高速场景下TD-LTE组网方式优化研究

4G/LTE492013年第17期高速场景下TD-LTE组网方式优化研究收稿日期：2013-09-03移动无线网络在高速场景下会产生多普勒频移，对通信质量造成较大的影响。为最大程度地降低多普勒效应对网络性能的影响，提出了新的LTE组网方式，主要从参数研究、覆盖研究、组网研究等三个层面进行分析，通过方位角预检、俯仰角渐进优化等手段提升高速移动场景下TD-LTE网络的性能。实验证明，该方法能明显提升终端用户的业务体验。（1.中国移动通信集团山东有限公司，山东济南250001；2.中国移动通信集团山东有限公司青岛分公司，山东青岛266000）中图分类号：TN929.5文献标识码：B文章编号：1006-1010(2013)-17-0049-06【摘要】【关键词】TD-LTE高速场景多普勒频移下载速率刘毅1，蔡鹏2，孙春彬2责任编辑：李帅　[e-mail]1引言高速场景下，多普勒效应明显，由此引起的选择性衰弱及频率漂移对通信质量造成较大的影响。研究这种场景下的组网方式，以及最大程度地降低多普勒效应对网络性能的影响是个难题。本文通过创新LTE组网方式，有效降低了无线信号穿透车体或树林等障碍物时产生的穿透损耗及阴影衰落所带来的影响。通过实际测试证明，该覆盖方案大幅提高了网络速率，减少了网络延时，证明了TD-LTE在高速公路上覆盖的可行性，为用户带来了全新业务体验。2高速移动场景难点分析高速公路作为一种比较特殊的场景，其LTE组网方式，受到越来越多的关注。跟普通场景相比，高速移动场景下的移动网络覆盖存在难点，其中主要包括：（1）多普勒频移多普勒频移是由终端和基站之间相对运动造成的，高速场景下这种效应尤其明显。多普勒频移导致UE接收信号和eNodeB发送信号之间存在一个频率偏差，频率偏差会导致UE接收数据符号出现相位旋转，进而影响到数据解调的准确性。由于相位校准算法的相位补偿能力有限，无法从根本上解决多普勒频偏的影响，必然对通信链路质量造成负面影响。2013中国国际信息通信展专刊502013年第17期（2）移动性管理高速公路等高速移动场景与普通场景相比，在每个小区覆盖范围内停留的时间非常短，由于链路质量的恶化，终端用户的小区驻留、接入、重选和切换等通信过程所需的测量和信令交互的时间会更长，而采用常规的宏蜂窝小区覆盖主要考虑的是中低速场景，时延较大的重选、切换和接入等流程很可能无法在单个基站站点覆盖范围内全部完成；同时频繁的切换还会导致用户体验变差，切换掉话的可能性变大。高速移动场景下无线网络覆盖必然需要结合上述特点进行规划和设计，最大程度地保证终端用户的业务需求，提升用户体验。3高速移动场景组网方式研究3.1线性插值算法当多普勒效应达到一定程度时，将会致使一个OFDM符号时间内的监测信道产生畸变，诸如正弦信号的扭曲。这种信道变化通常会破坏OFDM子载波间的正交性，从而导致子载波间干扰（ICI）。另外，一旦发射机和接收机之间出现频率偏移，在接收端将无法得到整数倍的正弦信号循环，最终也会导致不同频率的正弦信号失去正交性。采用preamble格式0～3时，根据PRACH前导信号频偏∆fRA=1/TSEQ=1.25kHz（TSEQ为随机接入前导码preamble的序列长度），可知目前LTE系统本身可以克服小于1.25kHz的频偏。不同preamble格式的序列长度、子载波间隔以及理论可支持的最大覆盖距离比较如表1所示：表1不同preamble格式的比较preamble格式preamble发射窗口TCP/TsTSEQ/TsTGAP/Ts小区最大覆盖距离/kmΔfRA/kHz#01个子帧316824576297614.531251.25#12个子帧21024245761584077.343751.25#22个子帧624049152604829.531251.25#33个子帧210244915221984102.656251.25#4特殊子帧（UpPTS）44840962881.406257.5为了抑制多普勒频移，LTE扩大规模试验中青岛区域上海贝尔的TD-LTE的系统设计采用了诸如线性插值算法等多种方式来补偿频偏，从而保证高速状态下LTE性能的稳定性。