SPAN eNPS领航TD-LTE网络规划

智慧棒

引言
随着TD-LTE的重要性日益凸显，与之配套网络规划优化系统的研发也逐渐提上日程。在TD-LTE无线网络组网建设过程中需要经过规划、组网、优化、扩容等几个阶段，每个阶段需要相应的工具协助工程师完成相应的工作。TD-LTE无线网络规划软件应提供包括链路预算、场强预测、容量仿真、干扰分析、频点规划等功能，同时还应该包括点分析、面分析等分析和优化功能，协助设计院用户、主设备厂家、运营商对LTE系统组网进行规划设计和扩容分析等。
大唐移动秉承“敢为天下先”的创业精神，矢志不渝地致力于提升“中国创造”在全球通信领域的品质和产品。为抢占4G发展先机，大唐移动凭借敏锐的市场嗅觉，于2011年推出了业界首款TD-SCDMA/TD-LTE等多制式规划仿真软件，目前已经得到了广泛应用，成功助力运营商持续提升网络性能，不断提升用户感知。
1  eNPS软件创新技术
eNPS软件（大唐移动TD-LTE规划软件）集网络仿真和网络规划两大功能于一体，基于TD-SCDMA规划软件NPS开发，完全向下兼容TD-SCDMA网络规划功能，能够提供包括网络预规划，网络仿真，网络无线参数规划等全套的解决方案。但由于LTE系统采用的新技术以及由此产生的新特性，使得传统的基于静态Monte Carlo方法的仿真已不再适用于仿真LTE网络，需要对其进行较大的改造或者引入动态仿真，给LTE网络规划软件的研究、设计、开发带来了一系列挑战。LTE网络规划软件比传统的规划软件复杂很多。从仿真算法设计到软件实现，与TD-SCDMA规划软件相比，eNPS软件主要在以下技术难点上进行了创新：
LTE 调度模拟
与以往3G系统使用“专用信道”进行数据传输不同，为了更好的满足各业务的QoS需求，LTE系统引入了“共享信道”机制，通过动态资源分配实现小区内各业务、各用户的资源共享，为各业务灵活、高效地利用系统提供的时域、频域、空域资源提供了可能。相比HSDPA等已有技术，LTE的调度维数增多、调度资源的粒度更加细化，包括物理层的时间、频率、MIMO方式、UE距离、MCS等级，链路层的PS业务调度和应用层的VoIP调度等，甚至小区间干扰协调也成为一种与调度相关的重要因素。因此，调度算法的优劣将直接影响LTE系统的网络性能。之前3G系统的PF、RR、Max C/I等调度算法都未很好的考虑不同业务的QoS特性，而为了满足LTE系统不同业务的QoS需求，eNPS软件中为了保证各UE/RB的QoS需求对经典PF调度算法进行改进。
eNPS软件进行下行调度时，调度器位于eNodeB的MAC层，eNodeB可以准确的获知每个无线承载（RB，Radio Bearer）的缓冲区数据量，因此下行以RB为单位进行资源分配。eNPS软件针对GBR和N-GBR承载首先按照3GPP规范中QCI要求进行分层，然后对同层内的无线承载（RB）进行时域和频域分别调度。时域调度确定了每TTI内待调度的RB数目，频域调度为时域调度确定的RB分配具体的PRB资源，同时确定每个RB使用的MCS等级，针对N-GBR承载分配资源时eNPS软件中创新性地提出了资源缩放因子的思想，为N-GBR承载设置资源分配上限，确保了资源分配充足时，尽可能多的满足多用户的QoS需求。
eNPS软件进行上行调度时，调度器位于eNodeB的MAC层，eNodeB无法准确的获知每个无线承载（RB）的缓冲区数据量，UE需要进行BSR上报，因此上行以UE为单位进行资源分配。eNPS软件在进行上行调度时针对UE的N-GBR承载提出了A-MBR的资源上限限制，以最大化保证多业务的QoS需求。
LTE系统子帧间负荷均衡和ICIC
针对TD-LTE系统帧结构特性，即上下行子帧在时域分开的情况，利用ICIC在频域中减少小区间干扰的思想，LTE规划工具设计出时域减少系统干扰的子帧间负荷均衡算法，对于连续同向的子帧通过动态地设置负荷门限来均衡子帧间的资源占用率，从而在时域中减少系统干扰。
