LTE上行链路的容量和覆盖
来源:优橙教育 时间:2021-03-02 15:02:22
概述
LTE上行链路使用的是SC-FDMA技术,也叫DFT-S-OFDM(DFT-Spread OFDM)。这个技术通过为每个OFDM符号前置循环前缀(CP,Cyclic Prefix),来保证小区内不同UE之间的正交性,前提是每个UE保持和基站的时间同步。
图1 能够完美估算多径的时间前提下的采样窗口
能够实现小区内的正交性是LTE的频谱效率比WCDMA高2到3倍的主要原因。而且,SC-FDMA波形中的CP有助于简化eNodeB的接收器设计,即简化接收器的频域的均衡器设计,这也进一步提高了上行链路的频谱效率。
影响LTE上行链路容量的因素如表1所示:
影响LTE上行链路容量的因素 |
说明 |
---|---|
较短的子帧长度(1毫秒),较低的HARQ双向时间(Round-Trip Time,RTT),8毫秒 |
减少时延,提高数据发送几率 |
较低的解调参考信号开销 |
每14个子帧中有2个解调参考信号开销 |
较低的控制信道开销 |
每100个子帧中有16个控制信道开销 |
MMSE均衡器 |
属于基本的DFT接收器 |
小区内正交性(用户之间较低的干扰) |
受益于SC-FDMA+CP+时间同步 |
功率控制和干扰避免策略 |
频率复用系数等于1 |
半持续调度 |
对于周期性地频繁发送小数据包的业务来说(如VoIP),可以避免控制信道限制 |
以较好的颗粒度(180KHz)分配频分复用资源 |
窄带分配能提高小区边缘的性能(噪声受限的情况) |
表1 影响上行链路容量的因素
在下面的讨论中,LTE的部署场景被设定为10MHz带宽、20dB建筑物穿透损耗、3km/h的UE移动速度。根据3GPP的术语,我们称eNodeB间距为500米的情况为Case 1;eNodeB间距为1732米的情况为Case 3。
上行链路的容量
1 影响上行链路容量的因素
1.1 上行链路的频率复用和干扰缓和(mitigation)
频率复用系数达到1对最大化频谱效率是非常有必要的。需要指出的是,这意味着一个小区的数据信道和控制信道会对另一个小区产生干扰,特别是距离很近的相邻小区。为了避免小区边缘的低吞吐量表现,使用干扰缓和技术(mitigation)是非常有必要的。从小区的全局角度出发,干扰缓和技术能在小区边缘性能和平均频谱效率之间找到平衡。这些干扰缓和技术包括:
协调coordination和规避avoidance;
小区间的干扰随机化(interference randomization);
频域扩展(spreading);
慢速功率控制;
1.2 控制信道资源区和数据信道资源区分离情况下的干扰管理
为上行控制信道(PUCCH)分配的频域资源与为上行数据信道(PUSCH)分配的频域资源是分开的,而且在系统带宽中处于靠近边缘的区域,这样的配置使得控制信道和数据信道的IOT可以分开管理,而对干扰缓和技术做的优化也可以彼此独立进行(比如,可以对PUSCH和PUCCH采取不同的优化功率控制算法)。而且,特定的控制信道资源、用来传送CQI(Channel Quality Indicators)的码(codes),以及ACK/NACK的设计思路可以减少小区间和小区内的控制信道彼此之间的干扰。
1.3 上行链路功率控制和干扰管理
优化上行系统容量时,功率控制室非常重要的。每个UE队服务小区的参考信号(Reference Symbols,RSs)进行路径损耗测量,以确定需要多大的发射功率以补偿部分路径损耗;到底补偿多少“部分”的路径损耗,由eNodeB根据总的频谱效率和小区边缘性能两者的权衡来作出决定,并由闭环功控命令来执行。
功率控制可以和频域资源的分配策略(包含干扰协调技术)相结合,这样能够进一步提高小区边缘性能,提高总的频谱效率。结合干扰协调/干扰规避技术的上行资源分配策略没有在LTE规范中定义,而是属于设备商的商业机密。一种可能的上行链路干扰协调技术是安排几个相邻小区中有可比较的路径损耗的UE在同一块时频资源向基站发送。平均来说,将几个相邻小区中有相似信道质量的UE放进同一个组能产生最好的小区边缘性能,因为这个策略避免了边缘UE对其所靠近的相邻小区的eNodeB的强干扰(特别是eNodeB天线的前后比比较低,造成小区之间较大的干扰)。
相反地,将相邻小区中信道质量不同的UE放在一起对信道质量较好的UE有利,因此能提高它们的峰值传输速率,并提高小区的总吞吐量。
经过上述干扰协调技术处理后残余的上行链路干扰可以用eNodeB接收端的相关技术来消除,比如部署多个接收天线并使用波束赋形技术,或者使用IRC(Interference Rejection Combining)接收器。
1.4 上行链路的控制信道开销
