基于FDD LTE 商用网络的4T4R 容量分析

王 君，慕德俊

（西北工业大学自动化学院, 西安710072）

1 引 言

随着无线移动网络的发展，FDD LTE 网络基站逐步从两天线发射向四天线发射发展。在热点和高价值区域甚至开始部署多天线阵列，引入Massive MIMO 技术来保障下行容量。对于四天线发射，运营商期待的往往的是4×4 MIMO 技术的引入，但由于用户群中仍以两天线接收终端为主，在基站四天线发射的场景下，引入的是4×2 MIMO 技术，最大仅有两流；而在两天线发射基站引入的仅为2×2 MIMO技术。在终端以两天线接收为主的现状下，基站四天线发射是否会带来容量大幅度提升，将是决定运营商是否规模部署4T4R（四天线发射四天线接收）技术的关键因素。在此，以FDD LTE 网络基站2T2R（两天线发射两天线接收）技术容量为基准，通过基于SCME 信道模型的容量仿真和实际网络部署来探索基站4T4R 技术在两天线终端场景下的容量提升可行性。

无线系统容量仿真的关键是信道模型选择。粗略模型瑞利（Rayleigh）和莱斯（Rice）等存在不精确性问题，经由大量的实地测试和研究[1]，更贴近实际的MIMO 无线信道模型被提出，获得广泛应用，例如：空间信道模 SCM（Spatial Channel Model）[2]、空间信道扩展模型 SCME（Spatial Channel Model Extended）[3]以及WINNER 模型[4]等。文献[5]从带宽扩展、载频扩展、视距径扩展和抽头时延线TDL（Tapped Delay Line）等方面论证了SCME 相比于SCM 的优势，并基于MATLAB 仿真验证了SCME 信道模型的精确性。为了在Band 3 上研究4T4R 技术的容量，在此，考虑频点和信道模型精确性，选择SCME 来做基站4T4R 技术和2T2R 技术的容量仿真。

2 基于SCME 信道模型的容量仿真

在FDD LTE 商用网络中，小区吞吐量是一项直观反映容量的关键指标[6]。在实际网络中，PRB 利用率为100%时，即是小区的实际容量，因此，在站点选取时，无论2T2R 还是4T4R，PRB 的利用率要尽可能接近100%。另外，随着网络的发展，运营商也开始关注用户体验，用户平均速率也成为客户考核网络的关键指标。影响用户体验的关键指标包括小区用户数、MCS（Modulation and Coding Scheme）、CQI 和RI（Ranking Indicator）的激活比率等。

SCME 信道模型是基于散射体的随机模型，通过信道参数描述传播路径的方向，此外，角度、时延、功率和天线相关参数则由用户定义。信道传播参数和天线之间相互独立。其支持的频率范围是2GHz~6 GHz；支持的场景包含室内热点、城区微小区、城市宏小区、农村宏小区和郊区宏小区。其中郊区宏小区是可选场景。如图1 所示为典型的SCME模型框架，由 ITU 为 IMT-Advanced 所定义[7-8]。

图1 SCME 信道模型

在场景的选择上，基站4T4R 用来提升网络容量，面对的多是高话务区域，其中以城市密集区域为主，选择SCME 信道模型中的城市宏小区。而在基站传输模式中，用户速度较慢，采用闭环的TM4自适应模式。站点仿真规模为7 个站21 个小区的连片簇容量，其基于SCME 信道模型的参数设置输入见表1。基站天线数的参数包含2 天线和4 天线，分别用来仿真基站2T2R 和基站4T4R 的场景。

表1 基于SCME 信道模型容量仿真参数

如表2 所示为基于SCME 信道模型的容量仿真结果。在终端是两天线的场景下，基站2T2R 的小区吞吐量达到23.95 Mb/s；基站4T4R 的小区吞吐量则为25.23 Mb/s，只有5.34%的增益。在频谱效率上，基站 2T2R 达 1.60 b·s/Hz,而基站 4T4R 是 1.70 b·s/Hz,提升6.25%。从小区吞吐量和频谱效率的仿真来看，基站4T4R 在终端两天线场景下提升有限。

