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TD-LTE無線網絡規(guī)劃技術發(fā)展與挑戰(zhàn)

張玉勝

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

摘 要本文結合中國移動TD-LTE網絡建設情況，針對TD-LTE無線網絡規(guī)劃設計特點，總結了當前TD-LTE無線網絡規(guī)劃技術發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)，提出了工程規(guī)劃設計中相關的應對措施。

關鍵詞TD-LTE；無線網絡規(guī)劃；基站布局結構

張玉勝 博士，教授級高級工程師，國家注冊咨詢工程師（投資）。享受國務院政府特殊津貼?，F任中國移動通信集團設計院有限公司副總工程師、科技委副主任、無線專業(yè)委員會主任，中國通信學會高級會員。曾先后主持、參加了多項國家級、省級大型工程技術項目的技術談判、網絡規(guī)劃、總體方案制定、工程可研報告編制、工程設計及重大技術問題專題研究，獲得國家級、省部級優(yōu)秀工程咨詢和設計獎8項，獲得授權專利和已申請專利5項，出版專著和譯著2本。

回顧TD-LTE的發(fā)展歷程，在我國政府相關部門的指導下，在中國移動積極引領和產業(yè)鏈各方的大力支持下，TD-LTE的發(fā)展日新月異。2010年底國家開始實施重大專項“新一代寬帶無線移動通信網”規(guī)模試驗測試，2012下半年又進行擴大規(guī)模試驗，網絡規(guī)模由6個大中城市擴展到15個大中城市，中國移動積極承擔了網絡建設的艱巨任務，圓滿完成了2.5萬個基站以及相關配套設施的建設，解決了現場測試遇到的各種技術問題，特別是積累了TD-LTE規(guī)劃組網實踐方面的寶貴經驗，同時，也大大促進了整個產業(yè)鏈的發(fā)展進程。2013年12月，工業(yè)和信息化部基于試驗網測試情況，對國內3家運營商發(fā)放了TD-LTE（4G）運營牌照，標志著我國正式進入了4G商業(yè)運營階段。中國移動為滿足廣大用戶飛速增長的數據業(yè)務實際需求,采取了積極進取、建設一張精品4G網絡的策略，實時啟動了中國移動TD-LTE一期工程的建設。在產業(yè)鏈各方的大力支持下，至2014年10月底,已完成了50萬基站的建設以及核心網相關網元的工程改造工作，已經覆蓋了全國300多個城市，縣以上的城區(qū)實現了連續(xù)覆蓋, 業(yè)務上發(fā)展了5 000萬用戶，毫無疑問地成為我國通信行業(yè)發(fā)展最快的技術?？梢哉f中國移動的4G網絡也是全世界規(guī)模最大、覆蓋最廣泛的網絡，為全世界的4G發(fā)展奠定了一個非常巨大的規(guī)模優(yōu)勢。

通過TD-LTE外場規(guī)模試驗、擴大規(guī)模試驗以及中國移動TD-LTE一期工程的建設，產業(yè)鏈可謂從無到有、從弱到強，現已形成了包括系統(tǒng)設備、終端芯片、儀器儀表、應用軟件工具、網絡規(guī)劃和網絡運營等各個環(huán)節(jié)的完整產業(yè)鏈條。在這個產業(yè)鏈條中，為了建設一張高質量的巨大規(guī)模的TD-LTE網絡，并且要充分考慮2G/3G現有網絡布局情況，與2G/3G協調發(fā)展，無線網絡規(guī)劃設計技術可謂是非常關鍵的一環(huán)。關于無線網絡規(guī)劃技術在保證網絡質量方面的重要作用，業(yè)界有一種很量化的說法是“六分規(guī)劃，三分優(yōu)化，一分維護”。由于TD-LTE無線網絡規(guī)劃基礎是以OFDM技術為特征的同頻組網規(guī)劃技術，而非GSM的異頻組網或TD-SCDMA 的N頻點組網技術；網路承載的業(yè)務以豐富多彩的數據業(yè)務為主而非單一的話音業(yè)務，從而需要建立全新的無線規(guī)劃指標體系；覆蓋設計指標不再是以信號電平為主，而是以干擾控制為主，而且必須考慮復雜的覆蓋和容量相互制約關系，因此TD-LTE無線網絡規(guī)劃技術增加了許多全新的內容。隨著外場測試進展和中國移動TDLTE網絡工程建設的逐步實施，無線網絡規(guī)劃技術經歷了從單一的場景假設到多場景的劃分，從唯一的覆蓋預估到精細的業(yè)務需求與小區(qū)覆蓋相匹配，仿真工具的開發(fā)從采用簡單的電波傳播模型到與地貌地物特征相匹配的電波傳播模型庫的建立。另外，從中國移動啟動一期工程建設開始，為了考慮與現有2G/3G網絡協調規(guī)劃，如何對現有網絡基站布局結構進行合理調整以及如何降低無線干擾水平，無線網絡規(guī)劃內容又做了進一步的擴展與精細化，目前已逐漸形成了較完善的規(guī)劃方法體系，并且在中國移動TD-LTE一期、二期工程基站建設中得到了廣泛的應用，很好地體現了中國移動通信集團的建網策略并且指導了各省公司組織的工程施工。

