1、TDLTE无线网络规划设计初级TD-LTE无线网络规划设计第一章 概述1.1.LTE发展概况LTE (Long Term Evolution)是3GPP于2004年11月启动的UMTS技术长期演进项目，分为FDD(频分双工)方式的LTE和TDD(时分双工)方式的LTE，其中TDD方式的LTE又由于演进路线的不同分为LTE TDD1和LTETDD2。我国从2005年开始推动LTE的TDD方案(LTE TDD2方式)的研究并被3GPP所接受，之后由我国大力推动并通过多方努力，目前两种TDD方式已经融为一种，统称为TD-LTE。TD-LTE同时也被确定为TD-SCDMA标准的后续演进技术。1.2.系
2、统架构1.2.1.LTE系统网络架构在3GPP的长期演进(Long Term Evolution，LTE)项目中，对LTE系统提出了严格的时延需求。其中，控制面时延由LTE空闲态转移到激活态时延要求为100ms，休眠态转移到激活态的时延要求为50ms；对于用户面时延，UE或RAN边缘节点IP层分组数据至RAN边缘节点或UEIP层分组数据的单向传输时间要求为5ms。为了满足如上要求，除空中接口无线帧长度、TTI (Transmitting Time Interval)等变化以缩短空中接口的时延之外，3GPP对网络结构也进行了优化和演进，尽量减少通信路径上的节点跳数，从而减少网络中的传输时延。同3
3、GPP既有系统相似的是， LTE无线接入网与核心网仍然遵循各自发展的原则，空中接口终止在无线接入网。因此，无线接入网与核心网的逻辑关系仍然存在，无线接入网与核心网的接口也依然明晰。从整体上说，与3GPP既有系统类似， LTE系统架构仍然分为两部分，如图1-1所示，包括演进后的核心网EPC(即图中的MME/S-GW)和演进后的接入网E-UTRAN演进后的系统仅存在分组交换域。从整体上说，与3GPP既有系统类似， LTE系统架构仍然分为两部分，如图1-1所示，包括演进后的核心网EPC（即图中的MME/S-GW）和演进后的接入网E-UTRAN。演进后的系统仅存在分组交换域。LTE接入网仅由eNode
4、 B(evolved Nonde B)组成，提供到UE的E-UTRA控制面与用户面的协议终止点。eNode B之间通过X2接口进行连接，并且在需要通信的两个eNode B之间总是存在X2接口，如为了支持LTE激活状态下不同eNode B之间的切换，源eNode B与目标eNode B之间会存在X2接口。LTE接入网与核心网之间通过S1接口进行连接，S1接口支持多对多连接方式。与3G系统的网络架构相比，接入网仅包括eNode B一种逻辑节点，网络架构中的节点数量减少，网络架构更加趋于扁平化。这种扁平化的网络架构带来的好处是降低了呼叫建立时延以及用户数据的传输时延，并且由于减少了逻辑节点，也会带来
5、OPEX与CAPEX的降低。如图1-2所示，由于eNode B与MME/S-GW之间具有灵活的连接(S1-flex)， UE在移动过程中仍然可以驻留在相同的MME/S-GW上，这将有助于减少接口信令交互数量以及MME/S-GW的处理负荷。当MME/S-GW与eNode B之间的连接路径相当长或进行新的资源分配时，与UE连接的MME/S-GW也可能会改变。eNode B是E-UTRAN侧的S1接入点，MME或S-GW是EPC侧的Sl接入点。E-UTRAN与EPC之间可以具有多个Sl接入点，每一个S1接入点都应满足S1接口定义的需求，并满足S1接口所有的功能。定义E-UTRAN架构及E-UTRAN
