爱立信（中国）通信有限公司LTE产品专家 堵久辉

LTE FDD外场性能研究

爱立信（中国）通信有限公司LTE产品专家 堵久辉

本文讨论了LTE的理论峰值与对应信噪比的关系，通过国内某运营商预商用网络测试结果与全球领先运营商的商用性能进行了横向对比，并通过对比测试展示了爱立信LTE产品性能优势。

自2008年底3GPP发布了LTE第一个标准版本Rel-8，到2009年底北欧运营商TeliaSonera率先商用，再到2013年7月韩国运营商全球首次商用Rel-10关键技术之一的载波聚合功能，LTE标准化与商用推进的步伐从未停歇。根据GSA统计，截至2014年2月底，LTE已在全球101个国家的274个运营商获得商用，发展势头之迅猛远超之前所有通信技术。

随着2013年12月4日工业和信息化部在其网站的一“纸”公告，国内开启了4G（第四代移动通信技术）即LTE在中国大陆正式商用的大门。尽管本次官方只向中国移动、中国电信和中国联通发放了TDD LTE（或TD-LTE）牌照，但实际上部分运营商也同时启动了LTE FDD试验网的筹备和部署，以技术储备及积累网络组网经验。

技术层面上，我们是否可以期望其他国家和地区的全球领先运营商在LTE网络部署及与商用性能方面的经验和结论能够简单地照搬到中国？答案是否定的。诚然，一些共性的部署经验及技术问题是可以借鉴和规避的，但是由于部署频段、供货厂商、采购设备、站址条件、应用场景及业务等差异将导致LTE网络性能和用户体验不尽相同。因此，在中国大陆的实际部署条件下进行LTE性能研究是十分必要和非常重要的。

本文以某运营商在中国南方某省的示范片区为例，针对LTE FDD外场性能方面进行验证和探讨，以期对未来中国LTE特别是LTE FDD的部署和发展提供参考。

理论分析与需求

3G向4G演进的背后驱动力是移动设备新服务的创新和发展，并通过可用于移动通信系统的技术进步来实现。从通信技术本身来看，LTE相对3G标准是革命性的。为支持以数据交换类型为核心的新业务，特别是互联网产业带动的IP业务，LTE无线接口的主要底层设计参数有：数据速率、延迟、容量、频谱效率等。本文重点关注数据速率。为了获得峰值速率所需要达到的信道条件，可由香农公式推导出：

图1 信噪比与带宽利用率之间对应关系

图2 应用覆盖APP coverage

其中，Eb是每信息比特的接收能量，N0是噪声功率谱密度（单位为W/Hz），无线链路带宽利用率定义为γ=R/BW，R为通信的信息速率，BW是通信可用的带宽。更直观地理解信噪比与带宽利用率之间的对应关系可参见图1的实例。

以LTE FDD下行链路为例，20MHz系统带宽下的物理层理论峰值速率为150Mbit/s。将这两个数据代入上式可以得到信噪比需求至少为(27.5-1)/7.5 = 24dB。但从3GPP协议角度来看，这种计算并不严谨。为获得Rel-8标准的理论峰值速率，协议规定需要选择传输块大小TB size为75376比特，对应的MCS需要达到28。这里的SINR由基站根据UE的信道质量信息CQI反馈计算得到，并且多高SINR才能影射到MCS28并实现峰值速率传输还与系统厂商实现算法和终端解调能力有关。实际网络中，通常需要30dB左右的信噪比才能获得理论峰值速率。

上述速率为物理层传输速率，而实际应用通常考虑PDCP层速率，假定误块率BLER为10%，可简单折算PDCP层速率为物理层传输速率的90%。对网络运营商而言，用户体验尤为重要，是激烈市场竞争中吸引新老用户、树立品牌和口碑的根基。因此，爱立信结合全球商用经验提出了应用覆盖APP coverage的概念，如图2所示。智能手机及相关应用已经成为移动通信的主流，因此如何保障终端用户获得主流应用的良好体验成为网络运营商差异性的重要体现，同时分组交流类业务的接通率、掉线率等传统网络关键性能指标KPI也不再像电路交换类业务那么敏感。图2中三个百分比对应网络覆盖，三个数字为各覆盖百分比下应保障的应用层速率，单位为Mbit/s，其值可能因不同运营商而不同。但是为了确保主流应用的良好用户体验及网络性能竞争优势，爱立信建议值为1、10、30。通常，商用网络测试表明：90%点的连续覆盖速率约为50%点的平均覆盖速率的1/3。

以LTE发展最为活跃的美、日、韩为例，PCMagazine测试报告：北美LTE FDD网络中AT&T性能较好（15MHz带宽），但只有17Mbit/s的平均速率和8Mbit/s的连续覆盖速率，仍有一定的优化空间。相对而言，Signals Research在东京和首尔的测试结果更优异：其中东京为软银TDD LTE商用网络，平均速率和连续覆盖速率为31Mbit/s和10Mbit/s；而LGU+在首尔应用3GPP Rel-10的载波聚合（10+10MHz带宽）技术后达到了62Mbit/s的平均速率和20Mbit/s的连续覆盖速率，为业界树立了新的性能标杆。