在任何无线通信系统中,频谱效率都必须兼顾数据传输和控制信令传输。有多少传输资源被用于控制信令取决于所要求的错误率(典型值是控制信令的传输错误率不高于1%)、数据包的大小(小的数据包,如VoIP,产生更高百分比的控制信令开销),以及能够接受的从空闲态到激活态的切换时间。数据传输可以使用控制信令分配完之后剩下的任何传输资源,因此最小化控制信令是提高数据频谱效率的关键。
2 上行链路容量估算
表2和表3显示了部署场景case 1和部署场景case 3的频谱效率和小区边缘用户的吞吐量(基于尽力而为的全缓冲流量模式)。这两张表格同时显示了相对Release-6 UMTS上行链路(HSUPA)的性能提高,提高的原因已经在表1中总结了。
|
频谱效率 |
小区边缘用户吞吐量 |
|
||
---|---|---|---|---|---|
Tx-Rx结构 |
bps/Hz/Cell |
x HSUPA |
bps/Hz/User |
x HSUPA |
平均IOT(dB) |
基本HSUPA |
0.332 |
x 1.0 |
0.009 |
x 1.0 |
5.1 |
LTE 1x2 |
0.735 |
x 2.2 |
0.024 |
x 2.5 |
5.2 |
LTE 1x2 MU-MIMO |
0.675 |
x 2.0 |
0.023 |
x 2.4 |
5.2 |
LTE 1x4 |
1.103 |
x 3.3 |
0.052 |
x 5.5 |
5.1 |
LTE 2x2 MU-MIMO |
0.776 |
x 2.3 |
0.010 |
x 1.1 |
5.5 |
表2 Case 1 LTE性能评估
|
频谱效率 |
小区边缘用户吞吐量 |
|
||
---|---|---|---|---|---|
Tx-Rx结构 |
bps/Hz/Cell |
x HSUPA |
bps/Hz/User |
x HSUPA |
平均IOT(dB) |
基本HSUPA |
0.316 |
x 1.0 |
0.0023 |
x 1.0 |
5.1 |
LTE 1x2 |
0.681 |
x 2.2 |
0.0044 |
x 2.0 |
4.5 |
LTE 1x2 MU-MIMO |
0.622 |
x 2.0 |
0.0023 |
x 1.0 |
5.0 |
LTE 1x4 |
1.38 |
x 3.3 |
0.0094 |
x 4.2 |
2.7 |
表3 Case 3 LTE性能评估
表4比较了LTE和其它的无线接入技术。在5MHz载频、每个小区8个FTP用户的条件下,比较上传10MB数据所需要的时间。显然,LTE耗时最少。
网络 |
名义带宽(MHz) |
最大吞吐量(Mbps) |
用户平均吞吐量a(Kbps) |
10MB数据上传时间b(s) |
---|---|---|---|---|
UMTS(R99) |
5.0 |
0.384 |
32-90 |
~890 |
CDMA 2000 EVDO Rev. B |
5.0 |
5.4 |
50-200 |
~385 |
HSUPA(R6) |
5.0 |
5.74 |
60-200 |
~385 |
WiMAX |
5.0 (TDD) |
1.7 |
48-135 |
~590 |
LTE |
5.0 |
10.0 |
147-460 |
~174 |
表4 不同的无线接入技术上传10MB数据所需要的时间
其中a25-8 FTP用户/小区;b8 FTP用户/小区
上行链路的覆盖和链路预算
象LTE这样一个成熟的蜂窝通信系统不仅要有良好的的小区边缘性能,而且需要确保覆盖区域内各种信道之间的平衡。
显示了LTE各上行信道满足一定要求情况下的覆盖范围,包括传递CQI和ACK/NACK信息的PUCCH信道(距离基站大约900米)、PRACH信道(Format 2,超过800米)和提供12.2kbps AMR VoIP业务的PUSCH信道(距离eNodeB 800米)。同时显示的还有支持的小区边缘的最大PUSCH速率(5kbps,距离eNodeB 1000米),以及5MHz FDD带宽下支持的PUSCH最高数据速率(9.2Mbps,距离eNodeB大约100米)。链路预算的更多细节参见表8。
图2 Case 3情况下的LTE UL信道覆盖范围(5MHz FDD)
表6提供了上行链路预算需要的SINR参考目标值。表7提供了上行ACK/NACK信令的BER目标值。
上行控制信道 |
目标ER所需要的ES/N0 |
参考取值 |
---|---|---|
ACK/NACK - PUCCH |
ES/N0=-7.5dB |
[15-18] |
P(NACK->ACK) =10-4 |
||
P(ACK->NACK) =10-2 |
