论文4G无线通信网络优化的研究

摘要

TD-LTE 即 Time Division Long Term Evolution (分时长期演进)是由中国主导,同时得到了广泛国际支持的第四代(4G)移动通信技术与标准。目前我国三大通信运营商的移动2G与3G网络建设都已有较大规模,中国移动已在20多个城市开始TD-LTE网络商用,中国电信和中国联通也已开始TD-LTE网络建设。随着无线网络规模的不断扩大,无线网络优化成为了保证和提升网络质量的关键工作。

本文的主要工作是结合实际工作探讨TD-LTE的网络优化技术。首先介绍了课题的选题背景和移动通信技术发展过程,以及我国移动通信的现状和网络优化的重要性。再者介绍TD-LTE的网络结构以及与网络优化相关的系统关键技术。分析网络优化的原理与方法,探讨TD-LTE网络优化工作的过程、方法、内容与技术,对在TD-LTE工程优化工作中遇到的几种典型问题进行研究与分析。最后总结与展望,总结当前工作的情况并展望移动网络优化的前景。

关键词：

Abstract Keywords：

引言

第1章绪论

课题选取背景

上世纪80年代，第一代移动通信系统（1G）开始实现大规模商用，从此人们开始摆脱仅通过书信和电报进行延时通信的时代，但由于世界上不同地区采用各自独立开发的系统，虽能进行通信，却无法实现漫游功能。随着第二代移动通信系统（2G），全球移动通信系统GSM(Global System for Mobile Communication)的发展，漫游问题基本得到解决，全球通信网络基本实现同步互通。

随着科技和社会的不断发展，2G网络的语音通话及低速数据服务已经从根本上无法满足人们对信息的获取需求，因此在上世纪末，第三代移动通信系统（3G）应运而生，对于3G及在3G基础上发展起来的B3G，其目标均在于向用户提供更高的数据速率和更加丰富多彩的通信和娱乐业务。但是，随着科技的发展，市场和业务需求不断扩大，3G及B3G的网络承载能力已经远远不能满足即将到来的信息量爆发式增长。网络结构和空口技术必须找到一个新的突破点。原有的无线网络已经成型，无法从根本上改变网络架构和使用新的空中接口技术，这预示着新一代的无线网络技术的研究和应用被提上了议程。

虽然3G接入技术在支持QoS和移动性方面有较大优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。知识产权的制约、用户的需求和市场的挑战共同作用下，推动了3GPP(第三代合作伙伴计划)组织在4G出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网网络标准。

目前我国三大通信运营商的移动2G与3G网络建设都已有较大规模,截至到2012年底我国移动用户总数已达到11亿,其中3G用户约2亿3千万[1]。中国移动已在多个城市开始TD-LTE试验网络的建设,中国电信和中国联通也已计划开始TD-LTE网络建设。随着网络规模的扩大,各种通信系统内或系统间的互相干扰问题更加突出,无线网络优化工作成为了保证和提升网络质量的关键工作。

移动通信技术的发展概述

上世纪80年代，第一代移动通信系统（1G）开始实现大规模商用，从此人们开始摆脱仅通过书信和电报进行延时通信的时代，但由于世界上不同地区采用各自独立开发的系统，虽能进行通信，却无法实现漫游功能。随着第二代移动通信系统(2G)，全球移动通信系统GSM(Global System for Mobile Communication)的发展，漫游问题基本得解决，全球通信网络基本实现同步互通。随着科技和社会的不断发展，2G网络的语音通话及低速数据服务已经从根本上无法满足人们对信息的获取需求，因此在上世纪末，第三代移动通信系统（3G）应运而生，对

于3G及在3G基础上发展起来的B3G，其目标均在于向用户提供更高的数据速率和更加丰富多彩的通信和娱乐业务。但是，随着科技的发展，市场和业务需求不断扩大，3G及B3G的网络承载能力已经远远不能满足即将到来的信息量爆发式增长。网络结构和空口技术必须找到一个新的突破点。原有的无线网络已经成型，无法从根本上改变网络架构和使用新的空中接口技术，这预示着新一代的无线网络技术的研究和应用被提上了议程。

虽然3G接入技术在支持服务质量QoS(Service Quality)和移动性方面有较大优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后[2]。知识产权的制约、用户的需求和市场的挑战共同作用下，推动了3GPP(第三代合作伙伴计划)组织在4G出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网的网络标准[3]。

我国移动通信的现状和网络优化的重要性

我国自1987年开通移动通信业务，经过20多年的发展，我国的移动通信在规模和技术上都取得了举世瞩目的发展。1994年我国移动用户过百万，1997年我国移动用户超过了一千万，2001年我国移动用户超过了一亿，2012年我国移动用户总数突破了十亿。随着我国的移动通信的发展，我国的通信技术在全球通信高技术领域薪露头角。