1　TD-LTE無線網絡規(guī)劃技術特點

TD-LTE無線網絡技術作為蜂窩移動通信的演進技術，在空中接口方面，為了節(jié)省寶貴的有限頻率資源，進一步提高頻譜效率，采用了OFDM技術、MIMO技術、信道自適應編碼調制技術等關鍵技術。與此同時，也給無線網絡規(guī)劃設計帶來了與2G/3G無線網規(guī)劃不同的技術差異。蜂窩移動通信無線網絡工程規(guī)劃，無論是2G/3G還是TD-LTE，在宏觀層面上，相同的電波傳播環(huán)境和均勻分布的業(yè)務承載需求下，就基站的布局以及小區(qū)工程物理參數的設置，追求的目標都是理想的蜂窩結構、相同的天線掛高以及一致的方位角和俯仰角設置?？上У氖窃趯嶋H工程建設過程中不可能達到上述理想情況，也不可能窮盡每一個小區(qū)電波傳播環(huán)境的傳播模型校正，因此針對不同制式的蜂窩移動通信技術，無線網絡規(guī)劃技術有很大的差異，就中國移動TD-LTE無線網絡規(guī)劃建設而言，與GSM、TD-SCDMA無線網絡規(guī)劃相比較，具有如下重要的技術特點。

第一，隨著廣大用戶業(yè)務需求的變化，網絡承載需求由話音為主轉向以數據為主，而且數據業(yè)務對網絡承載的傳輸速率要求千差萬別，因此當前TD-LTE無線網絡質量的指標體系與GSM和TD-SCDMA制式相比有很大的不同。以往利用各種近似方法，對各種數據業(yè)務承載等效成話音業(yè)務承載，以便簡化無線資源的有效配置方法，在話音為主、數據業(yè)務量較小的業(yè)務模型條件下是合適的，這樣做可以使網絡覆蓋、容量和網絡質量要求三者基本上相互獨立，從而使得無線網絡設計相對簡單。但在以數據為主的業(yè)務模型條件下，不能再用等效話音的方法來規(guī)劃設計無線網絡，而是根據用戶的感知，在覆蓋范圍內和一定負荷條件下，保證小區(qū)的平均吞吐量和小區(qū)的邊緣速率，這給無線網絡規(guī)劃設計帶來了很大的變化。TD-LTE無線網絡的工程規(guī)劃設計就是把上述兩個指標作為重要的質量指標，而且要權衡覆蓋、容量和質量間的相互關系。

