11 TM511711EN02GLA01 Performance

8/11/2019 11 TM511711EN02GLA01 Performance

http://slidepdf.com/reader/full/11-tm511711en02gla01-performance 1/32

Performance

Performance

Contents

1

Overview of FDD Performance Evaluation 3

2

Peak Bit Rates 9

3 Coverage 12

4

Throughput 16

5

TDD Performances 19

6 Comparison with Performances of UMTS 29

TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks

1



Performance

TM5117EN02GLA01

© 2010 Nokia Siemens Networks2



Performance

1 Overview of FDD Performance Evaluation


3



Performance

Evolution of performance figures is shown in the next figure. HSPA R7/R8: values for2x2 MIMO and 64 QAM. Latency for HSPA R6 is 10ms TTI and 2 ms TTI areconsidered for R7/ R8.

TM5117EN02GLA01




Performance

Downlink Spectral Efficiency

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

UTRA baseline E-UTRA 2x2

b p s / H z / c e l l

Alcatel-Lucent

Ericsson

Huawei

InterDigital

Motorola

NECNortel

Nokia-Siemens

Qualcomm

Samsung

Texax Instruments

Average

HSPA0.53 bps

LTE 1.69

bps

– Downlink spectral efficiency shown to be 3 x HSPA R6 (=UTRA baseline), which

was the target of LTE

Fig. 2Downlink Spectral Efficiency

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TM5117EN02GLA01




Performance

Uplink Spectral Efficiency

– Uplink spectral efficiency shown to be >2 x HSPA R6, which was the target of LTE

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

UTRA baseline E-UTRA 1x2

b p s / H

z / c e l l

Alcatel-Lucent

Ericsson

Huawei

InterDigital

Motorola

NECNortel

Nokia-Siemens

Qualcomm

Samsung

Texax Instruments

Average

HSPA

0.33 bps

LTE 0.74

bps

Fig. 3Uplink Spectral Efficiency

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7



Performance

0

5

10

15

20

25

30

35

40

4550

HSPA (10-ms) i-HSPA (2-ms) LTE

ms

Latency Evolution

LTE specs enable10 ms round trip

time

Approx 15 ms gainexpected from

shorter 2-ms TTI

– Internet-HSPA provides further improvement in latency – WiMAX latency expected 30 ms – Reference: DSL can provide <10 ms round trip time

Fig. 4Latency Evolution

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Performance

Peak bit rates depend on the actual configuration and the tate scales with the cellbandwidth. Note, there is a limitation of the transport block size, i.e. exceeding thesevalues (e.g. in case coding = 1/1) is only relevant for the physical layer.

EXERCISE:

Consider a cell configuration of 2x2 MIMO, 20 MHz bandwidth.

With 64 QAM 6 bits/symbol can be transmitted per antenna.

This would result in 20 x 2 x 6 =240 Mbit/sec brutto rate.

Calculate various overheads in percent and the resulting max data rate of 172Mbit/sec.

TM5117EN02GLA01




Performance

LTE Peak Data Rates

• Downlink: Peak Rate 172 Mbps with 2x2 MIMO and 20 MHz

Modulation coding 1.4 MHz 3.0 MHz 5.0 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz

QPSK 1/2 Single stream 0.7 2.1 3.5 7.0 10.6 14.116QAM 1/2 Single stream 1.4 4.1 7.0 14.1 21.2 28.316QAM 3/4 Single stream 2.2 6.2 10.5 21.1 31.8 42.464QAM 3/4 Single stream 3.3 9.3 15.7 31.7 47.7 63.664QAM 1/1 Single stream 4.3 12.4 21.0 42.3 63.6 84.964QAM 3/4 2x2 MIMO 6.6 18.9 31.9 64.3 96.7 129.164QAM 1/1 2x2 MIMO 8.8 25.3 42.5 85.7 128.9 172.164QAM 1/1 4x4 MIMO 16.6 47.7 80.3 161.9 243.5 325.1

Modulation coding 1.4 MHz 3.0 MHz 5.0 MHz 10 MHz 15 MHz

QPSK 1/2 Single stream 0.7 2.0 3.5 7.1 10.8 14.316QAM 1/2 Single stream 1.4 4.0 6.9 14.1 21.6 28.516QAM 3/4 Single stream 2.2 6.0 10.4 21.2 32.4 42.8

16QAM 1/1 Single stream 2.9 8.1 13.8 28.2 43.2 57.064QAM 3/4 Single stream 3.2 9.1 15.6 31.8 48.6 64.264QAM 1/1 Single stream 4.3 12.1 20.7 42.3 64.8 85.564QAM 1/1 V-MIMO (cell) 8.6 24.2 41.5 84.7 129.6 171.1

20 MHz

• Uplink: Peak Rate 57 Mbps with 20 MHz and 16QAM

Fig. 5LTE Peak Data Rates

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11



Performance

3 Coverage

TM5117EN02GLA01




Performance

For e.g. rural areas radio network dimensioning may be driven by coverage issues.Cell ranges are limited by the minimum of UL, DL. Ranges are related to a definedservice (i.e. rate, BLER) and are interdependent with capacity considerations.

