第10章 LTE性能评估

第10章LTE性能评估10.1LTE需求分析10.2LTE仿真性能评估10.1LTE需求分析10.1.1容量对LTE的需求1．峰值速率LTE系统峰值速率需求根据如下天线设置定义。（1）下行峰值速率指标需要在UE配置两个接收天线的情况下满足。（2）上行峰值速率指标需要在UE配置一个发射天线的情况下满足。2．系统延迟（1）控制面（ControlPlane，C-Plane）延迟（2）用户面（U-plane）延迟10.1.2部署对LTE的需求1．部署场景（1）独立部署（StandAlone）场景（2）和UTRAN/GERAN集成的场景2．频谱扩展性（1）E-UTRAN系统应能够在不同尺寸的频谱中部署，包括1.4MHz、3.0MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz，支持成对和非成对频谱。（2）E-UTRA系统应该具有足够的频谱灵活性，以支持两种模式的广播系统传输：单独下行（DownlinkOnly）和下行加上行（DownlinkandUplink），以实现对可用频谱的优化使用。（3）E-UTRA系统应该具有足够的频谱灵活性，可以根据运营商的特定需求和市场策略的变化（如紧急情况、国内和国际事件），灵活地调整用于广播传输的无线资源。（4）应尽力避免对称频谱操作和非对称频谱操作之间的不必要的技术差异。10.1.2部署对LTE的需求3．部署频谱LTE系统应能在如下频谱部署场景下部署。（1）在相同的地理区域和GERAN/3G系统临频、共站址共存。（2）多个运营商在相同的地理区域临频、共站址共存。（3）部署在边境两侧重合或相邻频谱内的两个系统共存。（4）E-UTRA应能够独立运营，也就是说，不需要依赖和任何其他的系统配合使用。（5）LTE系统应能部署在各种频段。10.1.2部署对LTE的需求4．与其他3GPP系统的共存和互操作（1）UTRAN/GERAN和E-UTRAN双模终端应支持对UTRAN/GERAN系统的测量，并支持UTRAN/GERAN系统和E-UTRAN系统之间的切换。（2）E-UTRAN系统应有效支持和其他系统的系统间测量（Inter-RATMeasurements）。（3）对于实时业务，E-UTRAN系统和UTRAN系统之间的切换中断时间应控制在300ms以内。（4）对于非实时业务，E-UTRAN系统和UTRAN系统之间的切换中断时间应控制在500ms以内。（5）对于实时业务，E-UTRAN系统和GERAN系统之间的切换中断时间应控制在300ms以内。10.1.2部署对LTE的需求（6）对于非时业务，E-UTRAN系统和GERAN系统之间的切换中断时间应控制在500ms以内。（7）处于非激活状态（类似于R6Idle模式或Cell_PCH状态）的UTRAN/GERAN和E-UTRAN双模终端只需监测GERAN、UTRAN和E-UTRAN中一个系统的寻呼信息。（8）一个业务（如一个电视频道）在E-UTRAN广播模式和UTRAN单播模式之间切换的中断时间应尽可能缩短。（9）一个业务（如一个电视频道）在E-UTRAN广播模式和GERAN单播模式之间切换的中断时间应尽可能缩短。（10）一个业务（如一个电视频道）在E-UTRAN广播模式和UTRAN广播模式之间切换的中断时间应尽可能缩短。10.1.3性能对LTE的需求1．用户吞吐量与控制面容量LTE下行吞吐量需求如下。（1）在5%CDF（累积分布函数）处的每兆赫兹用户吞吐量应达到R6HSDPA的2～3倍。（2）每兆赫兹平均用户吞吐量应达到R6HSDPA的3～4倍。LTE上行吞吐量需求如下。（1）在5%CDF（累积概率函数）处的每兆赫兹用户吞吐量应达到R6HSUPA的2～3倍。（2）每兆赫兹平均用户吞吐量应达到R6HSUPA的2～3倍。10.1.3性能对LTE的需求2．频谱效率（1）下行频谱效率（2）上行频谱效率（3）移动性（4）覆盖3．进一步增强的MBMS（1）E-MBMS频谱效率需求（2）E-MBMS中断时间需求（3）E-MBMS系统物理层部件重用的需求（5）数据和MBMS业务的并发（6）非成对MBMS操作10.1.3性能对LTE的需求4．网络同步上述LTE系统需求的实现不应依赖基站之间的时间同步，但是如果基站间同步确实能带来明显的性能增益，则应基于基站间同步场景进行系统优化。5．无线资源管理需求（1）增强的端到端QoS。（2）对高层传输的有效支持。（3）不同无线接入技术之间的负载均衡和业务策略管理。10.1.4运营对LTE的需求1．对无线接入网框架和演进的要求（1）应采用一个单一的E-UTRAN框架。（2）E-UTRAN架构应该基于分组模式，但也应有效地支持实时和话音业务。（3）