6、接口的工作主要遵循了以下基本原则。(1)信令与数据传输在逻辑上是独立的。 (2) E-UTRAN与EPC在功能上是分开的。E-UTRAN与EPC的寻址方案与传输功能的寻址方案不能绑定。(3) RRC连接的移动性管理完全由E-UTRAN进行控制，使得核心网对于无线资源的处理不可见。(4) E-UTRAN接口上的功能应定义得尽量简化，选项应尽可能的少。 (5)多个逻辑节点可以在同一个物理网元上实现。(6) Sl/X2接口是开放的逻辑接口，应满足不同厂家设备之间的互联互通。1.2.2.E-UTRAN与EPC的功能划分如上节所述， LTE系统架构包括E-UTRAN与EPC，其中E-UTRAN（即无线部
7、分）主要由eNode B组成，取消了3G中的RNC； EPC则分为MME和S-GW。因此，LTE的主要逻辑节点可以分为eNode B、MME和S-GW，以下将分别对每种逻辑节点进行阐述。eNode B为无线接入节点，其功能主要包括：(1)无线资源管理功能：无线承载控制、无线接入控制、连接移动性控制、UE的上/下行动态资源分配（调度）；(2) IP头压缩及用户数据流加密；(3) UE附着时的MME选择；(4)路由用户面数据至服务网关；(5)寻呼消息的组织和发送（由MME产生）； (6)广播信息的组织和发送（由MME或O&M产生）； (7)以移动性或调度为目的的测量及测量报告配置。 MME处理控制
8、平面功能，主要包括：(1)非接入层(Non-Access Stratum，NAS)信令的处理；(2)分发寻呼消息至eNode B； (3)接入层安全控制； (4)移动性管理涉及核心网节点之间的信令控制；(5)空闲状态移动性控制；(6) SAE承载控制；(7) NAS信令的加密与完整性保护；(8)跟踪区列表管理； (9) PDN GW与S-GW选择；(10)向2G/3G切换时的SGSN选择；(11)漫游；(12)鉴权。 S-GW处理用户平面功能，主要包括：( 1)终止因为寻呼产生的用户面数据；(2)支持UE移动性的用户面切换；(3)合法监听；(4)分组数据的路由与转发；(5)传输层分组数据的标记
9、；(6)运营商间计费的数据统计； (7)用户计费。 图1-3描述了逻辑节点(eNode B、MME、S-GW)、功能实体以及协议层之间的关系以及功能划分。1.3.业务承载 1.3.1.移动通信市场需求现状和趋势当前，语音业务仍然是移动通信业务收入的主要来源，但是非语音业务的地位正日益提高，业务发展重点也在不断改变。最初几年，短信业务占据非语音业务收入的主体地位。2005年以后，3G技术和设备逐渐成熟，网络覆盖和终端性能都有了很大的提高，尤其是2006年HSDPA开始在全球规模商用，全面提升了用户体验，大大推动了移动数据业务的发展。2007年是3G业务市场的转折点，伴随着3G增强型技术的普及和发
10、展，3G特色业务成为推动移动运营商增加收入的主要驱动力。从移动数据收入在总收入中的占比历史数据可以看出，主流运营商的移动数据业务收入比重都呈现上升趋势，这一趋势在2006年之后更加明显，而这些运营商的HSDPA网络大多从2006年开始商用。移动数据业务的兴起带来了很多新应用和新市场，这些新的应用体现了用户对业务和带宽的需求也在发生着变化，呈现出新的趋势。1.3.1.1.用户对业务的需求 1.3.1.1.1.趋势1：移动互联网在全球LTE融合的大趋势下，移动网与互联网的融合日趋明显，大量源自互联网的业务被移植到移动互联网上，即时消息、博客、电子邮件等都已经在移动互联网上获得了良好的应用。人们开始
11、体会到移动互联网的方便和魅力，越来越期望通过无线网络获得与固定互联网同样的速率和体验。同时，互联网在人们的生活和工作中深入渗透，随时随地通过无线宽带接入互联网的需求呈现出井喷的趋势。根据预测，未来5年，无线宽带上网将会占据全部移动网络总流量的56%，成为占用网络带宽和容量最大的业务。1.3.1.1.2.趋势2：生活化工作化目前移动增值业务中，娱乐类业务占主导。人们主要还是在闲暇的时候使用移动业务来解闷。而随着业务和网络技术的发展，改善人们生活和工作的业务将会越来越普及，这些业务在各类用户需求中都是最受欢迎的，全面覆盖用户的各类需求。移动业务能够满足用户日常生活和工作的需要，为用户的生活带来了极