自从2009年中国移动、中国电信和中国联通3G网络正式商用，凭借丰富的终端资源、成熟的技术和产业链，我国3G通信业务取得了长足的进步，截至2013年底我国移动用户总数已达亿，其中2G用户亿，3G用户亿。2013年12月,我国三大通信运营商都取得了TD-LTE的牌照。在“我国移动通信创新链、产业链发展研讨会”上,我国电子信息产业发展研究院罗文院长表示,未来两年在TD-LTE 基站建设方面，中国移动规划部署基站40万个，中国电信计划建设基站3万个，中国联通计划建设基站5万个，基站建设总投资将达到1100亿元，网络建设总投资将达到1600亿元[3]。另外中国联通和中国电信还将投资FDD-LTE网络的建设。我国的移动通信网络进入三网并行的状态，并且伴随着用户的急速增长和对网络质量的要求逐步提高，我国的移动通信网络面临着巨大考验。

LTE 标准进展

从严格意义上来说，LTE并不是4G技术标准，而是定位于3G与4G （LTE-Advanced）之间的一种技术标准，由于3G和4G技术在网络结构、峰值速率、频谱利用率等方面均存在巨大的差异，3GPP希望通过LTE作为桥梁，填补这些技术差异。3GPP希望LTE技术保持无线资源频谱高利用率的优势，并能够在已有和新的频段，特别是一些零碎的频段上进行部署。在3GPP的推动下，很多研究机构和厂商参与到标准制定中来，从而解决了在3G中专利过度集中的问题。LTE按照传输方式的不同，可分为TDD和FDD两种双工方式，即可分为TDD LTE

（即TD-LTE）和FDD LTE。两种制式在信号生成、编码、调制解调技术以及实现技术上基本一致。TDD方式按演进路线分为LTE TDD1和LTE TDD2两类，其中LTE TDD1在帧结构方面与LTE FDD相近，而LTE TDD2帧结构更加接近于中国移动3G 时代的TD-SCDMA制式。正是基于这点，采用TDD2双工方式的TD-LTE在技术上更容易与TD-SCDMA系统融合演进，比较有效地解决了新建一个无线通信网络成本过高，选址困难等问题，毫无疑问地被确定为TD-SCDMA标准的后续演进技术。

LTE在2006年年中完成了研究项目（Study Item）阶段，明确了LTE的概念和目标需求，并对各方提出的技术提案进行评估和讨论；2006年年中前开始工作项目（Work Item）阶段，讨论未来的LTE细节，开始建立标准，WI阶段持续到2007年年中；2009年年初，3GPP发布了第一个商用版本R8；一年之后（2010年中）发布了增强版本R9，主要增加了双流波束赋形（主要是对于下行链路）、增强型多播广播多媒体业务、Femto基站（家庭基站）等新技术和新功能； R10版本的LTE标准在2011年初制定完成并发布，即LTE‐A，标志着真正的4G标准已经确立。该版本增加了大量的新技术和新功能，使整个网络性能得到极大的提高[5]。

LTE 的技术需求和目标

3GPP为确立LTE系统需求创建了一个研究项目，用以确保其能在3G和4G 系统间充当桥梁作用，并使LTE能在未来10年的竞争力。随着该研究项目的深入展开，LTE需求被不断完善和细化，并于2005年6月完成最终版本。

具体需求可归纳为如下几点：

（1）系统建立连接的时延和系统数据传输的时延必须降低；

（2）提高用户数据传输速率，理论上应该比3G高一个数量级；

（3）提高小区边缘的数据传输速率和用户接入成功率；

（4）提高频谱效率，理论上应该比3G高一个数量级；

（5）增强多种带宽（包括现有和新增）的使用灵活度；

（6）简化网络结构；

（7）提高切换成功率，无论是在同系统或者异系统中；

（8）实现移动终端的合理功耗。

LTE技术目标汇总如下：

项目技术目标备注

峰值速率下行大于100Mbit/s 在20MHz带宽下，

LTE以FDD模式运行

上行大于50Mbit/s

峰值频谱速率下行大于5bit/s

上行大于s

小区平均频谱速率下行大于~s/Hz/Cell 单天线传输，IRC接

收机

上行大于~s/Hz/Cell

小区边缘频谱效率下行大于~s/Hz/用户单天线传输，IRC接

收机

上行大于~s/Hz/用户

系统用户

平面延时

<10ms

系统连接建立时延<100ms 从空闲状态至激活

状态

系统运行带宽~20MHz

移动性120km/h~350km/h(甚至在某些频段支持

500km/h)