ICIC主要是通过小区间协调的方式对边缘用户资源的使用进行限制，包括限制哪些时频资源可用，或者在一定的时频资源上限制其发射功率，来达到避免和降低干扰，保证边缘覆盖速率的目的。eNPS软件中考虑了静态ICIC和半静态ICIC两种ICIC策略。对于静态ICIC提出了频率复用因子为3的边缘用户和中心用户频域规划方案。对于半静态ICIC策略，上行基于HII和OI、下行基于RNTP进行负荷信息交互分别对边缘用户和中心用户进行频率使用限制。
eNPS软件提供了两种中心用户和边缘用户的判断方法：A3时间和Geometry值。为了能更好的减少小区间干扰，eNPS软件针对TD-LTE系统特性，创新性地提出了子帧减负荷的思想，从时域平缓连续同向子帧间的负荷，以便减少小区间干扰。
LTE系统容量估算
与TD-SCDMA R4业务不同，类似于HSPA，LTE系统小区的容量不仅与信道配置和参数配置有关，还与调度算法、小区间干扰协调（ICIC）算法、多天线技术的选取等因素有关。
由于LTE系统引入的共享信道的机制，使得其容量估算不能按照R4业务容量估算的方法如等效爱尔兰法、坎贝尔法来进行。eNPS软件中提供了单独的功能模块用于LTE系统进行链路预算和容量估算功能，使得链路预算和容量估算更加便捷方便。
eNPS软件容量估算功能针对不同的帧结构类型，可以计算出不同的峰值速率。容量估算模块主要计算和分析不同控制域大小范围内PDCCH可传输资源的大小，进而根据PDCCH不同格式估算单个下行子帧PDCCH资源能够支持的最大同时调度用户数。
上行容量估算：
考虑因素：系统带宽、天线端口号、特殊子帧配置、控制域占用OFDM符号、下行速率、码字数目、PBCH、同步信号、DMRS信息、码率等；
下行容量估算：
考虑因素：系统带宽、天线端口号、PRACH信息、UpPTS配置信息、SRS信息、码率等。
PCI规划
由于LTE系统几乎全部的物理信道都是有PCI加扰的，因此LTE系统中PCI的规划显得尤为重要。
LTE系统中物理层小区ID ，其中，物理层ID组标识范围为0～167，组内物理层ID标识范围为0、1、2。和分别代表辅同步信号（SSC）和主同步信号（PSC）的序列索引号。
eNPS软件中目前对物理小区ID的自动规划，建议主要考虑广播信道、同步信道(PSC、SSC)、下行参考信号CRS以及物理控制格式指示信道对于小区ID配置的要求。
对于上行参考信号，其对物理小区ID规划的约束主要考虑用30个小区为一个复用簇的方法来实现，同一复用簇中小区ZC序列相关性较好，但由于现网中网络拓扑往往不是理想拓扑，且簇内小区间ZC序列相关性和各簇交界处的小区间的差异暂无法评估，故对于上行参考信号对物理小区ID规划的约束暂不考虑。
对于PDCCH、PHICH、PUCCH、PRACH这些信道，由于其资源的大小和位置与高层参数以及用户数有关，其资源位置和大小都具有比较大的随机性，因此，暂不考虑这几个信道对物理小区ID规划的影响。
LTE参数自动规划优化：
为了更好地体现LTE系统的特性，eNPS软件中引入了LTE参数自动规划优化功能模块。优化准则为RSRQ>0dB的概率为90%，RSRP>-95dBm的概率为95%。统计区域为用户画的多边形的范围(用户可以选择图层比如PlanArea、业务密度图层，或通过选择集的群编辑功能指定)，用户可以选择是否调整该区域涉及到的扇区参数。用户还可根据自定义的优化准则对LTE系统参数进行自动优化。
eNPS软件分别对天线下倾角、CRS功率、天线挂高、方位角、同站小区夹角范围进行自动规划和优化。
2  eNPS软件南京LTE实验网仿真
利用中国移动通信集团设计院提供的南京20米精度栅格地图，针对大唐移动承建的南京TD-LTE实验网进行仿真，仿真总面积为11.724平方公里，分布65个基站。本仿真基于TD-LTE的上下行子帧配置1（DSUUD），其中上行子帧所占比例为2/5，特殊子帧配置2，系统带宽为10MHz，中心频点38050。仿真过程中，基于Geometry的方法进行小区中心/边缘用户划分，其中边缘用户比例固定为20%。
在网络规划方案中，为了使通用传播模型能够更好的反映规划区域实际的无线传播环境，通常需要进行传播模型校正工作。南京市江宁片区传播模型校正后参数见表1所示。