Similar to 2G/3G a link budget calculation together with propagation models may beapplied in order to find the coverage area of a cell.

EXAMPLE / EXERCISE:

Consider the max. DL cell range (outdoor) for 1 Mbit/sec, 10 % BLER. P = 40 W.

PL[dB] for macro case may be used, 1 slope model, clutter = rural (open), hBS = 30

m,hUE = 1.5 m, f = 2000 MHz:

L(d) [dB] = 105.27 + 35.22 log10(d[km])

a) Which inputs are needed?

b) Which is the max cell range in km?


13



Performance

Cell Edge Data Rate Simulations

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Distance from BTS [relative to cell radius, 1=cell edge]

M b p s

LTE 20 MHz

LTE 10 MHz

LTE 5 MHz

HSDPA 5 MHz

Cell edge G-factor = -4 dB

2x2 MIMO

Median (50%) data rate overthe cell area (70% distance)• HSDPA 3.4 Mbps• LTE 10 MHz 8 Mbps• LTE 20 MHZ 16 Mbps

Fig. 6Cell Edge Data Rate Simulations

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TM5117EN02GLA01




Performance

Suburban indoor

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

LTE900

LTE2100

LTE2500 FDD

WiMAX 2500 TDD

WiMAX 3400 TDD

km

Uplink

Downlink

Cell Range

Assumptions:

• Suburban area

• 50 m BTS antenna• 15 dB indoor loss

• 95% location probability

• Correction factor -5 dB

• 1.5 m terminal antennaheight

– Cell range gets shorter at higher frequency and with TDD

– Cell range for LTE varies in DL from 3.6 km ( LTE900 FDD) to 1.6 km ( LTE 2500 FDD)

Downlink: 1 MbpsUplink: 64 kbps

Fig. 7Cell Range

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15



Performance

4 Throughput

TM5117EN02GLA01




Performance

Other to own interference degrades the rates at the cell borders. By adding the noisecontribution a geometry factor (G factor) can be derived.

These results can be mapped to appropriate MCSs, i.e. transport block sizes.

Furthermore a certain scheduler strategy needs to be defined.

Considering the whole cell area together with the UE distribution leads to anestimation of the overall throughput.

The figure below compares such LTE figures for DL with HSDPA values versusdistance BTS - UE.


17



Performance

Throughput as a Function of Signal to Noise Ratio

0

1

2

3

4

5

6

7

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

SNR, dB

T h r o u g h p u t

, b i t s

p e r s e c o n d p

e r H z

MCS-1 [QPSK,R=1/8]

MCS-2 [QPSK,R=1/5]

MCS-3 [QPSK,R=1/4]

MCS-4 [QPSK,R=1/3]

MCS-5 [QPSK,R=1/2]

MCS-6 [QPSK,R=2/3]

MCS-7 [QPSK,R=4/5]

MCS-8 [16 QAM,R=1/2]

MCS-9 [16 QAM,R=2/3]

MCS-10 [16 QAM,R=4/5]

MCS-11 [64 QAM,R=2/3]

MCS-12 [64 QAM,R=3/4]

MCS-13 [64 QAM,R=4/5]

Shannon

MCS – SINR relation

Fig. 8Throughput as a Function of Signal to Noise Ratio

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Performance

5 TDD Performances


19



Performance

TDD Throughput (2/2)

• TDD exhibits lower throughput

• FDD has twice the bandwidth (DL + UL)

• Solution: Double the bandwidth for TDD!

• Usually TDD systems have larger bandwidth, typically double

than FDD for the same reference capacity.

DL UL DL + UL

TDDFDD

Frequency Frequency

Guard band – carries no

information

Fig. 10TDD Throughput (2/2)

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21



Performance

TDD Throughput Penalty

• TDD has special frames for switching between DL and UL

• GP is the guard period needed for Tx/Rx switching at UE

• Carries no information => throughput waste• DwPTS and UpPTS carry control information

• Hence, there still is some data that can be transmitted in both

directions over the special subframe

• DwPTS/UpPTS partition is variable => difficult to quantify DL/UL gain

in throughput

Subframe n-1 Subframe n Subframe n+1

DL ULDwPTS UpPTS

Special subframe

GP

DwPTS: Downlink Pilot time Slot

UpPTS: Uplink Pilot Time Slot

GP: Guard Period to separate between UL/DL

Fig. 11TDD Throughput Penalty

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Performance

TDD Throughput Penalty – Some Numbers

• When using the same bandwidth as FDD:

