0 前言

容量規(guī)劃在整個網(wǎng)絡建設過程中尤其是在網(wǎng)絡建設的初始階段是非常重要的，只有全面正確地掌握LTE網(wǎng)絡承載能力，才能更加準確的評估出LTE無線網(wǎng)絡的建設規(guī)模和確定LTE系統(tǒng)帶寬需求、天線及系統(tǒng)基帶配置等。

與3G采用的碼分多址技術不同，LTE主要基于OFDM和MIMO技術，因此影響LTE網(wǎng)絡容量的各種因素也有所不同；此外FDD LTE的峰值速率和小區(qū)吞吐率由于技術體制的原因，與3G和TD-LTE也有一定的差異，這些差異都需要進行分析和研究，為FDDLTE未來網(wǎng)絡規(guī)劃建設提供技術參考。

1 FDD LTE 容量影響因素

1.1 載波帶寬

LTE系統(tǒng)定義6種不同的系統(tǒng)帶寬，不同系統(tǒng)帶寬下傳輸帶寬和保護帶寬關系如表1所示。


資源塊（RB）表示LTE系統(tǒng)可調度的頻率資源單位組，1個RB由12個子載波組成。系統(tǒng)帶寬配置，直接決定小區(qū)的理論峰值速率，分配給用戶的RB個數(shù)越多，即系統(tǒng)帶寬越高，系統(tǒng)的吞吐量越大。在小區(qū)服務中，系統(tǒng)需要對用戶分配帶寬資源，用戶帶寬資源直接影響用戶的數(shù)據(jù)速率。用戶分配帶寬由兩個因素決定，一是激活用戶數(shù)目，二是資源分配算法。

1.2 循環(huán)前綴（CP）長度

CP長度需要大于無線信道的最大時延擴展，以避免嚴重的符號間干擾（ISI）和子載波間干擾（ICI）。CP又不能過長，過大的CP開銷會帶來額外的頻譜效率損失。在LTE 系統(tǒng)中，正常CP 的CP 開銷=（5.21+6×4.67）/500=6.67%；擴展CP 的CP 開銷=16.67×6/500=20%。在使用擴展CP時，其傳輸開銷要大于使用正常CP的傳輸開銷，因此在滿足時延擴展的條件下，使用正常CP比使用擴展CP可提供更大的系統(tǒng)容量。

1.3 MIMO 模式

LTE網(wǎng)絡可以根據(jù)實際網(wǎng)絡需要以及天線資源，實現(xiàn)單流分集、多流復用、復用與分集自適應、單流波束賦形、多流波束賦形等，這些技術的使用場景不同，但是都會在一定程度上影響用戶容量。

1.4 上下行控制信道和參考信號開銷

在為控制信令分配資源后，數(shù)據(jù)傳輸可以利用任何剩下的傳輸資源。因此最小化控制信令資源是最大化數(shù)據(jù)頻譜效率的關鍵。除PDCCH和RS外，其余下行控制信道和信號的開銷都與LTE系統(tǒng)使用的帶寬有關。各個控制信道和信號的開銷如下（NRB為LTE系統(tǒng)分配的RB數(shù)量）：

a）系統(tǒng)帶寬較寬情況下PUCCH所占系統(tǒng)開銷可以忽略。

b）上行參考信號每個時隙占用1個OFDM符號，開銷比例為1/7=14.3%。

c）PDCCH：當使用1子幀中一個OFDM符號（最小PDCCH分配），控制開銷為7.1%（=1/14）。

d）下行RS：每3個子載波間有一個參考符號，單天線傳輸每個時隙需要2個OFDM符號，下行2天線傳輸需要4 個OFDM 符號，下行4 天線傳輸需要6 個OFDM符號。開銷比例4.8%~14.3%，需考慮與PDCCH重疊情況。

e）PSS和SSS開銷：2×2×6/7/10/2/NRB。

f）PBCH開銷：4×6/7/10/2/ NRB。

g）PCFICH 開銷：4×4/7/2/（12×NRB），需考慮與PDCCH重疊情況。

h）一個PHICH組開銷：12/7/2/（12×NRB），需考慮與PDCCH重疊情況。


表2給出了在不同天線配置和系統(tǒng)帶寬下，下行控制信道和信號的開銷占用度。雖然下行4天線會相比下行2天線的系統(tǒng)開銷要高一些，但4×4 MIMO相比2×2 MIMO的系統(tǒng)容量要增加一倍，增加相應的參考信號開銷是值得的。帶寬越高，系統(tǒng)開銷比重越小，因此建議FDD LTE采用2×20 MHz同頻組網(wǎng)。