12、大的便利。只需携带一部多功能手机终端，用户即可畅行无阻。移动支付、移动导航、远程医疗、移动办公、移动视频会议等，体现在人们生活和工作的方方面面。1.3.1.1.3.趋势3：视频化作为一种最直观的内容表现形式，视频业务一直受到用户的推崇。但是，在网络发展初期，带宽的局限使得视频业务的发展举步维艰。3G网络成为视频业务飞速发展的催化剂，以视频作为表现形式的业务将越来越多。根据预测，未来手持终端中，视频类业务将会占据网络总流量的28%，成为第二大流量业务。NTT DoCoMo等国际先进的3G运营商的数据业务中，增长最快的都是移动视频类业务。由于视频类业务对带宽的需求较高，也直接导致了这些运营商对移动
13、宽带技术的需求非常急迫。1.3.1.1.4.趋势4：物联网物联网的兴起和发展无疑将会开创出一个蓝海，用户从人-人通信到人-物、物-物通信的扩充，将会使移动运营商的市场饱和瓶颈出现重大转折。未来人-物、物-物之间的通信和信息联络将会对网络提出更大、更高的需求，也将推动新一代宽带无线接入技术的发展和普及，也将成为未来业务发展一片广阔的蓝海。我们所了解的互联网正在发生剧烈的改变，一开始，它只是一个局限在象牙塔里的少数人的交流工具，之后，它变成了一个广泛商业化、以消费者为核心的网络。现在，它要雄心勃勃地普及，与人互动并变得智能化。不光人与人之间，在物与物之间，随时随地的实时交流都变得可能。1.3.1.
14、2.用户对网络带宽的需求 在3G商用之前，用户基于2G网络（包括GPRS、EDGE、CDMA lx等增强型技术）使用语音和中低速的数据业务，业务类型主要基于文字和图片类内容，带宽都在100kbit/s以内。这时，人们还没有移动宽带的体验，对业务的需求也没有那么丰富和高要求。随着3G的发展和普及，人们开始体验到移动多媒体业务和移动互联网业务，而这些业务对网络带宽的需求则达到了100500kbit/s不等。3G最大的作用就是激发了人们对移动数据业务的需求，使人们从打电话、发短信，逐步发展到用手机娱乐，并开始体验由此带来的生活和工作中的便利。如前所述，随着人们对移动数据业务需求的爆发，无线宽带上网、
15、移动视频、家庭和企业客户类业务将成为未来发展的主流业务，这些业务对无线网络的带宽需求增长到1Mbit/s以上，企业级别的高清视频会议等大带宽业务，更是需要8Mbit/s以上的带宽才能够满足。移动宽带的需求一下子变得日益紧迫。1.3.2.LTE FDD/TD-LTE与2G/3G网络业务承载能力对比 用户对带宽的需求在不断地增长，推动无线网络不断演进和发展。有人会问，即使按照发展趋势的要求，未来几年也仅需要1Mbit/s的带宽就可以满足绝大部分业务需求，3G不是可以达到2Mbit/s甚至十几Mbit/s的速率吗？为什么还要发展下一代宽带无线接入技术呢？这个问题属于无线通信技术共有的问题。3G、LT
16、E乃至4G宣传和公布的速率都是系统的峰值速率，而用户使用业务需要的是网络能够提供给每个用户的平均速率。3G的HSPA峰值速率可以达到14.4Mbit/s，而实际网络的单载波平均吞吐量是2.5Mbit/s。而这2.5Mbit/s也不是一个用户独享的，而是由本小区的用户所共享。按照典型的网络配置和用户规模计算，平均每用户能够使用的带宽是200300kbit/s。LTE和WiMAX同样有峰值速率和实际平均速率问题。当然，不同的技术设计、不同的算法、不同的频率配置、不同的网络环境等因素会影响平均吞吐量， 技术越先进，应该越接近峰值吞吐量。随着移动视频类业务的普及和发展，随着人们对无线宽带上网需求的日益