表2 基于SCME 模型容量仿真结果

3 基站关键指标定义

商用网络中的性能研究从两方面入手，一是路测，二是网管的后台指标。对于路测，一般是测试人员坐在汽车里或者步行，用专业的测试仪表对小区覆盖的特定路线测试相应的指标，如RSRP、SINR、定点速率测试等。文献[9]就是通过对单站进行路测拉网定点的方式来研究分析4T4R 技术的增益。但由于这种定点测试是单用户的速率体验，不能反应多用户场景下的速率体验，特别是高话务区域用户过多的场景，因此，就需要利用网管的后台指标来真实反应小区的性能，关键指标有小区平均PDCP 流量、RI=2 的比率、平均 MCS、平均 CQI、用户平均速率、掉话率等。对其部分重要指标的相关定义如下（指标若无特殊指明，即是表示下行）：

1. 下行平均MCS

平均MCS 的公式如下：

NMCSi表示有效 TTIs（Time Transmission Intervals）之下MCS 取值为i 时的调度数。

2. 小区平均流量

小区平均流量的公式如下：

VTotalPDCP表示在所有有效 TTIs 里的小区的PDCP SDU 数据的总流量。TSch是个计数器，会累加从数据到缓冲到释放的时间，采样时间间隔是1 秒。因此，在PRB 利用率接近99%时，小区平均流量就近似等于小区吞吐量。

3. 平均CQI

在商业网络中，运营商往往也把平均CQI 作为关键指标来验收，其定义如下：

其中NCQIi表示在一定时间内终端上报给基站的CQI 数值为i 的个数。

4 基站指标分析

如表3 所示为同一片区域的2T2R 和4T4R 单站的关键指标在15 分钟粒度的平均值。对此，选取的指标都是PRB 利用率超过99%的，小区内的平均流量等效于小区吞吐量，2T2R 的站点平均小区吞吐量是15.77 Mb/s，4T4R 站点平均小区吞吐量是16.83 Mb/s，比 2T2R 站点高 7.6%。

表3 关键指标平均值

与2T2R 单站相比，4T4R 单站在平均用户数增加11.9%而平均小区吞吐量只增加7.6%的情况下，平均用户速率仍提升2.5%。

与2T2R 单站相比，4T4R 单站在平均 MCS 和RI=2 比率各高于28.3%和99.3%。

从表3 来看，在实际测试的平均小区吞吐量和平均用户速率两个衡量小区性能的指标上，4T4R 单站的增益有限，与基于SCME 信道模型的容量仿真结果相近。然而影响小区容量的因素很多，如天线增益、天线高度、天线倾角、功率、用户数、用户分布以及覆盖区域等都有影响，而小区的平均MCS 是能够间接衡量小区内的业务信道的环境，可以用来定量分析4T4R 技术的增益。

接下来以下行平均MCS 来定量分析小区的各个指标。

如图2 所示为不同平均MCS 的小区吞吐量。当2T2R 单站和4T4R 单站在8 到13 间波动，小区吞吐量也在11Mbps 和25Mb/s 间波动，但4T4R 单站在不同平均MCS 下小区吞吐量比2T2R 单站分别提升 5.4%（MCS 值为 9）、10.3%（MCS 值为 10）、13.5%（MCS 值为 11）和 14.4%（MCS 值为 12），可见MCS 值越大，增益越明显。

图2 2T2R 和4T4R 单站不同平均MCS 小区吞吐量

如图3 所示为不同MCS 的RI=2 的比率。4T4R单站比2T2R 单站在相同MCS 下，传输达到两流的比率提升至少100%。

图 3 2T2R 和 4T4R 单站不同 MCS 的 RI=2 比率

如图4 所示为不同MCS 的平均CQI。4T4R 单站的平均CQI 比2T2R 的平均CQI 高一阶，因此，4T4R 单站可以提升小区的信号质量，从而增加了两流的比例，也是4T4R 站小区吞吐量高于2T2R 站点的原因之一。

图4 2T2R 和4T4R 单站不同MCS 的平均CQI

5 结束语

从实验的测试结果和分析可以看出，4T4R 技术可以提升小区信道质量、提高传输两流的比例，从而提升小区吞吐量。随着信道质量的提升，小区整体MCS 也会提升；随着MCS 的提升，4T4R 单站的小区吞吐量相比2R 从MCS 为9 时的5.4%增益提升到MCS 为12 时的14.4%，有很高的推广应用价值。为获取更高小区容量，小区信道质量越好，4T4R技术带来的增益越高。