第二，TD-LTE無線網絡規(guī)劃通常采用蜂窩同頻組網技術（每個小區(qū)采用相同的頻率帶寬，如20 MHz帶寬），以便提高整體網絡的無線頻譜利用率。因此，TD-LTE不同于GSM的異頻組網和TD-SCDMA的N頻點組網技術。在TD-LTE網絡中，采用MIMO模式下，空載時公共參考信號同頻干擾模型為1×3復用方式，滿載時為1×1復用方式，而GSM在實際組網時通常采用3×3 或3×4復用方式才能滿足話音通信質量的要求（同頻C/I>9 dB）。這便意味著TD-LTE滿負荷時終端接收本服務小區(qū)的有用信號時，受到來自周圍所有小區(qū)的同頻干擾，即使在空載時也僅有臨近兩個小區(qū)不會產生同頻干擾。而GSM終端接收本服務小區(qū)的有用信號時，僅受到來自周邊兩圈外小區(qū)的同頻干擾，顯然同頻組網情況與異頻組網相比，干擾信號來自更近距離的位置點，而且干擾源個數更多，因此干擾信號在空間傳播時被建筑物遮擋的概率大大降低，TD-LTE無線網絡干擾更難以控制，對基站的布局結構要求更高，基站的建設一定要拋棄多期“插花”的建設方式，必須堅持“以終為始”的規(guī)劃方式。

第三，理論分析和外場測試驗證，TD-LTE小區(qū)覆蓋范圍內數據速率與公共參考信號SINR存在更加密切的關系。SINR較大的區(qū)域，數據速率則較高；SINR較差的區(qū)域，數據速率則較低。而以承載話音為主的GSM網絡，覆蓋與容量沒有相互制約關系，加上采用異頻組網技術，小區(qū)覆蓋范圍內話音質量差異不大。因此TDLTE無線網絡規(guī)劃設計相對于GSM網絡，基站布局結構一定要與業(yè)務需求分布更加匹配，才能充分發(fā)揮TD-LTE高速數據業(yè)務承載的能力。如果基站布局的規(guī)劃設計與業(yè)務需求不匹配，小區(qū)覆蓋中心沒有業(yè)務需求，而覆蓋邊緣存在大量的需求，這樣造成的結果便是小區(qū)平均吞吐量大大降低。

第四，TD-LTE網絡結構設計中沒有了電路域網元，為全IP的網絡架構，因此網絡承載像話音業(yè)務等電路域業(yè)務時，在網絡建設初期需采用CSFB方案，必須考慮TD-LTE與2G/3G互操作。網絡建設后期，無線網絡規(guī)劃必須考慮VoLTE的特性，因此，對無線資源的配置要求與2G/3G相比有一些不同。

2　TD-LTE無線網絡規(guī)劃技術發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn)

2013年底，工業(yè)和信息化部對中國移動、中國電信、中國聯通3家電信運營商頒發(fā)了TD-LTE業(yè)務運營牌照，即明文給出了3家運營商使用的頻率范圍和使用的年限。中國地域幅員遼闊，人口基數很大，大中城市人口密度大，因此對有限的無線頻譜資源的需求十分迫切，適合移動通信使用的低頻段頻率已經分配完畢，4G使用的頻率將以高頻段和帶寬分散性為特點。我國從20世紀80年代使用蜂窩移動通信網提供移動電話業(yè)務開始，到目前為止，對移動通信網絡使用頻率的分配情況如圖1所示。圖中分別按照低于1 GHz的900 MHz和800 MHz頻段、 1800 MHz和1900 MHz頻段、2100 MHz頻段、2300 MHz頻段、2600 M頻段列出了FDD制式下行頻率范圍和TDD制式上下行頻率范圍。3家電信運營商使用的頻率都很分散，特別是分配給中國移動的TDD制式頻段，存在A頻段（2010～2025 MHz）、F頻段（1880～1915 MHz）、D頻段（2575 ～2635 MHz）和E頻段（2320～2370 MHz），因此對TD-LTE無線網絡規(guī)劃時，考慮到現有2G/3G網絡、基礎資源利舊和TD-LTE/LTE FDD混合組網等多種因素，首先需要決策的問題是頻率的選擇,這也是TD-LTE無線網絡工程規(guī)劃設計的基礎。就中國移動建設TD-LTE網絡來看，結合市場競爭壓力、2G/3G現網實際、建網投資和TD-LTE技術特點，權衡的主要關系是F頻段TD-SCDMA網絡快速升級改造和D頻段豐富頻率資源有利于以后發(fā)展二者間的關系，最后確定了“F頻段升級為主，D頻段新建為輔”的建網策略，通過一年來TD-LTE網絡的商用運營，實踐證明是正確的。