17、提升，用户数和用户的使用量必将快速增长。届时，就急需一个大带宽、高容量的新型网络来提供支撑。通过研究多媒体业务对带宽的需求，我们发现，未来承载在iPhone等大屏幕移动互联网终端上的高清视频业务，需要平均800bit/s的网络速率才能够有较好的用户体验：即使是移动数据卡和上网本的无线宽带互联网接入服务，用户也期待能够达到至少12Mbit/s的速率。而3G对于这些大容量带宽需求的业务无法提供规模商用后的良好支撑，用户会感觉业务体验没有想象中的好，网络容量和速率的压力巨大。因此，当3G开始快速发展的时候，很多传统的移动运营商，特别是主流的移动运营商都在全力推动LTE的产业化。3G对移动数据业务的发
18、展起到了很好的推动作用，但是受限于网络承载能力的局限性，大规模推动和普及移动多媒体业务和移动互联网业务，仅仅依靠3G是很难实现的。而LTE对于多媒体业务和移动互联网业务的良好承载，将掀开无线宽带时代的真实篇章。1.3.3.移动宽带业务和应用的发展趋势 作为新一代宽带无线接入技术的主流技术，LTE在网络能力和成本上都较3G有着明显的优势。通过前面的对比分析也可以看出， LTE能够满足未来四大趋势业务的需求，全面承载移动互联网、视频类、家庭和企业类以及物联网类业务应用。与3G发展的阶段类似，受限于手持终端的丰富程度不足和功能性不强的问题，以及网络覆盖不到位，LTE需要逐步完善，从业务的发展来看，移
19、动宽带业务将会沿着不同的阶段逐步发展。（1）LTE在发展初期，由于网络覆盖还不到位，终端类型也以较容易实现的USB数据卡、CPE类终端为主；业务的发展将会以纯无线数据业务为主，满足个人、家庭、企业客户的上网需求。无线宽带上网业务最能直接体现带宽和速率提升，但同时也是对网络带宽占用最大的业务。从NTT DoCoMo等3G主流运营商的业务发展可以看出，无线宽带上网是在初期发展最快的业务。(2) LTE在发展期阶段，网络覆盖开始扩大，终端也从单一的数据类终端，发展到推出移动智能手持终端。此时，将会为用户提供全方位的移动宽带服务；为家庭用户提供丰富的家庭类服务，包括高清视频、视频电话、家庭监控、远程教
20、育、娱乐等业务；为企业客户提供移动办公和行业类应用服务，包括移动监控、移动视频会议等。此阶段为业务极大丰富的阶段，用户开始快速增长。(3) LTE大规模发展阶段。这个阶段应该算是LTE发展的成熟阶段，网络覆盖基本到位，终端涵盖上网卡、CPE、智能手机、行业终端等各种类型。此时，将会全方位提供包括语音业务在内的各类型通信业务，成为业务承载的主导网络。业务应用开始渗透到社会的各个角落，大大提高人们生活的便利性和效率，为社会信息化和经济的发展提供坚实的基础。第二章 宏峰窝网络规划2.2.1.规划流程TD-LTE宏蜂窝网络规划流程可以分成需求分析、预规划、站址规划、网络仿真、无线资源及参数规划5个阶段
21、，具体流程图如下：图2-1 TD-LTE无线网络规划流程图在需求分析阶段，首先应明确建网策略，提出相应的建网指标，并搜集到准确而丰富的现网GSM/TD-SCDMA基站数据、地理信息数据、业务需求数据，这些数据都是TD-LTE无线网络规划的重要输入。网络规模估算主要是通过覆盖和容量估算来确定网络建设的基本规模，在进行覆盖估算时首先应了解当地的传播模型，然后通过链路预算来确定不同区域的小区覆盖半径，从而估算出满足覆盖需求的基站数量。容量估算则是分析在一定时隙及站型配置的条件下，TD-LTE网络可承载的系统容量，并计算是否可以满足用户的容量需求。在站址规划阶段，主要工作是依据链路预算的建议值，结合目