1.5 干擾消除技術

LTE系統(tǒng)設計所支持頻率復用因子為1，這意味著一個小區(qū)內的數(shù)據(jù)和控制信道會受到其他小區(qū)的干擾，尤其是最接近的相鄰小區(qū)。為了避免低的小區(qū)邊緣吞吐量性能，采用干擾消除技術很重要，干擾消除技術允許在小區(qū)邊緣性能和整個小區(qū)平均的頻譜效率之間有一個有效的折中。

ICIC技術使用靈活，實現(xiàn)簡單，仿真效果較好，是目前LTE系統(tǒng)抗同頻干擾的主流技術。ICIC從資源限制方式方面可以分為部分頻率復用（FFR）、軟頻率復用（SFR）和全頻率復用3種。SFR和FFR相對于FR=1，下行鏈路邊緣頻譜利用率均有提高，但是SFR相對于FFR來說以更低的整體頻譜利用率的損失，獲得和FFR相近的邊緣頻譜利用率的增益。FFR和SFR在系統(tǒng)低負載時，增益非常有限；在系統(tǒng)中高負荷時對邊緣頻譜利用率有明顯增益；在中等負荷時，對邊緣頻譜利用率增益最大。

1.6 調度方式

LTE的幾乎所有的應用與業(yè)務都是使用共享信道，由于各個業(yè)務與應用對服務質量（QoS）的要求是不同的，因此調度的好壞直接影響的就是QoS是否可以滿足，也即是用戶的使用體驗是否比較好。調度器的主要功能是在不同時間點上為不同的用戶調度各種資源，是基站中最重要的組成部分之一，調度器的設計好壞直接決定了基站的工作效率和實際性能。調度相關的內容絕大多數(shù)是不在標準化工作范圍內，主要是設備實現(xiàn)的問題。調度器在工作時需要考慮多種因素，例如終端所處位置處信道質量、終端緩存狀態(tài)、基站系統(tǒng)資源、業(yè)務優(yōu)先級、用戶優(yōu)先級等，利用合理的調度算法使系統(tǒng)資源利用效率最高，同時盡量保證用戶有更好的使用體驗。

目前在實際商用的FDD LTE系統(tǒng)中應用較多的是改進的比例公平算法，因為該方法可以同時兼顧系統(tǒng)資源利用效率和用戶的使用體驗。在FDD LTE系統(tǒng)部署初期，LTE用戶數(shù)較少時，使用輪詢的方法也基本可以達到類似于比例公平的效果。

2 FDD LTE 同時可調度最大用戶數(shù)

LTE同時能夠得到調度的用戶數(shù)目受限于控制信道的可用資源數(shù)目。同時調度用戶數(shù)的定義為：系統(tǒng)在每個調度周期（1 ms）同時調度的用戶數(shù)，進一步可計算1無線幀（10 ms）時間內可調度的用戶數(shù)。

LTE中PDCCH支持的4種格式如表3所示。


使用于特定PDCCH傳輸?shù)腃CE數(shù)量是由eNode B根據(jù)信道條件決定的。例如，如果PDCCH是針對一個良好下行鏈路信道的UE（如接近eNode B），那么一個CCE可能就夠了。然而，對于信道條件不好的UE，為了充分實現(xiàn)其健壯性，可能需要8個CCE。另外可調整PDCCH的功率水平，以適配信道條件。
PHICH組數(shù)目有4種可能性。



MIB中相應的指示信息分別對應于Ng=1/6、1/2、1或2。其中，Ng=1是上行每一個PRB對應1個HARQ進程的時候所需要的PHICH組數(shù)目；Ng=2是MU-MIMO情況下上行每一個PRB對應2個HARQ進程的時候所需要的PHICH 組數(shù)目；Ng=1/6、1/2 分別對應于1 個HARQ進程占用6個和2個PRB的情況。