||
P(DTX->ACK) =10-2 |
||
CQI -PUCCH |
ES/N0=-7.5dB(5-bit)for 1% BLER |
[17,19,20] |
ES/N0=-4.5dB(10-bit)for 1% BLER |
||
PRACH |
ES/N0=-13.5dB for 1% PER |
[10,15,17] |
表6 目标差错率之下的UL ES/N0,5MHz载频
事件 |
目标ER所需要的ES/N0 |
---|---|
ACK missed detection |
10-2 |
DTX to ACK error |
10-2 |
NACK to ACK error |
10-4 |
CQI block error rate |
10-2和10-1之间 |
表7 上行ACK/NACK信令的BER目标值
计算Case 3场景的链路预算时,假设对应98%单小区稳定覆盖的对数正态阴影余量是12.1dB,且传播模型是
Propagation损耗=128.1 +37.6log(距离)
距离单位是米。再假设其它上行链路预算的参数参考表8,则在基于单个RB(1毫秒)PUSCH传输的情况下,整个小区只能支持5kbps的上行传输速率(参见图2)。在距离eNodeB 1000米的位置,传输损耗(即路径损耗 - 天线增益 + 对数正态阴影余量 +人体/建筑物穿透损耗)是146.2 dB,上行(包括下行)控制信道必须能够容忍这个程度的损耗,以确保98%的小区稳定覆盖。
上行信道类型 |
N. retx |
N. RBs |
Mod. |
距离(米) |
Tx Pwr (dBm) |
Tx Loss (dB) |
每子载波 |
||
Rx Pwr(dBm) |
(IO+N0)W (dBm) |
SINR (dB) |
|||||||
VoIP,12.2kbps |
4 |
1 |
2 |
829 |
24.0 |
143.1 |
-122.9 |
-124.2 |
1.3 |
VoIP,12.2kbps |
2 |
1 |
2 |
724 |
24.0 |
140.9 |
-122.9 |
-124.2 |
1.3 |
PUSCH,5kbps |
0 |
1 |
2 |
1000 |
24.0 |
146.2 |
-133.0 |
-124.2 |
-8.8 |
PUSCH,9Mbps |
0 |
20 |
4 |
101 |
24.0 |
108.8 |
-108.6 |
-124.2 |
15.6 |
CQI,10-bits(1% FER) |
0 |
1 |
2 |
770 |
24.0 |
141.9 |
-128.7 |
-124.2 |
-4.5 |
CQI,4-bits(1% FER) |
0 |
1 |
2 |
922 |
24.0 |
144.9 |
-131.7 |
-124.2 |
-7.5 |
PRACH,Format 2 |
0 |
6 |
2 |
830 |
24.0 |
143.2 |
-137.7 |
-124.2 |
-13.5 |
A/N,1-bit(1% P(FA)) |
0 |
1 |
1 |
925 |
24.0 |
144.9 |
-131.7 |
-124.2 |
-7.5 |
表8 场景Case 3 LTE上行链路预算,eNodeB配置两个接收天线
天线增益+馈线损耗 =14dB;穿透和人体损耗 =20dB;干扰余量3dB;
对数正态阴影余量=12.1dB;98%的小区稳定覆盖;VoIP使用4TTI捆绑
基于上述假设,我们可以来讨论覆盖空洞:
l 经由PUCCH的1比特 ACK/NACK和4比特 CQI。图2显示的1比特 ACK/NACK和4比特 CQI都是通过PUCCH传输,但两者之间存在大约1.3dB的差距(146.2 -144.9dB)。引入重复因子2或许能帮助弥补这个覆盖空洞。
l PRACH覆盖。为了达成98%的小区稳定覆盖,RACH前缀突发脉冲(2x800微秒)必须重复发送,因为PRACH format 2只支持800米的覆盖半径(事实上一个Zadoff-Chu根序列支持0.78公理的覆盖范围)。
小结
上面叙述了影响基于SC-FDMA的LTE上行链路的容量和覆盖的主要因素。与上行链路的覆盖相关的因素会影响LTE网络的设计规划,包括资源块(resource block)的大小,TTI的长度,以及控制信道的设计。
对这些因素的深入评估将获得一系列的LTE性能度量标准。这些度量标准包括:平均吞吐量、小区边缘吞吐量、VoIP用户的数量、FTP下载时间等等。可以用这些度量标准来比较LTE系统和其它无线通信系统。
根据实际的网络部署情况,eNodeB需要平衡考虑平均吞吐量、小区边缘覆盖和公平使用。