圖1　國內移動通信使用頻段劃分情況

2.1 TD-LTE無線網絡規(guī)劃技術

基于TD-LTE無線網絡技術特點，TD-LTE無線網絡規(guī)劃設計需根據其技術特點進行有針對性的規(guī)劃設計。結合TD-LTE技術特點和擴大規(guī)模試驗網測試結論，中國移動通信集團設計院提出了新的TD-LTE無線網絡規(guī)劃流程體系，在傳統(tǒng)蜂窩移動通信無線網絡規(guī)劃流程的基礎上，新增加了系統(tǒng)間干擾排查、預規(guī)劃、網絡結構調整等關鍵內容，開發(fā)形成了獨有的工具軟件，具體規(guī)劃流程如圖2所示。主要包括業(yè)務需求及流量區(qū)域分析、系統(tǒng)間干擾排查、預規(guī)劃、網絡結構及系統(tǒng)內干擾分析、站址規(guī)劃、模型校正、網絡仿真、參數規(guī)劃、勘察設計、網絡跟蹤評測等步驟。在TD-LTE無線網絡實際規(guī)劃過程中，通過各個流程的具體實施，許多方面對傳統(tǒng)的規(guī)劃方法進行了創(chuàng)新與發(fā)展，豐富了規(guī)劃設計的內容。

干擾排查：TD-LTE無線網絡采用OFDM正交頻分多址技術，在系統(tǒng)設計時，每個小區(qū)內的干擾抑制靠各時頻單元間的正交性給予保證，工程實施時決定于廠家設備的優(yōu)劣。而外系統(tǒng)產生的對TD-LTE頻帶內的干擾，對TD-LTE系統(tǒng)來講，類似于噪聲干擾，不可能滿足子載波的正交特性，因此對無線網絡的質量產生很大的影響，特別是數據業(yè)務速率主要取決于SINR，如果外部干擾無法消除或無法控制在可允許的范圍內，小區(qū)的吞吐量和用戶的速率將達不到設計質量目標，會嚴重影響用戶的感知。國內移動通信通過20多年的高速發(fā)展，用戶數量巨大，雖然國家對頻譜的使用有嚴格的規(guī)定和規(guī)劃，但在現實情況下頻率的使用比較復雜，根據中國移動對多個城市F頻段和D頻段的測試評估看，局部仍然存在來自外系統(tǒng)的干擾信號，如F頻段的PHS信號，D頻段的MMDS信號。為了保證TD-LTE網絡質量，在無線網絡規(guī)劃設計階段便在全國范圍內進行了干擾排查，提出了干擾識別具體方法和干擾消除的具體措施，發(fā)展了2G/3G現網條件下TD-LTE無線網絡規(guī)劃設計方法。主要是通過現網TD-SCDMA基站上行ISCP統(tǒng)計數據分析，輔助于有針對性地路測數據分析，對TD-LTE基站的布局規(guī)劃提供了非常有價值的參考。

現網基站布局結構的調整：國內3家通信運營商2G/3G無線網絡建設過程中，根據不同的通信制式確定了基站的布局方案，通過多期的擴容改造，基站布局結構變得相當復雜。同時，由于城鄉(xiāng)建設快速發(fā)展，站址的獲取愈來愈難，在實際建網時往往因各方面的原因犧牲了基站合理的布局結構，特別是在大中城市城區(qū)，超高站、超近站、超低話務站、超忙話務站等在組網技術上不合理的現象大量存在，這對小區(qū)間干擾相對不太敏感的GSM、TD-SCDMA無線網絡尚可接受，但是基于建設一張精品TD-LTE網絡的高要求來講，現有基站布局結構必須進行調整，才能保證TD-LTE技術特點的充分發(fā)揮，才能真正實現網絡質量設計目標。在這方面產生了一些有針對性的規(guī)劃設計方案。例如不同頻段無線場景劃分更加精細的情況下基站布局結構建設方案；小區(qū)間干擾判定不僅僅以干擾個數衡量而是結合干擾信號個數和強度統(tǒng)一考慮，從而更加合理地設置小區(qū)間鄰區(qū)關系；根據天線的輻射特性和基站周圍電波環(huán)境更加準確地設置天線掛高、俯仰角、方位角等工程物理參數的方案及軟件工具的實現；結合實際測試結果分析，建立不同頻段合理可行的設計指標體系；通過2G/3G現網業(yè)務數據統(tǒng)計分析，并結合數據業(yè)務預測評估，確保站點位置與業(yè)務熱點必須匹配一致。