E-UTRAN架构应在不带来额外的系统成本的基础上，尽量避免“单点失败”（SinglePointofFailure）。（4）E-UTRAN应采用简化架构，尽可能减少接口的数量。（5）在可以获得性能改进的条件下，应考虑无线网络层（RNL）和传输网络层（TNL）之间的互操作。（6）E-UTRAN架构应该支持端到端QoS，TNL应根据RNL的请求提供适合的QoS。（7）QoS机制应根据各种数据流，如“控制面”数据、“用户面”数据和O&M（操作和管理）数据等的特性优化设计，以更有效地利用系统带宽。（8）E-UTRAN系统的设计应尽可能缩小延迟抖动，以有效地支持TCP/IP分组业务。10.1.4运营对LTE的需求2．系统复杂度（1）在系统设计中保留尽可能少的选项（Options）。（2）在系统设计中避免多余的必选（Mandatory）特性。（3）尽可能减少必需的测试项，尽可能减少协议状态的数量，缩小参数的范围和粒度，减少操作过程的数量。3．UE复杂度（1）支持多RAN（如GERAN、UTRAN和E-UTRAN系统）的多模UE的复杂度问题。（2）在系统设计中尽可能减少必选特性的数量。（3）应避免为了实现一项功能而标准化多余的或重复的必选特性。（4）在系统设计中保留尽可能少的选项。（5）尽可能减少必需的测试项，以便在LTE核心标准完成后能够在合理的时间里完成这些测试项的开发；应避免开发不必要的测试项。10.1.4运营对LTE的需求4．成本要求（1）应优化无线回传通信协议。（2）E-UTRAN架构的设计应尽可能降低未来网络的部署成本，并能够重用当前站址。（3）所有接口都应标准化为开放接口，以实现不同设备商的设备之间的互操作。（4）应最小化/优化UE的复杂度和能耗，应避免复杂的E-UTRAN架构和不必要的接口。（5）应能够更有效、更简便地使用操作、管理、维护和配置（Operation，Administration，MaintenanceandProvisioning，OAM&P）。5．业务需求E-UTRAN系统应有效地支持现有的各种业务类型，如同站浏览、文件传送协议（FTP）、视频流和VoIP；还应支持更先进的PS域业务，如实时视频、Push-To-X（如Push-To-Talk，一键通）等；支持VoIP业务，在无线接口效率、传输效率和延迟等方面不差于UMTSCS域话音业务。10.2LTE仿真性能评估10.2.1峰值速率在下行、帧结构为类型一时，LTE系统（FDD/TDD）的峰值估计速率如表10-1所示。下行假设条件64QAM，码率R=1，参考信号和控制信道开销占用一个OFDM符号单位Mbps（20MHz）bps/Hz3GPP规范中的需求1005.02×2MIMO172.88.64×4MIMO326.416.310.2.1峰值速率在上行、帧结构为类型一时，LTE系统（FDD/TDD）的峰值估计速率如表10-2所示。上行假设条件单TXUE，码率R=1，参考信号和控制信道开销占用两个RB单位Mbps（20MHz）bps/Hz3GPP规范中的需求502.516QAM57.62.964QAM86.44.310.2.1峰值速率在帧结构为类型二时，LTE系统（TDD）的峰值估计速率如表10-3所示。下行上行假设条件64QAM，R=1，帧结构类型二单TXUE，64QAM，R=1，帧结构类型二单位Mbps（20MHz）bps/HzMbps（20MHz）bps/Hz3GPP规范中的需求1005.0502.52×2MIMO（DL）1427.162.73.14×4MIMO（DL）27013.510.2LTE仿真性能评估LTE在不同带宽、不同天线配置情况下的上/下行峰值速率与R6HSPA和R7/8HSPA+的对比情况如图10-2所示。