目前D频段在120km/h的理论最大频偏大约为290Hz，即使两倍频偏也不超过600Hz，从LTE系统设计角度而言，可以忽略该频偏的影响，意即可以应对120km/h时速的高速移动环境。3.2组网模式创新LTE网络的性能主要受到资源调配和SINR的影响，因此从资源和提升SINR角度考虑组网模式，体现在以下两个方面：（1）异频组网获得更高SINR中国移动TD-LTE4G网络D频段目前共有50M。为了使速率最大化，一个频点使用20M带宽，2个频点占用中间40M带宽，D1频点频点号37900，D2频点频点号38100。在建网初期，大部分网络会使用单载波组网，理论上来说，2个D频段频点可以实现同频组网也可以实现异频组网。如图1所示：图1单载波异频组网示意图如果引入2个频点进行异频组网，频点复用距离将增加，干扰电平随之降低，SINR升高，而SINR与传输速率基本是正相关的。因此使用异频组网的方式可以降低网内干扰、提升下行速率，这是一个有效提升网络质量的创新手段。LTE扩大规模试验中，青岛在青银高速路段上尝试使用异频组网，使SINR的增益提升了28%。（2）3:1时隙配比确保系统资源TD-LTE无线帧长为10ms，包含2个5ms的半帧，4G/LTE512013年第17期这2个半帧的结构可以相同也可以不同。每个半帧又包含5个1ms的子帧，其中前半帧的第二个子帧必须配置为特殊子帧，用于承载DwPTS、GP和UpPTS信号。3GPP建议的TD-LTE的子帧配比共7种，子帧0、子帧5始终配置给下行。D频段在建网初期设置的时隙配比为2:2，而F频段考虑与TDS之间的影响设置为3:1，实际网络中完全可以将D频段设置为3:1以获得更好的下行吞吐率，这样可以将下行时隙从2个增加到3个。由于D频段不需要兼顾对目前TDS网络的影响，特殊子帧配置也可以进行研究以获得更好的吞吐率效果。特殊子帧（子帧1和子帧6）共包含14个OFDM符号（采用常规CP时）或12个OFDM符号（采用扩展CP时）。如果使用F频段，考虑对现网TDS网络产生影响，3GPP建议采用的特殊子帧配比为3:9:2，即为特殊子帧配置5。D频段考虑的是特殊子帧配置7。理论特殊子帧配置为10:2:2可以获得常规时隙75%的吞吐率。所以D频段采用3:1和采用2:2的理论速率比值为：(3+75%)/(2+75%)=1.36，理论上有36%左右的速率提升。根据实验，LTE扩大规模试验中青岛在青银高速实际测试中获得了35%的吞吐率提升。4高速移动场景下优化方式探讨4.1方位角预检和俯仰角渐进优化面对高速场景的TD-LTE优化难题，天线调整是覆盖优化的最主要手段，需要对TD-LTE天线方位角、下倾角等进行专项优化。天馈优化是网络优化的基础之一，是一个长期细致的工作，调整过程中主要涉及方位角和俯仰角。结合实际工作经验，在高速移动场景下需要优先调整方位角，然后调整俯仰角。（1）方位角优化根据实际测试情况和导入工参数据库，可以得到AzimuthDiff的字段，这个字段可以判决出天馈接反及方位角异常的小区，并进行优化调整。由于现场基础数据库往往因多种因素而与实际情况不相符，所以天馈预检放在第一步。基础数据库预检功能，就是通过对测试数据分析，筛选出可疑小区。针对这些小区，需要进行站勘并更新数据库或调整天馈的方位角（使方位角设置与实际覆盖区域一致）设置。步骤1：针对Distance和AzimuthDiff字段进行筛选过滤，过滤出AzimuthDiff大于75°的小区，如表2所示：表2AzimuthDiff大于75°的小区呈现PCI采样点数目最大距离/kmAvgAzimuthDiff/°991730.44135.03163300.1898.63357910.36107.01396290.10153.723973440.35106.55398450.43128.31同一个基站的2个小区（表2中的396和397）存在异常的极有可能是天线接反。