在一個子幀時間（1 ms）內，最大可支持用戶數(shù)的計算如下：



式中：

N——最大可同時調度用戶數(shù)

nˉ ——平均一個PDCCH所需的CCE個數(shù)

NPDCCH——調度1個用戶所需的PDCCH數(shù)目，在對稱業(yè)務下通常NPDCCH=2

——使用的PHICH組數(shù)

NPCFICH——PCFICH所占用的RE數(shù)，NPCFICH=16

NRS—— 下行參考信號所占用的PDCCH 所在OFDM符號的RE數(shù)，由信道帶寬決定，在10和20 MHz

帶寬下使用2下行天線NRS分別為200和400

NRE——PDCCH所在OFDM符號的RE總數(shù)，表4給出了在10和20 MHz帶寬下的NRE值



假設調度一個用戶需要2個PDCCH并且LTE系統(tǒng)使用正常CP，表5 給出了在10 和20 MHz 帶寬下PDCCH分別占用1、2、3個OFDM符號且Ng=1時，LTE系統(tǒng)在一幀內（10 ms）內可同時調度的最大用戶數(shù)。



由此可見，在其他條件固定的情況下，PDCCH占用的OFDM符號數(shù)越多，同時可調度的用戶數(shù)越多；PDCCH所使用的格式占用的CCE個數(shù)越多，可同時調度的用戶數(shù)也就越少。

3 FDD LTE 峰值速率

根據(jù)LTE 3GPP標準，1個無線幀包含10個無線子幀，1 個無線子幀包含2 個時隙，每個時隙包含7 個OFDM符號（使用常規(guī)CP），1個OFDM符號包含n 比特信息（使用64QAM，n=6；使用16QAM，n=4；使用QPSK，n=2）。1個無線子幀的時間為1 ms。在使用常規(guī)CP、64QAM調制方式且不考慮開銷的情況下，下行峰值速率為

峰值速率（理想）=（NRB×12×7×2×n）bit/1 ms （4）

假設PDCCH、參考信號、同步信號、信道編碼等開銷為η（可通過1.4節(jié)得出），則理論下行峰值速率為

峰值速率（理論）=C×（1-η）×編碼效率×峰值速率（理想）（5）

其中，當天線模式為雙流傳輸時，C=2；當天線為其他模式時，C=1。

當采用20 MHz帶寬，雙流傳輸，編碼效率為0.9，PDCCH占用1個OFDM符號時，下行理論峰值速率為

2×（1-14.63%）×0.9×（100×12×7×2×6）bit/1 ms=155

上行峰值速率為

（1-14.3%）×0.9×（100×12×7×2×6）bit/1 ms=77.75

在3GPP 36.213規(guī)范中，定義了不同MCS、RB承載下的數(shù)據(jù)塊數(shù)量（TBS），即在一個子幀/傳輸時間間隔（TTI）時間內的最大傳輸比特數(shù)量，TBS直接限制了LTE上下行信道的峰值速率。不同RB和IMCS對應的LTE 網(wǎng)絡上下行峰值速率可查詢3GPP 36.213 中表7.1.7.2.1-1和表7.1.7.2.2-1獲得。圖1給出了在不同MCS和系統(tǒng)帶寬下，單流和使用2×2 MIMO雙流LTE下行信道的峰值速率�？梢钥闯鯩CS越大，LTE下行峰值速率越大，這是由于MCS越大相應的系統(tǒng)開銷就越小，但對信道質量的要求也越高。在使用20 MHz下行系統(tǒng)帶寬（即下行分配100個RB），使用最大MCS方式2×2 MIMO雙流傳輸?shù)那闆r下，LTE下行峰值速率可以達到149.78 Mbit/s，已經(jīng)超出LTE下行100 Mbit/s目標峰值速率50%。在相同RB下，LTE系統(tǒng)的上行峰值速率與單流下行峰值速率相同。當系統(tǒng)帶寬為20MHz時，上行峰值速率為75.376 Mbit/s。