测试片区及测试工具和方法

如本文开始所讨论，部署频段、供货厂商、采购设备、站址条件、应用场景及业务等差异将导致各运营商的LTE网络性能和用户体验不尽相同。为此，我们选择了中国南方某省的一个LTE FDD建设示范区域进行测试，其网络状态可被视为预商用网络状态。示范区如下图蓝色虚线框所示，9个连片的基站，带宽20MHz (1.8G)，平均站间距950米，覆盖面积6平方公里，平均站高32米。测试地点情况如图3所示。

测试使用了两类终端，分别为Quanta D2 (CAT3)，HISI E5375 (CAT4)。测试软件使用CDS7.1版本。对于上下行速率测试采用单UE在网络中分开进行上下行测试的方法，其中下行使用FTP业务，上行使用UDP业务。

测试结果

本次道路测试线路以及通过CAT3 UE获得的CRS-RSRP和CRS-SINR打点图如图4所示，可见该片区的覆盖优化状态良好。

采用CAT3 UE进行道路测试获得的上下行PDCP速率分布如图5所示。

上述测试结果为采用CAT3和CAT4两类终端获得各性能指标累积分布函数CDF中50%点即统计平均的数值。考虑CAT3和CAT4两类终端进行测试是因为：当前商用终端大多为CAT3，其测试结果代表了大多数终端的用户体验；而CAT4终端具有更高能力，可以充分体现出测试片区的网络承载潜力。

实际商用网络中，由于多用户联合调度以及小区间一定程度干扰等因素的存在，通常平均速率为理论峰值速率的三分之一左右，以CAT3 UE为例，约为100/3=33Mbit/s，与本文第二章给出的应用覆盖推荐均值所对应。表格中好色高亮所示的测试结果远好于该指标是由于该片区经过了深度优化，其20MHz系统带宽性能与本文第二章第三方咨询机构展示的LGU+在首尔应用了载波聚合（10+10MHz带宽）后速率基本一致，相互印证。

除了以上提到的深度优化等专业通信网络服务外，还有一些通用方法可改善应用覆盖以进一步提升更优异的用户体验，简单罗列如下，以供参考。

● 应用更多系统带宽以及载波聚合，韩国、日本等国家尤为突出。韩国三大运营商均已完成了双载波以及10+10MHz载波聚合商用，最新获得的第三个频点也将尽快应用，甚至各别运营商在未来5年内规划到了第7个频点。

● 采用更先进功能以提高频谱效率如多天线技术应用与增强、上行多点联合调度COMP等，其主要目的是解决相对较高网络负荷下的小区间干扰问题，通过联合调度将邻小区较强干扰信号转变为有用信号以重点改善小区边界的终端用户体验。

● 除频谱和软件功能外，缩短终端与网络天线端口的距离也是行之有效的异构组网发展方向，具体来讲，如在话务量密集区域引入小基站并与所属宏基站进行良好协调。

图5 采用CAT3 UE进行道路测试获得的上下行PDCP速率分布

图6 爱立信2T2R产品与友商2T4R产品的性能比较

图7 加拿大某运营商AWS (2.1G) 频段10MHz带宽 LTE FDD网络测得的产品性能比较曲线

● 对于LTE发展较慢或覆盖不佳的运营商，可以在部署过程中加强LTE与现网2G/3G的网间互操作和负载均衡等多网融合技术。

产品性能

为衡量爱立信LTE产品性能及业界水平，我们与某国内领先设备商的产品性能进行外场对比测试，测试终端与方法同上。测试片区情况为：站间距约为600米，73个站中绝大多数为2T4R产品。

图6展示了爱立信2T2R产品与友商2T4R产品的性能比较，测试结果显示：在覆盖中差情况下两产品性能接近：良好覆盖情况下爱立信产品稳定而友商性能较差且波动严重。理论上讲，2T4R产品比2T2R产品多一倍的接收通道，可获得3dB左右的接收分集增益。这与爱立信在全球不同网络中执行类似产品性能的对等测试的结论相同，即爱立信的上行链路具有至少3dB的性能优势。

图7是加拿大某运营商AWS (2.1G)频段10MHz带宽 LTE FDD网络测得的产品性能比较曲线，该曲线在对不同友商的产品性能对比中具有典型特性。爱立信2T2R比该友商的2T2R至少高出3dB，并且在良好的无线条件下上行速率要好过友商的2T2R约25%。

这3dB优势是一个综合结果，受益于爱立信在硬件设计时采用了高于3GPP标准及竞争对手的设计目标值、选用了性能更好的器件、更稳健而高效的调度算法、更为专业的网络规划优化服务以及更为充分的端到端性能验证等。这一优势可以为运营商在CAPEX和OPEX节省大量投入。

结语

本文讨论了LTE的理论峰值与对应信噪比的关系，通过国内某运营商预商用网络测试结果与全球领先运营商的商用性能进行了横向对比，并通过对比测试展示了爱立信LTE产品性能优势。爱立信认为网络性能和用户体验是体现运营商差异化的重要指标。目前，爱立信在全球有大约50%的LTE市场份额，正是归功于优越的网络性能。我们希望在中国市场上同样展示出优越的网络性能，服务于中国运营商和中国用户。

表 测试结果