                               
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表1　传播模型参数校正

业务图层权重
移动通信网络的大部分服务区域的无线环境一般可分为密集市区、一般市区、郊区和农村4大类基本区域，还可能包括山地、沙漠、草原、林区湖泊、海面、岛屿等广阔的人烟稀少地区。为了使用户分布更为合理，使仿真结果更加接近于实际情况，TD-LTE规划软件中对于业务图层的Dom权重进行了设置，目的是为了在蒙特卡洛仿真过程中，在实际环境中用户较少的地方，比如水域，绿地等地貌相对的少撒一些用户，在密集市区等环境下播撒较多的用户。
业务类型分布
目前LTE中GBR业务主要包括VoIP、Gaming和Video Stream等业务。
VoIP业务：对于不同的语音编码器，GBR速率也不相同。目前平台上对于12.2k(语音编码器输出的速率)的语音业务，GBR速率设为8.5kbit/s。
Video Stream业务：对于不同的业务模型参数，也有不同的GBR速率。目前主流的设置为32k或64k；目前TD-LTE规划软件实现时采用的模型参数对应的是64kbit/s。
目前LTE中N-GBR业务主要包括TCP等业务。
对于TCP业务（HTTP、FTP），则没有GBR速率之说。如果系统资源充足就多分配，速率就高，否则分配的资源少，则传输速度，只要能满足它的最低需求速率要求就可以。目前TD-LTE规划软件实现时FTP业务的最低需求速率为64 kbit/s，HTTP业务的最低需求速率为32 kbit/s。
TCP业务是带反馈的，发送速率高或者低都是可以的，由仿真需求确定设置的速率大小。速率设置的大小差别造成的影响就是速率设的低，接纳的用户就多，速率设的高，接纳的用户就会减少。
在调度算法设计时，VoIP采用半静态调度方式，调度优先级最高，资源分配固定，不能很好地体现该调度算法的性能。为了便于对比，本论文仿真选择了三种典型业务：FTP（N-GBR）；HTTP（N-GBR）；Video Streaming（GBR）；仿真中这三种业务的业务比例设置为25%、35%和40%。

                               
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3  仿真结果及分析
3.1  覆盖图层仿真结果
eNPS网络仿真功能主要输出以下图层有最佳服务小区、最佳服务小区CRS   RSRP、最佳服务小区CRS   RSRQ、最佳服务小区CRS  Srxlev 、最佳服务小区CRS  SIR、最佳服务小区CRS  Interference、最佳服务小区CRS  覆盖概率 、PBCH  SIR、PBCH覆盖概率、PHICH应发射功率、PUCCH应发射功率、PDCCH应发射功率。
3.2  结果分析
在eNPS软件的测试下，规划区内大部分区域处于连续覆盖，全部站址覆盖区域95%以上满足RSRP>-120dBm，满足中国移动LTE建网规范要求。
通过统计，GBR承载（Video Streaming）的QoS要求满意率较N-GBR（FTP、HTTP）承载普遍要高。分析原因可能是GBR承载在调度时的调度优先级高于N-GBR承载所致。由FTP业务和HTTP业务的QoS要求满意率也可以得知调度时HTTP业务的调度优先级高于FTP业务。
由于本次仿真针对实验网仿真，建网初期用户较少，故在仿真过程中资源分配充足，限制用户PRB使用上限会造成GBR承载资源受限的情形。
从容量估算表格可以看出，在20MHZ带宽、帧结构配置1、两天线端口、下行码率0.93、上行码率0.77的前提下，上行边缘用户申请速率512kbps，下行边缘用户申请速率为1Mbps时，下行最多可同时接入85个用户，上行最多可同时接入25个用户。
4  总结
作为业界首款支持TD-SCDMA和TD-LTE共网规划的网络规划软件，SPAN  eNPS在全国多地得到了广泛应用。
eNPS是业界专业、成熟及应用广泛的TD-SCDMA商用仿真平台和TD-LTE规划仿真平台，具有强大的无线网络规划能力，可以大幅提高无线网络规划的效率，降低OPEX，是TD-SCDMA和TD-LTE网络规划的有力工具。
大唐移动TD-LTE规划优化系列产品之TD-LTE规划软件eNPS的前身TD-SCDMA网络规划软件，已经在全国近百个城市进行了TD-SCDMA网络预规划工作，是中国移动在奥运会举办城市唯一使用的一款网络规划工具；而TD-LTE网络规划软件eNPS，已经在南京TD-LTE实验网的的规划和建设中，得到了充分验证。预计未来SPAN  eNPS必将进一步推动TD-LTE商用化的步伐，成为TD-LTE强有力的推手。