节点之间的基带处理能力。TD-LTE 技术的持续发展将通过高阶调制、高级扇 区划分、多载频和多天线技术等专有功能以及基于混合射频解决方案的频谱重整技术提升宏小区网络的效 率。通过这种方式提升容量和数据速率而不需要增加新站点。 (2) 提高宏站密度：仅通过改进升级宏小区网络所增加的容量和数据速率最终将不足以满足需求。在具 有战略意义的区域定向增加宏基站可以提高容量。这种方法可以将站点的总数维持在一个相对较低的水 平，同时也能减少网络性能受流量位置的影响。 (3) 增加微基站：利用微型小区和基于 3GPP 标准的专用室内解决方案补充宏小区。该方法可以包括使 用微小区、微微小区或低功率的射频拉远单元（RRUS）和 Wi-Fi。它可以在微型小区覆盖的区域提供较高 的单位用户容量和数据速率，也能通过分流热点区域的流量提高宏小区网络的性能。 设计出合理有效的演进方案的关键是要找出正确的组合，换言之，我们需要找出用何手段改进宏小 区、如何提高宏小区网络的密度以及在何处增加微型小区，才能满足未来的容量和覆盖需求。在下面的章 节中，我们将介绍如何对演进方案及其组合进行评估，来获得满足网络性能指标的系统配置参数。
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网络性能评估 本章将介绍无线网络性能评估的一般性方法，即无线网络系统级仿真。接着基于系统级仿真，我们将
给出本文采用的网络规划和性能评估方法，通过对不同配置下网络的评估来满足预期的网络目标。 系统级仿真是从整个系统的角度对网络的覆盖、容量等性能进行评估，通过模拟一定输入下的网络行 为来获得系统性能的一种仿真方法。而静态仿真是一种对多个不同的网络快照（snapshot）进行网络性能仿 真的方法，在每个快照中用户的位置按照某个特定的设置（例如随机均匀分布）被静态地设定，并独立于 上一个快照中用户的位置。通过信道建模、小区选择以及功率控制和数据传输迭代，将获得网络对用户的 服务性能，包括网络容量、覆盖率和吞吐率等。静态仿真方法适用于网络规划设计。具体说来，LTE 静态 系统级仿真主要包括网络拓扑建立、信道建模与计算、服务小区选择、功率控制与数据传输迭代以及结果 统计几个步骤。 (1) 网络拓扑建立。网络拓扑是进行系统仿真的基本环境，主要包括基站和用户的位置以及小区的划分 等。在本文的 TD-LTE 系统仿真中，仿真的环境为城区，因此网络拓扑对城市中的楼房进行了三维建模，用 户可以按照一定的规则分布在楼房内外。另外，为了保持基站规划的一般性，本文的仿真采用规则的六边 形小区结构。 (2) 信道建模与计算。信道模型是无线环境建模中最重要的部分，它反映了电磁波在无线环境中的传播 特性。常用的信道模型包括大尺度路径损耗、阴影衰落和小尺度衰落几个部分。大尺度衰落主要跟距离相 关，阴影衰落满足对数正态分布，而小尺度衰落通常由节点移动性和多径效应引起。 (3) 服务小区选择。通过信道建模与计算，用户可以获得与每个基站之间的信道衰落系数。通过导频信 - 94 http://www.sjie.org/
号的功率检测，用户可以发现到其信号强度最大的小区，用户将其选择为服务小区。 (4) 功率控制。LTE 上行采用功率控制，下行仅采用简单的功率分配。由于 LTE 系统中干扰主要来自相 邻小区，可以在小区边缘通过功率控制来进行小区间干扰协调。 (5) 数据传输迭代。在设置功率之后，用户将进行数据传输。通过载干比计算，可以获得链路的信道质 量，再通过载干比和传输块之间的映射，可以获得信道的传输数据量。通过一段时间的迭代，可以计算出 网络的吞吐率。 (6) 结果统计。通过用户的载干比和吞吐率的计算，可以统计出网络的容量、用户平均吞吐率，小区边 缘用户吞吐率以及用户的覆盖率。再与网络规划的指标进行比较，修正网络的配置参数。 利用仿真对网络规划和演进方案进行评估。基站的站间距、用户密度及数据流量用作系统的输入，小 区的平均吞吐率和边缘吞吐率作为系统的输出。与性能目标相比，得出给定的网络规划和演进方案是否满 足目标需求。
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仿真结果及分析 作为一个具体的实例，本文将根据第二章给出的网络演进方案中的宏基站加密和宏基站增强两个方面