10.2.2控制平面时延从LTE_IDLE模式到LTE_ACTIVE模式转换时，控制平面激活过程如图10-3所示。10.2.2控制平面时延1．FDD帧结构时的控制平面时延假设控制平面的激活过程在如图10-3所示的FDD帧结构的情况下，控制平面建立时的时延分析如表10-4所示。步骤描述持续时长0UE唤醒时间无数据1RACH调度平均时延5ms2RACH导频1ms3导频探查和RA应答传输（从RACH传输截止到UE接收调度授权和校时）5ms4UE处理时延（调度授权、校时和C-RNTI指派的解码+RRC连接请求的L1层编码）2.5ms5传输RRC连接请求的TTI1ms6HARQ重传（@30%）0.3×5ms7eNB的处理时延（Uu→S1-C）4ms8S1-C转移时延Ts（2～15ms）9MME处理时延（包括UE上下文恢复10ms）15ms10S1-C转移时延Ts（2～15ms）11eNB的处理时延（S1-C→Uu）4ms12传输RRC连接建立的TTI（+平均校正用时）1.5ms13HARQ重传（@30%）0.3×5ms14UE处理时延3ms15传输L3RRC连接完成的TTI1ms16HARQ重传（@30%）0.3×5ms总时延（LTE_IDLE→LTE_ACTIVE，控制平面建立）47.5ms+2×Ts10.2.2控制平面时延用户平面建立的时延分析如表10-5所示。步骤描述持续时长1～16时延（LTE_IDLE→LTE_ACTIVE，控制平面建立）47.5ms+2×Ts17UL数据包的TTI（附加调度信息）1ms18HARQ重传（@30%）0.3×5ms19eNB的处理时延（Uu→S1-U）1ms1～19用户平面建立时延（RAN边缘节点）51ms+2×Ts20S1-U转换时延Ts1u（1～15ms）21UPE处理时延（包括上下文恢复）10ms用户平面建立时延（服务网关GW）61ms+2×Ts+Ts1u10.2.2控制平面时延2．TDD帧结构类型一时的控制平面时延假设TDD帧结构含有不同的帧格式，帧格式如图10-4所示。10.2.2控制平面时延控制平面的激活过程如图10-3所示，控制平面时延分析如表10-6所示，步骤描述4-DL/1-UL3-DL/2-UL2-DL/3-UL1-DL/4-UL0UE唤醒时间无数据1RACH调度平均时延5ms5ms5ms5ms2RACH导频1ms1ms1ms1ms3导频探查和RA应答传输（从RACH传输截止到UE接收调度授权和校时）6ms6ms6ms6ms4UE处理时延（调度授权、校时和C-RNTI指派的解码+RRC连接请求的L1层编码）3ms3ms3ms3ms5传输RRC连接请求的TTI1ms1ms1ms1ms6HARQ重传（@30%）0.3×5ms0.3×4.5ms0.3×4.33ms0.3×5.75ms7eNB的处理时延（Uu→S1-C）4ms4ms4ms4ms8S1-C转移时延Ts（2～15ms）Ts（2～15ms）Ts（2～15ms）Ts（2～15ms）9MME处理时延（包括UE上下文恢复10ms）15ms15ms15ms15ms10S1-C转移时延Ts（2～15ms）Ts（2～15ms）Ts（2～15ms）Ts（2～15ms）11eNB的处理时延（S1-C→Uu）4ms4ms4ms4ms12传输RRC连接建立的TTI（+平均校正用时）1.7ms2.1ms2.7ms3.5ms13HARQ重传（@30%）0.3×5.75ms0.3×4.33ms0.3×4.5ms0.3×5ms14UE处理时延3ms3ms3ms3ms15传输L3RRC连接完成的TTI3.5ms2.7ms2.1ms1.7ms16HARQ重传（@30%）0.3×5ms0.3×4.5ms0.3×4.33ms0.3×5.75ms总时延（LTE_IDLE→LTE_ACTIVE，控制平面建立）51.925+2×Ts50.799+2×Ts50.748+2×Ts52.15+2×Ts10.2.2控制平面时延用户平面建立的时延分析如表10-7所示，其形成过程如图10-3和图10-6所示。