LTE單用戶的上行和下行峰值速率不但與分配的RB 數(shù)量以及MCS 方式有關，還與LTE 終端類型有關。單用戶的峰值速率為：

單用戶峰值速率=min（終端能力，網(wǎng)絡能力）（6）

其中終端能力由參考文獻4列出。

在單用戶測試條件下（即小區(qū)所有資源分配給一個用戶），小區(qū)的峰值速率與UE 的能力有關，在20MHz帶寬、PDCCH占用3個OFDM符號情況下，使用Cat 3 UE實際下行峰值速率只能達到100 Mbit/s，實際上行峰值速率為40~50 Mbit/s；使用Cat 5 UE實際下行峰值速率可達到127 Mbit/s，實際上行峰值速率可達到60 Mbit/s。Cat 5 UE沒有達到理論峰值速率的原因是由于實際測試中PDCCH占用了3個OFDM符號，不能夠使用最大資源塊傳輸有效數(shù)據(jù)，所以沒有達到LTE系統(tǒng)支持的最高峰值速率。

4 FDD LTE 吞吐量

下行吞吐量指標與LTE的PDSCH能力息息相關，主要包括小區(qū)頻譜效率、小區(qū)平均吞吐量指標和小區(qū)邊緣吞吐量指標，其定義如下：

a）小區(qū)頻譜效率：指用戶按照一定規(guī)律分布時，整個小區(qū)的平均吞吐量＝所有小區(qū)吞吐量之和/小區(qū)數(shù)/系統(tǒng)帶寬。

b）小區(qū)平均吞吐量：指用戶按照一定規(guī)律分布時，整個小區(qū)的平均吞吐量＝所有小區(qū)吞吐量之和/小區(qū)數(shù)。

c）小區(qū)邊緣吞吐量：指分布在小區(qū)邊緣的用戶吞吐量，在系統(tǒng)仿真時，邊緣用戶定義為對網(wǎng)絡中所有用戶按照用戶吞吐量的大小降序排列，取5%處的那個用戶。

圖2分別描述了盡力而為全緩沖業(yè)務，Case 1和Case 3部署場景下行信道的頻譜效率、小區(qū)平均用戶吞吐量和小區(qū)邊緣用戶吞吐量，仿真場景是由多個廠家仿真結果進行平均得出。場景使用一個10 MHz帶寬、20 dB的建筑物穿透損耗以及3 km/h的UE速度。

對于eNodeB間距離為500和1 732 m，分別稱之為場景Case 1和場景Case 3。仿真中使用19個站址，每個站址3個扇區(qū)，每個扇區(qū)均勻分布10個用戶。對于LTE，列出了2×2、4×2和4×4天線配置下的系統(tǒng)性能。下行4×2 MIMO天線和下行2×2 MIMO相比，小區(qū)平均下行吞吐率和邊緣用戶下行吞吐率性能提升不大；上行1×4接收分集相比1×2接收分集，小區(qū)平均上行吞吐率和邊緣用戶上行吞吐率性能有明顯提升，可根據(jù)實際LTE網(wǎng)絡部署需求進行天線配置。



圖3給出了6個用戶均勻分布時，實際FDD LTE外場測試扇區(qū)吞吐量結果。相對于10 MHz帶寬，20MHz能夠提升單用戶速率一倍左右。對于上行，小區(qū)吞吐率在不同加載條件下變化均不明顯，因此底噪的抬升對LTE上行容量的影響并不明顯。這是由于對于上行數(shù)據(jù)業(yè)務，空口容量受限于終端發(fā)射功率，隨著無線環(huán)境變差，發(fā)射功率會逐步提升直到最大發(fā)生功率限制，在達到最大發(fā)射功率之前，上行吞吐率基本保持不變。


5 FDD LTE 可容納VoIP 用戶數(shù)

一般情況下，某用戶在使用VoIP進行語音通信時，若98%的數(shù)據(jù)包時延在50 ms以內，則認為該用戶是滿意的。而如果小區(qū)內95%的用戶是滿意的，則認為該小區(qū)所能容納的VoIP用戶總數(shù)為該小區(qū)的VoIP容量。