圖2　TD-LTE無線網絡規(guī)劃設計流程

特殊場景高鐵線路覆蓋：高鐵沿線基站覆蓋車廂內用戶的無線規(guī)劃技術是以線覆蓋為基礎，不同于通常意義上蜂窩網面覆蓋的方案。在解決高速條件下小區(qū)切換、用戶集中分布、多普勒效應等方面產生了不同的規(guī)劃方案，主要是發(fā)展了鐵路沿線專網規(guī)劃設置方案，涉及站臺與公網互操作實現、火車高速運行中邏輯小區(qū)的合理設置、不同頻段基站間距、基站離鐵路線的最佳距離、天線選擇等關鍵問題。

電波傳播模型庫的創(chuàng)建：TD-LTE無線網絡規(guī)劃設計離不開仿真工具，在網絡開始建設前利用仿真的手段初步預估網絡的質量是有效可行的，但是網絡仿真非常關鍵的一步是電波傳播模型是否切合不同電波傳播場景的實際情況。以往通常按城區(qū)、城市郊區(qū)和農村3種行政類別進行簡單的劃分，可是，在我國東西部發(fā)展不平衡、南北城市差異較大、城市建筑物占比不同等不可回避現實條件下，3種行政類別劃分顯然不能很好地代表多種多樣的應用場景，因此，精細化的無線網絡規(guī)劃設計必須進行多種場景下的傳播模型校正工作。近年來，中國移動通信集團設計院在全國344個城市中根據南北方和東中西部選擇了近50個城市，按照特大城市、大中城市和小城市等3類，再按電波傳播特性劃分為密集城區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)等場景，而農村場景進一步按照平原、丘陵、水田、山區(qū)等再進一步細化分類，全面開展進行了傳播模型校正工作，總結出了具有代表性的傳播模型供其他城市參考。隨著TD-LTE網絡的進一步建設，可以相信今后會不斷積累具有不同特點的新城市和新場景下的電波傳播模型，使得無線網路仿真更加體現實際無線傳播環(huán)境。

2.2 TD-LTE無線網絡規(guī)劃設計近期面臨的挑戰(zhàn)

隨著全球TD-LTE網絡的全面部署，特別是中國移動近幾年的全力推動和引領作用，進一步加快了整個TD-LTE產業(yè)鏈的進程，對無線網絡規(guī)劃技術也提出了許多新的要求，下面主要對異構網絡規(guī)劃和TD-LTE/LTE FDD融合組網方面面臨的問題進行討論。

為了滿足高密度業(yè)務需求和特定場景下的精準化覆蓋要求，載波聚合技術、Relay技術、干擾協調技術、多天線MIMO技術等取得了很大的進展，在系統(tǒng)設備技術實現方面，除傳統(tǒng)的宏基站外，出現了如Microcell、Picrocell、Nanocell、Relay等多種多樣形態(tài)的小基站設備。因此，對無線網絡工程規(guī)劃設計提出了新的要求，僅關注單層宏基站的規(guī)劃設計已不能滿足精細化設計的要求，需要深入分析研究多種場景下多制式、多層化、多設備形態(tài)的異構網絡規(guī)劃設計方法。異構網絡的規(guī)劃設計，更加突出個性化的場景，基站的布局方案需要與周圍電波傳播環(huán)境更加匹配，而且要處理好多層網間頻率設置、負荷分擔、切換參數設置以及宏站小站遠近關系等。顯然，異構網絡無線規(guī)劃設計方法是基于宏基站宏觀統(tǒng)計意義上的單層規(guī)劃設計方法的基礎上，重點是精細化和個性化，并且必須考慮與宏站層的相互協調關系，這就要求規(guī)劃設計人員對電波傳播、天線性能、干擾解決措施等方面有堅實的理論基礎和豐富的工程經驗。根據目前掌握的分場景初步的現場測試結果分析來看，場景的劃分將不能再簡單地根據行政區(qū)域來劃分，而是要更加突出以電波傳播環(huán)境因素進行場景劃分。例如街道、廣場、室外站覆蓋室內區(qū)域、業(yè)務熱點補忙、建筑物高層或背后補盲等，各場景下的覆蓋、容量規(guī)劃都需結合多樣化的具體設備參數，根據各場景電波傳播特點進行精細化方案設計，這對于習慣于采用幾個典型傳播模型進行宏站布局設計的規(guī)劃思路來講是一個較大的挑戰(zhàn)。