对演进方案进行评估。对于宏基站加密，我们将对各种站间距下的网络性能进行评估，来获得满足网络目 标所需的系统密集程度；对于宏站增强，我们将考虑加入室内分布式天线系统（简称室分）。通过各演进 方案的仿真结果，我们分析其对系统性能的改进程度，为实现网络性能的增强提供依据。 在仿真中，我们选择广东省普通城区做为参考。在这些地区，我们收集建筑分布，用户分布，网络数 据，然后用它们来建模一个虚拟城市。针对所构建的虚拟城市网络模型，我们通过仿真分析研究不同的网 络规划和演进方案能够得到的效果，为一个达到整个系统性能指标的网络制定建设和演进方案。 在仿真中，我们选择普通城区/居民区作为仿真场景。根据中国移动研究院的定义，在普通城区场景 中，话务密度较高，数据流量较大。建筑明显区分为建筑群，平均高度 18 米，主要包括普通住宅区、县城 等场景。在建筑物规模上，典型建筑物占地面积为 900 平方米，占地比例为 25%，建筑物的三维实现示例 如图 1 所示。用户均匀分布在地面和每个楼层。在用户数据业务量上，我们考虑从 0.5GB 到 10GB 的用户月 数据使用量。详细的网络配置参数如表 1 所示。 表 1 仿真参数配置 系统类型 上下行配比 频点 系统带宽 基站扇区数 天线数 发射功率
TD-LTE DwPTS:GP:UpPTS=3:9:2 1.9GHz 20MHz 3 基站 8 天线；用户 2 天线 基站 46dBm；用户 23dBm
根据中国移动的要求，小区边缘的目标速率为下行 4Mbps 和上行 512kbps，目标用户平均速率为 20~30Mbps。仿真将在不同的用户密度下改变站间距和室分的配置来评估不同配置下的网络是否能达到目标 的要求。
图 1 仿真时所模拟的城市模型 - 95 http://www.sjie.org/
3.1 宏站部署 在针对场景下只采用宏站部署时，系统的性能（包括小区平均吞吐率和边缘吞吐率）主要由用户密 度、用户的业务量以及站间距决定。用户的业务量越大，吞吐率越低。当用户的业务量一定时，站间距越 小，用户密度越小，吞吐率越高，反之则越低。另外，系统性能主要在上行边缘吞吐率上受限。从图 2 可以 看出，当用户密度较低时，站间距 600 米可满足网络的性能目标。图 3 展示了高用户密度的情况，只有在较 低业务量情况下站间距 500~600 米才可满足要求。当业务量增长时必须通过其他手段满足上下行边缘速率 和平均速率要求，可以考虑采用加入室内分布式天线系统改善系统性能。
图 2 低用户密度宏站部署结果
图 3 高用户密度宏站部署结果
3.2 宏站加室分 图 4~ 图 5 给出了高用户密度下在宏站的基础上加入室内分布式天线系统的性能。在本仿真中分别选择 10%和 30%覆盖最差的建筑加入室分系统，每层楼布放一组室分天线。从图中可以看出，与图 3 结果相比增 加了室分系统以后上下行边缘吞吐率和平均吞吐率都有提高。站间距 700 米的宏站加 30%的楼宇部署室分 只有在很低业务量时可满足上下行边缘速率及平均速率要求，当业务量继续增加时则无法满足要求。站间 距 500 米的宏站加 30%的楼宇部署室分在中高业务量时都可满足上下行边缘速率及平均速率要求，当业务 量继续增加时需考虑其他提高容量的手段满足要求，如增加微站。
图 4 700 米站间距宏站加室分结果 - 96 http://www.sjie.org/
图 5 500 米站间距宏站加室分结果
3.3 仿真总结 本节例证了如何制定普通城区场景下 F 频段（1.9GHz）新建 TD-LTE 网络的网络规划及演进方案。仿 真根据不同的 LTE 用户密度和不同的业务量大小两个维度，估算不同站间距下的宏基站和宏基站加室分部 署是否可满足上下行小区边缘用户速率及平均速率要求。结果主要体现为上行小区边缘用户速率受限较为 明显。在用户密度较低时，站间距 500~600 米的宏基站即可满足上下行边缘速率及平均速率要求。宏基站 加入室分部署可在一定程度上帮助提升性能满足要求，例如宏基站站间距 700 米时加入 30%室分可在人均 数据量较低时满足要求，但在人均数据量较高时仍然无法满足要求，需要考虑其他手段。当用户密度升高 及人均数据量增加到一定程度时，需要综合考虑多种手段来满足要求，例如宏基站扩容，宏基站加密，或 者增加小基站等。