假設5 MHz系統(tǒng)帶寬語音編碼率為12.2 kbit/s，初傳需要占用2個RB的用戶占50%，需要占用3和4個RB的用戶分別占用40%和10%，為HARQ重傳預留20%的系統(tǒng)資源，PUCCH占用碼道為2 RB，根據(jù)參考文獻3中理論公式，F(xiàn)DD LTE小區(qū)的理論VoIP容量為

由于仿真中使用的IOT、控制信道限制以及調度方案不同，導致不同廠家仿真得到的可容納的VoIP用戶也有所不同。圖4給出了在不同場景下LTE下行可容納VoIP用戶數(shù)，仿真結果由各個廠家的結果平均得出，可見在可承載VoIP數(shù)量方面，主要受限于上行信道。在5MHz帶寬條件下，在Case 1和Case 3仿真場景下FDD LTE上行分別可容納約241和123個VoIP用戶，覆蓋距離的增加也會明顯減小可容納的VoIP用戶數(shù)。


6 結束語

本文首先研究分析了影響LTE系統(tǒng)容量的因素，包括系統(tǒng)帶寬、調度算法、CP長度、上下行鏈路開銷、MIMO、干擾消除等。接著通過峰值速率的研究，計算出在給定系統(tǒng)帶寬下LTE系統(tǒng)理論所能承載的最大用戶吞吐率，研究了在不同系統(tǒng)帶寬下的FDD LTE上下行理論峰值速率，并給出了實際LTE單用戶的峰值速率。LTE系統(tǒng)并發(fā)用戶容量主要受限于調度信令和業(yè)務信道資源，研究分析了在不同信道帶寬和控制信道配置下，F(xiàn)DD LTE系統(tǒng)同時可調度的最大用戶數(shù)。最后通過仿真和實測數(shù)據(jù)分析了FDD LTE系統(tǒng)的小區(qū)平均吞吐量、小區(qū)邊緣用戶吞吐量以及VoIP容量。

通過分析研究FDD LTE網(wǎng)絡容量及其影響因素，對于FDD LTE未來網(wǎng)絡規(guī)模估算以及網(wǎng)絡規(guī)劃都具有實際意義。

參考文獻：

［1］韓志剛，孔力，陳國利，等. LTE FDD技術原理與網(wǎng)絡規(guī)劃［M］. 北京：人民郵電出版社，2012.

［2］SESIA S，TOUFIK I，BAKER. LTE——UMTS長期演進理論與實踐［M］. 馬霓，鄔鋼，張曉博，等，譯. 北京：人民郵電出版社，2009.

［3］肖清華，毛卓華，凌文杰，等. TD-LTE容量能力綜合分析［J］. 郵電設計技術，2012（4）：36-40.

［4］3GPP TS 36.306 V9.7.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；User Equipment（UE）radio access capabilities［S/OL］.［2012-12-09］. http：//www.3gpp.org /ftp/Specs/html-info/36306.htm.

［5］ 3GPP TS G-RAN WG1#49 R1-072444 Summary of Downlink Perfor.mance Evaluation［S/OL］. ［2012-12-09］. http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/wg1_rl1/TSGR1_AH /LTE_Performance_evaluation_April-07/Docs/.

［6］3GPP TS G-RAN WG1#49 R1-072188 Performance Evaluation Check.point：VoIP Summary［S/OL］.［2012-12-09］. http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/wg1_rl1/TSGR1_AH/LTE_Performance_ev aluation_April-07/Docs/.

［7］3GPP TS G-RAN WG1#49 R1-072261 Summary of UL PerformanceEvaluation［S/OL］. ［2012-12-09］. http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/wg1_rl1/TSGR1_AH/LTE_Performance _evaluation_April-07/Docs/.

作者簡介：
李佳俊，畢業(yè)于北京交通大學，工程師，博士，主要從事3G 和LTE 移動通信系統(tǒng)研究；
文博，高級工程師，主要從事移動通信網(wǎng)絡建設相關技術研究；許國平，畢業(yè)于北京郵電大學，高級工程師，博士，主要從事3G/B3G 移動通信系統(tǒng)信號處理技術研究和WCDMA網(wǎng)絡優(yōu)化相關工作。