步骤描述4-DL/1-UL3-DL/2-UL2-DL/3-UL1-DL/4-UL1～16时延（LTE_IDLE→LTE_ACTIVE，控制平面建立）51.925+2×Ts50.799+2×Ts50.748+2×Ts52.15+2×Ts17UL数据包的TTI+平均校正用时（附加调度信息）3.5ms2.7ms2.1ms1.7ms18HARQ重传（@30%）0.3×5ms0.3×4.5ms0.3×4.33ms0.3×5.75ms19eNB的处理时延（Uu→S1-U）1ms1ms1ms1ms1～19用户平面建立时延（RAN边缘节点）57.925+2×Ts55.849+2×Ts54.148+2×Ts56.575+2×Ts20S1-U转换时延Ts1u（1～15ms）Ts1u（1～15ms）Ts1u（1～15ms）Ts1u（1～15ms）21UPE处理时延（包括上下文恢复）10ms10ms10ms10ms用户平面建立时延（服务网关GW）67.952+2×Ts+Ts1u65.849+2×Ts+Ts1u64.148+2×Ts+Ts1u66.575+2×Ts+Ts1u10.2.2控制平面时延3．TDD帧结构类型二时的控制平面时延控制平面建立的时延如表10-8所示，其形成过程如图10-3所示。步骤描述持续时长0UE唤醒时间无数据1RACH调度平均时延2.5ms2RACH导频0.95ms3导频探查和RA应答传输（从RACH传输截止到UE接收调度授权和校时）7.025ms4UE处理时延（调度授权、校时和C-RNTI指派的解码+RRC连接请求的L1层编码）2.3ms5传输RRC连接请求的TTI0.675ms6HARQ重传（@30%）0.3×5ms7eNB的处理时延（Uu→S1-C）4ms8S1-C转移时延Ts（2～15ms）9MME处理时延（包括UE上下文恢复10ms）15ms10S1-C转移时延Ts（2～15ms）11eNB的处理时延（S1-C→Uu）4ms12传输RRC连接建立的TTI（+平均校正用时）2.163ms13HARQ重传（@30%）0.3×5ms14UE处理时延2.975ms15传输L3RRC连接完成的TTI0.675ms16HARQ重传（@30%）0.3×5ms总时延（LTE_IDLE→LTE_ACTIVE，控制平面建立）46.763ms+2×Ts10.2.2控制平面时延LTE控制平面时延的最大值与最小值与R6HSPA、R7/8HSPA+、GSM/EDGE的对比情况如图10-5所示。10.2.3用户平面时延1．FDD帧结构时的用户平面时延LTE的用户平面时延由节点的处理时延、TTI和无线帧的校准用时组成，具体如图10-6所示。10.2.3用户平面时延表10-9是p=0和p=0.3时，用户平面上行的时延。同理可以得出用户平面下行的时延。步骤描述持续时长（0%HARQ）持续时长（30%HARQ）0UE唤醒时延无数据无数据1UE处理时延1ms1ms2帧校准用时0.5ms0.5ms3上行数据包的TTI（附加的调度信息）1ms1ms4HARQ重传0ms0.3×5ms5eNB处理时延（Uu→S1-U）1ms1ms单向时延总计3.5ms5.0ms10.2.3用户平面时延2．TDD帧结构类型一时的用户平面时延LTE系统（TDD）的用户平面时延由节点的处理时延、TTI持续时间、无线帧的校准用时和S1-U时延组成，具体如图10-7所示。10.2.3用户平面时延在四种不同的TDD帧格式、无HARQ重传的情况下，用户平面下行和上行的时延如表10-10和表10-11所示。步骤描述4-DL/1-UL3-DL/2-UL2-DL/3-UL1-DL/4-UL0UE唤醒时间无数据1UE处理时延1ms1ms1ms1ms2帧校准0.7ms1.1ms1.7ms2.5ms3下行数据包的TTI（附加的调度信息）1ms1ms1ms1ms4HARQ重传0ms0ms0ms0ms5eNB处理时延（Uu→S1-U）1ms1ms1ms1ms总的单向时延3.7ms4.1ms4.7ms5.5ms步骤描述4-DL/1-UL3-DL/2-UL2-DL/3-UL1-DL/4-UL0UE时间无数据1UE处理时延1ms1ms1ms1ms2帧校准2.5ms1.7ms1.1ms0.7ms3上行数据包的TTI（附加的调度信息）1ms1ms1ms1ms4HARQ重传0ms0ms0ms0ms5eNB处理时延（Uu→S1-U）1ms1ms1ms1ms总的单向时延5.5ms4.7ms4.1ms3.7ms10.2.3用户平面时延3．