高速移动

15~120km/h高性能中等移动速度

0~15km/h性能优化低移动速度本文的主要工作以及论文内容安排

本文的主要工作是结合实际工作探讨TD-LTE的网络优化技术。论文章节安排如下:

第一章绪论,介绍了课题的选题背景和移动通信技术发展过程，以及我国移动通信的现状，网络优化的重要性和LTE的标准进程。

第二章移动网络结构与关键技术,介绍了TD-LTE的网络结构以及与网络优化相关的系统关键技术。

第三章网络优化的原理与方法,探讨TD-LTE网络优化工作的过程、方法、内容与技术。

第四章 TD-LTE网络工程优化,对在TD-LTE工程优化工作中遇到的几种典型问题进行研究与分析。

第五章总结与展望,总结了当前工作的情况并展望移动网络优化的前景。

第2章移动网络结构与关键技术

在实际的网络优化工作中我们通常需要根据问题的现象,选择不同的问题分析与处理方法,熟悉系统的网络结构与接口技术可以使我们更加准确的进行信令跟踪和判断故障点。本章主要介绍TD-LTE的网络结构以及与网络优化相关的系统关键技术。

TDD-LTE是由CDMA TDD演进来的LTE系统,其演进过程已经历了 3GPP R8、R9和R10等三个版本。在R8版本中,明确采用由TDS-CDMA系统演进的LTE TDD Type 2作为的TDD-LTE物理层顿结构,并定义了相应的物理层参数。

TD-LTE系统的网络结构

TD-LTE系统由三部分组成:演进分组核心网(EPC)、演进型基站(eNB)及用户设备(UE)。EPC由控制处理部分(MME)和数据承载部分(S-GW)组成,eNB 组成了E-UTRAN,EPC 与 E-UTRAN 组成EPS。

eNB主要具有无线资源管理、UE附着时选择MME、压缩IP头和加密用户数据流、用户面数据向S-GW的路由、调度及发送寻呼和广播信息、移动性测量及配置测量报告等功能。MME主要的功能包括:向eNB分发寻呼信息、空闲状态的移动性管理、SACE承载控制、安全控制和非接入层(NSA)信令的加密及完整性保护等。S-GW主要的作用是结束因寻呼原因生成的用户平面数据包和完成因移动性进行的用户面切换工作。

TD-LTE系统的网络接口与协议

TD-LTE系统的主要接口包括空中接口、S1接口和X2接口等。UE通过空中接口与eNB连接;eNB通过S1接口与EPC相连;eNB间通过X2接口互相连接。和UMTS相比,NodeB与RNC融合成eNB,因此TD - LTE没了 lub接口; X2接口和lur

接口类似,S1接口和lu接口类似,但是都进行了很多的简化。

eNB与MME间的接口是S1-MME,应用协议是S1AP,主要用于S1接口的无线接入承载控制和接口专用的操作维护功能;eNB与S-GW间的接口是S1-U,完成传送用户数据和用户平面控制帧。X2接口的应用协议是X2AP,其主要作用是支持激活模式的手机移动,分组数据转发和多小区的无线资源管理等。

TD-LTE系统的关键技术

TD-LTE对物理层的传输技术进行了改进,其与网络优化相关的关键技术主要包括:频域多址技术、MIMO技术、自适应调制编码技术、小区间干扰消除与协调技术等。

2.3.1频域多址技术

在TD-LTE系统中,上行方向采用了 SC-FDMA技术,即单载波频分多址技术,下行方向上采用了 OFDMA技术,即正交频分多址接入技术。OFDMA的基本原理是将高速数据流分散后由多个正交的子载波传输,可以较大的降低单个子载波上的符号速率,符号持续时间加长,增强对由多径效应引起的时延扩展的抵抗力,符号间干扰的影响大大的降低。另外只要在OFDMA符号前加上的保护间隔大于信道的时延扩展就可以完全消除符号间干扰。与传统的FDMA相比,OFDMA允许子载波间紧密相临甚至部分重合,采用正交复用方式避免频率间的干扰,可以很好的节省带宽资源。SC-FDMA是OFDMA的改进,与OFDMA相比峰均比较低,可以提高功放的效率,降低终端的功耗。