22、前网络站址资源情况，进行站址布局工作，并在确定站点初步布局后，结合现有资料或现场勘测来进行站点可用性分析，确定目前覆盖区域可用的共址站点和需新建的站点。可用站址主要依据无线环境、传输资源、电源、机房条件、天面条件及工程可实施性等方面综合确定。完成初步的站址规划后，需要进一步将站址规划方案输入到TD-LTE规划仿真软件中进行覆盖及容量仿真分析，仿真分析流程包括规划数据导入、传播预测、邻区规划、时隙和频率规划、用户和业务模型配置以及蒙特卡罗仿真，通过分析仿真输出结果，可以进一步评估目前规划方案是否可以满足覆盖及容量目标，如存在部分区域不能满足要求，则需要对规划方案进行调整修改，使得规划方案最终满足
23、规划目标。在利用规划软件进行详细规划评估之后，就可以输出详细的无线参数，主要包括天线高度、方向角、下倾角等小区基本参数、邻区规划参数、频率规划参数、PCI参数等，并根据具体情况进行TA规划，同时无线网络规划也需要提出相应的传输、配套电源等资源需求，这些资源需求及规划参数最终将作为规划方案输出提交给后续的工程设计及优化使用。2.2.网络建设需求分析2.2.1.业务需求预测业务需求预测主要是根据业务发展过程的历史和现实，综合各方面的信息，运用定性和定量的科学分析方法，提炼出业务发展过程中的客观规律，并对各影响因素之间的联系及作用机制做出科学的分析，指出业务未来发展的可能途径与结果。业务预测的三要素
24、是理论、方法与数据。理论即系统理论，业务预测只有在系统理论的指导下，通过考察业务发展现象与业务系统各组成因素间的联系及作用机制，做出科学的分析，才能构造符合客观实际的数学模型，更好地揭示业务发展的规律，从而做出更准确的预测。方法即数学方法，应用数学可以使对业务发展的分析定量化、精确化。但是，数学建模必须是系统理论的指导下进行，同时对数学处理得到的结果也必须从业务发展的角度进行评价和解释，判断其是否具有意义。数据即统计数据，用数学方法建立业务预测模型必须要掌握大量的数据，用来进行参数估计、趋势拟合及参数检验等，最后还要用这些历史数据对未来进行预测。数据必须真实可靠，否则预测结果将没有意义可言。常
25、用的数学预测模型较多，但是，由于各种预测模型基于的系统理论与历史数据不同，实际选用的预测方法也不尽相同，下面分用户规模和业务量两大类分别进行论述。2.2.1.1.用户规模预测2.2.1.1.1.预测方法概述用户规模预测首先要分析需要预测的业务种类，然后对使用每类业务的用户进行分类预测。通常来说，目前用于用户规模预测的方法主要有曲线拟合法、普及率法、类比法、饱合曲线法、统计分析法、业务渗透法和主体用户法。下面从业务预测方法的预测原理、适用业务、所需系统数据、应用或建立数学模型及各种预测方法的优劣性等几个方面对常用的业务预测方法逐一进行分析。(1)曲线拟合法预测原理：曲线拟合法，它反映了业务发展的
26、一种趋势。其原理是基于用户发展的历史数据，根据其规律推测未来移动用户的发展情况。适用业务：较适用于系统发展历程清晰，易判断其发展趋势，开放时间较长，历史数据积累较多且较翔实的业务预测。系统数据：经济发展水平、人口总体规模。数学模型：不同的曲线其增长特性不同，因此适用于不同的业务发展阶段。主要模型有线性、多项式曲线、对数曲线、指数曲线、幂函数曲线、生长曲线模型等。结果判别：利用曲线拟合后相关系数R2进行判断。优劣势：曲线拟合法只考虑了历史因素，其近期预测结果有参考性，远期预测结果偏差较大。 (2)普及率法预测原理：普及率法是通过业务普及率横、纵向比较，确定目标年的普及率，然后按照目标年的人口发展
27、规模预测用户需求。适用业务：适用于普及率历史数据详尽及积累较多的业务，特别是由于经济发展水平不同，造成普及率与所比较对象普及率间存在一定规律的业务。系统数据：需要有可比对象的相关普及率数据及人口规模。数学模型：普及率比较结果可作为建模的依据。优劣势：普及率法主要是从数据比较间发现二者间存在的规律，并以此作为数学建模的依据，准确性与说服性稍差，同时由于基数大造成预测结果误差较大。 (3)类比法预测原理：类比法是选取年龄构成、生活方式、消费观念具有类似性的发展超前地区，与其用户普及率或用户发展过程相类比，得到相关规律，从而预测本地业务预测结果。适用业务：适用于普及率或用户数历史数据详尽及积累较多的