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结语 本文研究了 TD-LTE 网络规划与性能评估方法。TD-LTE 网络是以无线数据通信为主的高速网络，由其
复杂的物理层、链路层及网络层技术所决定，其系统性能需要进行系统级网络仿真才能精确评估。为满足 日益增长的用户数量和网内数据流量的需求，本文提出了 TD-LTE 网络规划及网络演进方案，主要包括宏基 站增强、宏基站加密和增加微基站，并给出了 TD-LTE 网络规划与性能评估方法。基于典型的 TD-LTE 网络 场景，例证了网络规划与性能评估方法针对宏基站增强和宏基站加密这两种网络演进方案的应用，通过系 统级仿真对不同参数配置下的网络进行性能评估，并获得了满足系统性能需求的参数配置。结果表明该网 络规划和性能评估方法可以为 TD-LTE 网络部署提供指导，并为未来网络演进方案选择和策略制定提供重要 的参考。
REFERENCES [1]
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[2]
Cisco, “Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2011-2015”, www.cisco.com
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UMTS forum, “Mobile traffic forecasts 2010-2020”, www.umts-forum.org
[4]
Ajay R Mishra, Advanced Cellular Network Planning and Optimization. John Wiley & Sons Press, 2007
[5]
3GPP TR 36.942, “Radio Frequency (RF) System Scenarios”, version 11.0.0 Release 11
【作者简介】 1
李晖晖（1975-），男，汉族，硕士，
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李 挺 （ 1971- ） ， 男 ， 汉 族 ， 硕
工程师，移动通信，1999 年毕业于中山
士，工程师，移动通信，1993 年
大学。
毕业于浙江大学。
Email: lihuihui@gd.chinamobile.com
Email: liting@gd.chinamobile.com
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李蕾（1976-），女，汉族，博士，高
4
张萌（1979-），女，汉族，博士，高
级系统工程师，主要研究领域包括无线
级工程师，研究方向为移动通讯网络新
系统管理，异构网技术以及无线网络演
技术，网络演进及多网协同等。2005 年
进等，2006 年于清华大学获得博士学
于香港科技大学获博士学位。
位。Email: lei.m.li@ericsson.com
Email: judy.zhang@ericsson.com
5
余其胜（1976-），男，汉族，工科
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Peter Butovitsch （ 1965- ） ， 男 ， 博
学士，高级无线网络方案经理，移
士，技术总监，主要研究领域是未来无
动通信无线接入网方案，2001 年于
线技术和网络，包括 LTE、宽带无线解
西北工业大学计算机系。
决方案、异构网络、C-RAN、RAN 传输
Email: danny.yu@ericsson.com
方案等，1994 年于瑞典皇家理工学院获 得博士学位。 Email: peter.butovitsch@ericsson.com
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