2.3.2 MIMO技术

MIMO技术是将数据分解成多个并行的数据流利用多个发射天线、多个接收天线进行空间分集传送,最终利用解调技术恢复原数据流的技术。MIMO技术通过的将链路划分成多个并行的子信道可以较大的提高系统容量;下行时多天线发送方式主要有波束赋形、空时预编码、发送分集和多用户MIMO等,上行时通过多用户构成虚拟MIMO也能提升系统的上行容量。多用户MIMO技术通过多天线形成的空间自由度来分离用户,依靠发射端的信号处理算法降低多用户间的信号干扰,使用简单的多用户调度算法可以取得明显的多用户分集增益,是小区负载较大时获得高系统容量的有效手段。

在LTE系统中,应用MIMO技术的上行天线基本配置是1根发送天线加上2根接收天线。上行多用户MIMO中,每个终端均发一个数据流,两个或者更多的终端使用相同的时频资源,来自不同终端使用相同时频资源的多个数据流对接收机来说可以认为是从同一终端的不同天线上发送的数据流,从而形成一个虚拟的MIMO系统。

2.3.3 自适应调制与编码技术

自适应调制与编码技术即AMC技术,其基本原理是根据当前的信道状态信息判断信道的质量,再由信道的质量与系统可用资源来确定使用适合的编码与调制方式。信道状态较好时,选择较高的调制等级和编码速率;信道状态较差时,选择较低的调制等级和编码速率。

AMC技术在TD-LTE系统中上行与下行实现的方法是不同的。下行时UE通过测量下行公共参考信号确定下行信道质量并将测量的结果通过反馈信道发送至基站侧,基站根据反馈的信息再对相应的下行传输的调制与编码方案进行调整。上行时基站侧通过测量UE发送的上行参考信号取得的信息调整上行传输的调制与编码方案,然后发送控制信令至UE。

2.3.4 小区间干扰消除与协调技术

LTE使用OFDMA技术依靠频率间的正交性区分用户,较好的解决了小区内干扰的问题,但是小区间干扰比较严重。3GPP提出了包括随机化、消除和协调技术等三种干扰解决方案。

干扰消除技术是通过对干扰小区发送信号的解调和解码,再利用接收端的处理增益从接收信号中去除干扰信号的方法消除干扰。干扰消除技术可以较好的提升系统小区边缘的性能,获得较高的频谱效率。

第3章网络优化的原理与方法

网络优化的目的就是提升网络质量,优化的目标不是为了追求最好的指标,而是为了满足移动网络的市场竞争需求而制定。网络的性能可表示为所提供业务的质量,网络的成本可表示为运营商为建设和维护网络所做的投入,最小的成本取得最大的性能是不可能的,因此取得成本与性能最佳平衡才能使网络具有最好的商业价值和网络质量。

网络优化工作是一个长期的过程,贯穿了网络的规划、设计、建设及维护的全生命周期。网络优化根据网络建设的阶段一般可分为工程优化和运维优化。工程优化一般是指网络商用前的优化工作,一般包含站点配置审查、单站验证、基站簇优化和全网优化及验收等阶段。运维优化是网络投入商用后为保持和提升网络性能进行的优化,运维优化又可为分日常优化和专项优化。

日常优化是指在现有的网络条件下,通过日常测试、分析话务统计及用户投诉等方式发现和预判问题,并通过一定的技术手段解决问题的优化工作。其特点为:处理问题和网络调整规模相对局部,对全局影响不大,需要配置的人员较少。

专项优化工作是指通过对系统的数据釆集,结合话务统计数据及用户投诉信息等对系统进行深入的分析,找出影响系统性能的根本原因,制定相应的优化方案并实施,从而提升问题区域网络性能的优化工作,另外专项优化工作还含为保障大规模突发性话务需求及重要活动或重大事件的通信畅通而进行的应急性网络优化工作。专项优化工作的特点包括:以项目为单位,有明确的优化目标,需要专业人员较多,采用整体与局部相结合的方式进行,突出系统的全面优化,调整网络规模较大等。

移动通信系统的无线电波

对移动通信网络进行优化我们必须要了解无线通信中的无线电波及其特性。无线电波是电磁波中频率相对较低的部分,无线电波的频率决定了它的传播特性:频率低则损耗小、覆盖远、容量小;频率高则损耗大、覆盖近、容量大。

移动通信系统选择频段时需要兼顾系统的容量和覆盖,相对其他频段,UHF(300-3000MHZ)频段更适合于移动通信。并且随着移动通信的业务需求不断增长,容量也需要不断扩大,移动通信系统使用的频率也会越来越高。

在实际的环境中,手机与基站之间通常会被建筑物阻挡,散射是其的主要传式,从信号发出至被接收通常会经过很多的反射或折射,因此接收端收到的信号往往非常复杂。无线电波在传播的过程中通常会遇到衰落的问题,为降低衰落问题对移动通信造成的影响,通常使用分集技术克服。另外在分析山区和城市中高