根据经验，AzimuthDiff均值应在40°左右。其余小区建议现场核查天线方位角数据准确性。存在两种可能性：1）基础数据库信息不准，需要更新基础数据库；2）基础数据库信息正确，则需要根据实际情况调整方位角，使得天线主瓣方向覆盖测试区域。步骤2：筛选数据透视结果，其中MaxDistance大于500m的小区过滤如表3所示：表3MaxDistance大于500m的小区呈现PCI采样点数目最大距离/kmAvgAzimuthDiff/°2011080.5360.582738050.5719.42核查表3所列小区的基站经纬度及天线挂高等信息，并及时更新到基站数据库中；如果数据库信息准确，则需要根据实际情况调整天馈。（2）俯仰角优化在方位角固化后，通过理想预测及渐进优化两个步骤，完成俯仰角优化。2013中国国际信息通信展专刊522013年第17期1）理想预测方法：在方位角确定的前提下，通过极端RF优化手段，使网络性能达到最佳状态，即预测出优化区域最佳能达到什么状态。通过分析测试数据，找出网络中的“纯干扰小区”和“低效小区”，并将这些“有害小区”关闭，然后测试网络的性能，即为网络的最佳性能。纯干扰小区：指在测试过程中只作为邻区出现的小区，这些小区对测试路段的贡献是纯干扰，判决条件为：占用数为0，且邻区采样点大于一定门限的小区。低效小区：满足以下条件的为低效小区：◆在测试过程中占用很少，但作为邻区出现的次数很多；◆作为服务小区时，RSRP高于-86dBm，且SINR低于10dB（说明占用路段存在其它小区对该路段也有较强覆盖）。2）渐进优化方法：在获得网络最佳状态信息后，恢复网络原貌，通过RF调整优化，使得网络实际情况逼近最佳状态。在得到网络的最佳预测性能后，恢复关闭小区的功率发射。通过优化调整，使得网络性能逐渐逼近最佳的过程，即为渐进优化。渐进优化按照执行顺序，包括：方位角二次微调、俯仰角调整、发射功率调整。这样对RF进行优化调整，可以起到事半功倍的结果。实际测试中，青银高速的RF优化调整进站次数控制在2次以内，极大降低了对既有站点的物业影响。主占小区从72个降低到54个，整体小区占用序列更加优化和流畅，切换成功率也保持在100%，最终天线调整对实际道路吞吐量的增益达到了25%。4.2引入PRB承载效率TM模式在实际优化中要根据具体的SINR来进行设置。通常采用SINR对应的吞吐率来进行分析，设定TM传输模式的相关参数。但在高速移动模式下，经常发现资源调度对具体吞吐率存在影响，导致评估出现偏差。所以为更好表征对速率的增益情况，定义一个新指标：PRB承载效率，具体定义为：（DLPDCP速率/时域指配数）/频率指配数，其物理意义是每个PRB上承载的有效比特数。引入该指标，可以避免资源调度对评估的影响，更好地看到高速移动场景下TM3和TM8的设置对速率的影响，指导具体参数的设置。青银高速区域的实际TD-LTE网络的测试结果分析如图2所示。根据测试结果，当SINR低于12dB时，TM8的传输效率更高；而SINR高于15dB时，TM3更高。所以，建议设置小区的初始transmissionMode为TM8，提升小区边缘速率。根据图2，设置TM8/3转换门限为12dB，offset为3dB。设置后整条道路具有TM3的占比达到66%，同时TM8占比达到34%，这样整体分布比较合理，整个高0200400600800100012001400TM3TM8TM8区域TM3区域Offset设置参考PRB承载效率图2TM3/8承载效率对比图/bitSINR/dB4G/LTE532013年第17期速道路上的吞吐率性能获得了提升。5高速场景优化阶段成果经过几轮的工程优化及参数调整，机场高速（车速100～120km/h）的下行FTP实测均值基本可保持在20Mbps以上，证明了高速场景TD-L