TD-LTE與LTE FDD混合組網的意義重大，無線網絡規(guī)劃技術還需要積極探索。為了滿足迅猛增長的數據業(yè)務需求，充分利用有限的寶貴頻率資源是無線網絡規(guī)劃設計的基礎。從國內外移動通信頻段劃分來看，雖然TDD獲得的頻率帶寬仍少于FDD頻率帶寬，但是總體上頻率的劃分考慮了FDD和TDD兩種網絡制式共同發(fā)展的關系，越來越多的運營商希望積極使用TDD頻譜，包括中國電信、中國聯通、美國的Sprint等公司都在積極進行融合組網模式來最大化其頻譜資源的價值。因此，采用TD-LTE/LTE FDD的融合組網方式，充分利用能夠利用的頻譜資源，是應對流量需求不斷激增的有效手段之一。那么如何進行兩種網絡制式下無線網絡的規(guī)劃設計是一個不可回避的重要課題。從融合組網技術分階段來看，基于覆蓋互操作的第一階段和基于業(yè)務負荷分擔的第二階段相對成熟，基本方法仍可沿用兩種制式各自的規(guī)劃方法，加上適當的參數設置。但是，基于無線資源聯合傳輸的全面融合階段是進一步演進的方向，由于二者雙工方式的不同、使用頻段差異較大、全頻段射頻器件的發(fā)展水平等等因素，對無線網絡規(guī)劃技術要求更高，需要權衡取舍的因素更多。其中，業(yè)務模型與無線資源配置的對應關系、無線資源聯合調度策略、全頻段下基站布局規(guī)劃策略、仿真工具的開發(fā)等方面將需要進一步的研究和探索。

3　結束語

截至目前，全球已有26個國家開通42張TD-LTE商用網，另有76張商用網絡正在計劃部署中，TDLTE網絡演進路線已很清晰，產業(yè)鏈發(fā)展速度明顯加快。2015年中國移動將在“廣、深、厚”原則上繼續(xù)進行TD-LTE網絡的建設，在無線網絡工程規(guī)劃設計上，將重點關注TD-LTE系統(tǒng)設備新功能（如多頻段載波聚合、Relay技術、異構網絡等）現網實施下帶來的新變化，關注TD-LTE與LTE FDD混合組網遇到的新問題。同時，在深入研究數據業(yè)務為主的不同話務模型條件下，提前儲備工程規(guī)劃設計擴容方法相關的新技術，積極探索無線網絡工程規(guī)劃設計新思路和新方法，并在今后的實踐應用中不斷總結和完善。

參考文獻

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Technological development issues and challenges of TD-LTE wireless network planning

ZHANG Yu-sheng

(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

Abstract In this paper, based on China Mobile TD-LTE network construction situation, combined with the characteristics of TD-LTE wireless network planning methods, the development trends and challenges of TD-LTE wireless network planning technology are summarized, and relevant measures used in the wireless network planning engineering are proposed.

Keywords TD-LTE; wireless network planning; location structure of base station

收稿日期：2015-01-06

文章編號1008-5599（2015）02-0001-06

文獻標識碼A

中圖分類號TN929.5