28、业务，特别是经济发展水平、人民收入水平、用户消费习惯、用户发展历程有相似点的业务。系统数据：需要有可比对象的相关业务发展数据、普及率数据、经济发展数据、人口规模数据及消费习惯等。数学模型：业务发展历程的比较可作为建模的依据。优劣势：类比法主要是从数据比较间发现二者间存在的规律，并以此作为数学建模依据，影响因素考虑不够。 (4)饱合曲线法预测原理：任何事物的发展都有其极限，虽然不同事物在不同情况下具有不同的发展极限，但是根据具体事物发展的现实条件加以分析，可以大致确定出该现象的最终发展目标，也就是说，事物的发展到最后将趋向饱和。饱合曲线法是在适龄人群移动电话普及率较高的情况下，从适龄人群移动电话
29、普及的角度考虑移动电话发展的极限值，从而预测移动电话的发展。适用业务：较适用于经济发达、适龄人群业务普及率较高的业务。系统数据：人口规模，适龄人群比例，经济发展水平。数学模型：饱合曲线。饱合曲线的概念实际上类似于生物的成长过程，一般来说，生物在其发展的初期速度总是相对慢一点，然后经过一段时间的孕育，便进入高速成长期，以这种高成长速度增长到一定的时候，便进入到成熟期，此时生物的生长变得缓慢，甚至有可能陷于停滞状态。优劣势：相对于经济发达地区或普及率较高地区从极限发展上确定其极限值，对于远期结果预测有参考价值。(5)统计分析法预测原理：统计分析法主要是利用人口、收入等大量的统计数据及其分布规律，结
30、合移动电话消费发展趋势情况，推测移动用户未来的发展趋势。适用业务：系统基础数据齐全，积累数据较多的业务预测。系统数据：总人口规模，城镇人口规模，农村人口规模及家庭户规模，流动人口特性与数量，城镇人口与农村家庭户拥有移动电话量。数学模型：与普及率法相似。优劣势：统计分析法从不同人群的收入、消费出发进行宏观分析、类比，其结果对于预测结果的取定具有一定的旁证和参考作用。 (6)业务渗透法预测原理：分析当前业务在全国同一业务市场中的渗透率，结合业务发展策略与定位，确定目标期渗透率，从而得到业务预测结果。适用业务：各项业务，特别是市场占有率不高，易受外界因素影响的业务。数学模型：与普及率法相似。系统数据
31、：同一业务全国业务市场规模，业务分流能力。优劣势：同普及率法。 (7)主体用户法预测原理：分析当前使用业务的主体人群构成，结合当地人群的特征统计数据，测算业务潜在主体用户，并考虑实际主体用户占潜在主体用户的比例、实际主体用户与总用户的比例，从而计算出总用户数。适用业务：拟开放的业务定位明确的新业务。数学模型：与普及率法相似。系统数据：用户结构，当地人群收入、年龄、文化程度等特征。优劣势：由于预测是从业务定位的用户群预测开始的，所以对于拟开放新业务十分适用，预测结果十分具有参考性。2.2.1.1.2.应用建议根据上面对业务预测方法应用的分析，结合中国移动开放业务所具备的预测要素特征，通常对于移动
32、通信总用户这类历史数据积累较为详尽的数据预测可采用曲线拟合法、普及率法、类比法、饱合曲线法和统计分析法，而对于新开展的业务用户规模预测可采用类比法、业务渗透法和主体用户法。2.2.1.2.业务量预测系统承载的业务量是制定无线网规划方案的重要输入依据，它直接决定着通信网络系统的建设规模和服务能力，所以业务量预测是无线通信系统规划设计的首要环节，是合理安排网络建设规模以及投资计划的基础，对整个无线网络规划设计具有举足轻重的意义。无线网络业务量预测通常是基于用户规模预测结果来进行进一步分析，当前常用的方法可以归纳为三类，分别是趋势外推法、单机业务量乘用户数预测法和计费时长（总数据流量）预测法，下面分别进行论述。2.2.1.2.1.趋势外推法趋势外推法(Trend extrapolation)是根据过去和现在的