TDD帧结构类型二时的用户平面时延表10-12和表10-13分别是下行和上行用户平面时延，TDD帧结构类型二的配置是4-DL/3-UL。步骤描述持续时长（0%HARQ）持续时长（30%HARQ）0UE唤醒时间无数据无数据1eNB处理时延（S1-U→Uu）1ms1ms2帧校准1.022ms1.022ms3下行数据包的TTI0.675ms0.675ms4HARQ重传0ms0.3×5ms5UE处理时延1ms1ms总的单向时延3.697ms5.197ms步骤描述持续时长（0%HARQ）持续时长（30%HARQ）0UE唤醒时间无数据无数据1UE处理时延1ms1ms2帧校准1.423ms1.423ms3上行数据包的TTI（附加调度信息）0.675ms0.675ms4HARQ重传0ms0.3×5ms5eNB处理时延（Uu→S1-U）1ms1ms总的单向时延4.089ms5.598ms10.2.4吞吐量和频谱效率LTE系统的评估吞吐量如表10-14（上行、场景一）和表10-15（上行、场景三）所示。场景一平均用户吞吐量小区边缘用户吞吐量×UTRA×UTRAUTRA基线×1.0×1.0E-UTRA1×2×2.2×2.5E-UTRA1×4×3.3×5.5E-UTRA2×2SU-MIMO×2.3×1.1场景三平均用户吞吐量小区边缘用户吞吐量×UTRA×UTRAUTRA基线×1.0×1.0E-UTRA1×2×2.2×2.0E-UTRA1×4×3.3×4.210.2.4吞吐量和频谱效率LTE系统的评估吞吐量如表10-16（下行、场景一）和表10-17（下行、场景三）所示。场景一平均用户吞吐量边缘小区用户吞吐量×UTRA×UTRAUTRA基线

1×2×1.0×1.0E-UTRA2×2SU-MIMO×3.2×2.7E-UTRA4×2SU-MIMO×3.5×3.0E-UTRA4×4SU-MIMO×5.0×4.4场景三平均用户吞吐量边缘小区用户吞吐量×UTRA×UTRAUTRA基线

1×2×1.0×1.0E-UTRA2×2SU-MIMO×3.0×2.3E-UTRA4×2SU-MIMO×3.6×2.8E-UTRA4×4SU-MIMO×4.6×4.810.2.4吞吐量和频谱效率LTE系统的评估频谱效率如表10-18（上行、场景一和场景三）和表10-19（下行、场景一和场景三）所示。场景一场景三（bps/Hz/cell）×UTRA（bps/Hz/cell）×UTRAUTRA基线0.332×1.00.316×1.0E-UTRA1×20.735×2.20.681×2.2E-UTRA1×41.103×3.31.038×3.3E-UTRA2×2SU-MIMO0.776×2.3——场景一场景三（bps/Hz/cell）×UTRA（bps/Hz/cell）×UTRAUTRA基线

1×20.53×1.00.52×1.0E-UTRA2×2SU-MIMO1.69×3.21.56×3.0E-UTRA4×2SU-MIMO1.87×3.51.85×3.6E-UTRA4×4SU-MIMO2.67×5.02.41×4.610.2.4吞吐量和频谱效率LTE上/下行频谱效率和小区平均吞吐量与R6HSPA和R8HSPA+的对比情况如图10-8所示。10.2.5移动性1．对不同的移动速度提供支持LTE系统在移动性方面提供的支持包括：对于移动速度小于15km/h的低速移动系统，继续进行优化；对于移动速度在15～120km/h的中速移动系统，实现较高的性能；对于移动速度在120～350km/h甚至500km/h的高速移动提供支持。10.2.5移动性2．切换时用户平面中断时长估计一般的与时延相关的切换过程如图10-9所示。10.2.5移动性在FDD帧结构的情况下，时延各个部分的平均估计值见表10-20所示。构

成场景时延估计（ms）RACH过程时延估计（ms）专用RACH过程（a）