Configuration DL subframes UL subframes Number of

special

subframes

DL rate

percentage

UL rate

percentage

0 2 6 2 20% + DwPTS 60% + UpPTS

1 4 4 2 40% + DwPTS 40% + UpPTS

2 6 2 2 60% + DwPTS 20% + UpPTS

3 6 3 1 60% + DwPTS 30% + UpPTS

4 7 2 1 70% + DwPTS 20% + UpPTS

5 8 1 1 80% + DwPTS 10% + UpPTS

6 3 5 2 30% + DwPTS 50% + UpPTS

DwPTS: Downlink Pilot time Slot

UpPTS: Uplink Pilot Time Slot

GP: Guard Period to separate between UL/DL

Fig. 13TDD Throughput Penalty – Some Numbers

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Performance

TDD Transmission Bandwidth

• TDD eNodeBs usually have twice the bandwidth than FDD eNodeBs,

as explained previously

• Double the number of subcarriers for TDD

• Maximum transmit power is still the same

• Transmit power per subcarrier must be halved

• Sensitivity is measured per subcarrier => 3dB degradation

• Coverage is affected => roughly 30% in LOS

Frequency Frequency

TDDFDD

Twice the bandwidth

Same transmit power

Half the power spectral

Fig. 14TDD Transmission Bandwidth

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Performance

TDD Coverage Penalty

TDD cell radius

F D D c e l l

r a d i u s

Outside TDD coverage

Inside FDD coverage

Fig. 15TDD Coverage Penalty

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Performance

TDD Performance

– FDD has better coverage than TDD

– When coming closer to cell edge, TDD tries to increase bandwidth earlier

as Tx time is reduced

Fig. 16TDD Performance

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Performance

A UE at cell edge selects MCS QPSK ¾ and sets the transmission bandwidthaccording to the available transmit power and required SINR. Curves for both FDDand TDD are shown in this figure. It can be seen that when UE moves towards

NodeB, pathloss is reduced and the link gain can be used to increase the UEtransmission bandwidth. As the transmission bandwidth increases, the UE bit ratesalso increases. When the UE target bit rate is reached and the UE pathloss isreduced further we can start increase MCS and reduce the bandwidth allocation toimprove the spectral efficiency while keeping the bit rate on target.

At some point the maximum MCS is reached and only at this point can we start toreduce the UE total transmit power.

While the TDD supports 2Mbps in UL 300 m from eNodeB, FDD increase thecoverage for 2Mbps to 400 m.

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Performance

6 Comparison with Performances of UMTS


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Performance

Link Budget: “fair” Technology Comparison

LTE 2.1GHz – UMTS 2.1GHz: UL/DL 128kbps

General Assumptions

•UMTS 2.1 GHz, LTE 2.1 GHz operating band

•Outdoor macro cell layout in urban

environment (cloverleaf)

•Standard deviation 8 dB

•Cell edge probability 90%

•Cost 231 HATA 2-slope propagation model

with- penetration loss 15dB

- shadowing margin 10.25dB

- Antenna height NB 30m

- Antenna height M.S. 1.5 m

UMTS

•HSDPA/HSUPA ,no Rel’99 traffic

•Equipment parameters- Flexi BTX Tx power : 46dBm- UE Tx power : 24dBm

- Antenna gain : 18dBi- Feeder loss: 3.4dB (incl. jumpers)

- 1Tx-1Rx configuration

- TMA enabled , 0.5dB insertion loss

- Noise figures: UE=7dB, NB=1.7dB

LTE 5MHZ

•Generic frame (Type 1), normal CP

•Equipment parameters- eNodeBTx power : 46dBm

- UE Tx power : 24dBm- Antenna gain : 18dBi

- Feeder loss: 3.4dB (incl. jumpers)

- 1Tx-1Rx configuration- TMA enabled , 0.5dB insertion loss

- Noise figures: UE=7dB, NB=1.7dB

Same parameterization

and assumptions

Fig. 17Link Budget: “fair” Technology ComparisonLTE 2.1GHz – UMTS 2.1GHz: UL/DL 128kbps

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Performance

Comparison between LTE 2.1GHz versus UMTS 2.1GHz Urban

Deployment for UL/DL 128 kbps

Uplink

133.4dB 1134.5dB

HSPA

LTE

0.79km 0.84km

Downlink

142.3dB

LTE

UMTS

1.27km0.97km

137.1dB

Rate increase

Range shrink

HSDPA can

“focus” the

power on few

users,

LTE has flat

power

spectrum

Conclusion

•Delta between max. allowable path loss values

- 5.2dB in downlink benefit of HSPA

- 1.1dB in uplink benefit of LTE

•Delta between outdoor cell range values

- 0.30Km in downlink benefit of HSPA

- 0.05Km in uplink benefit of LTE

•LTE benefit in number of users per TTI

- HSPA→ 3 users at cell edge

- LTE→ 7 users at cell edge

Limiting link

depends on

configuration,

target data rate

Fig. 18Comparison between LTE 2.1GHz versus UMTS 2.1GHz Urban Deployment for UL/DL 128 kbps

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31



Performance

11 TM511711EN02GLA01 Performance

Documents

Transcript of 11 TM511711EN02GLA01 Performance