Dimensioning of lte network Description of Models and Tool, Coverage and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dimensioning of  LTE Network 

Description of  Models and Tool, Coverage and 

Capacity Estimation of  3GPP Long Term Evolution 

radio interface 

 

 

 

Abdul Basit, Syed 

 

 

 

 

Masters Thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the  

Degree of Masters of Science in Technology 

 

Espoo,       February, 2009 

 

Supervisor: 

                        Professor Riku Jäntti         

  

Instructor: 

 

 

Paolo Zanier   

- 

 

 

DEDICATION 

 

 

 

To  

 

 

Prophet of Islam  

MUHAMMAD 

(Peace and blessings of God be upon him)

 

 

ii 

HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY  

Abstract of the Master’s Thesis

 

 

Author: 

 

Abdul Basit, Syed 

Name of Thesis: 

Dimensioning  of  LTE  Network.  Description  of  Models  and  Tools, 

Coverage and Capacity Estimation of 3GPP Long Term Evolution  

Date:   

 

20.02.2009 

 

 

Number of Pages: 71 

Department:   

Department of Electrical and Communications Engineering 

Professorship: 

S-72 Communications Laboratory 

Supervisor: 

 

Professor Riku Jäntti 

Instructor: 

 

Paolo Zanier  

 

Long Term Evolution (LTE) is 3GPP enhancement to the current cellular system in use. 

The  purpose  of  developing  this  system  is  to  keep  3GPP  systems  competent  enough  for 

decades to come. LTE is designed to have wider channels up to 20MHz, with low latency 

and  packet  optimized  radio  access  technology.  The  peak  data  rate  envisaged  for  LTE  is 

100  Mbps  in  downlink  and  50  Mbps  in  the  uplink.  With  OFDM  as  the  radio  access 

technology,  LTE  has  very  promising  features,  like  bandwidth  scalability  and  both  FDD 

and  TDD  duplexing  methods.  This  thesis  is  related  to  the  dimensioning  of  LTE  radio 

access networks and the development of tool for dimensioning purpose. 

 

Different steps of the dimensioning process are listed and explained. Methods and models 

for coverage and capacity planning are developed for dimensioning of LTE radio access 

networks. Special emphasis is laid on radio link budget along with detailed coverage and 

capacity.  The  results  are  fabricated  in  an  easy-to-use  tool  for  dimensioning.  The  tool  is 

made in Excel to serve the ease of working.  

 

Particular  importance is given  to  clarity  in  the  design  of  dimensioning  tool,  achieved  by 

dividing  the  tool into clearly  defined  sections.  Inputs  and  outputs  are  placed  on  separate 

sheets. The dimensioning tool calculates the number of cells needed to cover a given area 

with  the  user-provided  parameters.  Excel  based  tool  covers  all  the  basic  aspects  of  the 

dimensioning process for LTE Access Networks. 

 

Keywords: 3GPP, LTE, Dimensioning, Network Planning, Capacity, Traffic Models.  

 

 

iii

 

Table of  Contents 

 

Table of Contents.......................................................................................................... iii 

Acknowledgments...........................................................................................................v 

List of Abbreviations ......................................................................................................vi 

List of Figures................................................................................................................ix 

List of Tables .................................................................................................................ix 

1 

Introduction ........................................................................................................... 1 

1.1 

Objectives and Approach ................................................................................................. 2 

1.1.1

 

Methodology........................................................................................................................2

 

1.1.2

 

Dimensioning Tool.............................................................................................................4

 

1.2 

Thesis Layout ..................................................................................................................... 4 

2 

Long Term Evolution of 3GPP (LTE) and Dimensioning......................................5 

2.1 

LTE Overview.................................................................................................................... 6 

2.2 

Requirements for LTE ...................................................................................................... 6 

2.3 

Multiple Access Techniques............................................................................................. 7 

2.3.1

 

OFDMA for DL .................................................................................................................8

 

2.3.2

 

SC-FDMA for UL ............................................................................................................11

 

2.4 

Bandwidth Scalability ...................................................................................................... 12 

2.5 

Network Architecture ..................................................................................................... 13 

2.6 

E-UTRAN Interfaces...................................................................................................... 15 

3 

Dimensioning of LTE Network............................................................................ 17 

3.1 

Wireless Cellular Network Dimensioning.................................................................... 17 

3.2 

LTE Access Network Dimensioning............................................................................ 21 

3.2.1

 

Inputs of LTE Dimensioning .........................................................................................22

 

3.2.2

 

Outputs of LTE Dimensioning......................................................................................23

 

3.2.3

 

LTE Dimensioning Process ............................................................................................23

 

4 

Coverage Planning and Radio Link Budget.......................................................... 27 

4.1 

Radio Link Budget ........................................................................................................... 28 

 

 

iv 

4.1.1

 

Other-to-own cell interference (i) ..................................................................................32

 

4.2 

Required SINR ................................................................................................................. 33 

4.2.1

 

Spectral Efficiency ............................................................................................................33

 

4.3 

Interference....................................................................................................................... 36 

4.4 

Coverage-based Site Count ............................................................................................ 38 

5 

Capacity Planning ................................................................................................ 40 

5.1 

LTE Capacity Planning ................................................................................................... 40 

5.2 

Average Cell Throughput Calculations......................................................................... 41 

5.3 

Traffic demand estimation and Overbooking factor.................................................. 43 

5.4 

Capacity based site count................................................................................................ 44 

6 

Tool for LTE Dimensioning................................................................................. 45 

6.1 

Methodology and Structure............................................................................................ 45 

6.2 

Dimensioning inputs ....................................................................................................... 46 

6.3 

Tables and background data........................................................................................... 48 

6.4 

Radio link budget ............................................................................................................. 50 

6.5 

Capacity Evaluator........................................................................................................... 52 

6.6 

Dimensioning Output ..................................................................................................... 53 

7 

Conclusion and Future Work ................................................................................ 56 

7.1 

Conclusion ........................................................................................................................ 56 

7.2 

Future Work ..................................................................................................................... 57 

8 

References ............................................................................................................ 58 

 

 

 

v 

 Acknowledgments 

 

 

 

This Master’s thesis was completed at Nokia Oyj during the period of June 2006 – January 2007. 

 

I am deeply indebted to Dr. David Soldani and Paolo Zanier, who has been my instructors for 

this  work.  I  am  grateful  for  their  cooperation,  encouragement  and  invaluable  guidance 

throughout  the  thesis.  I  must  extend  my  gratitude  to  my  supervisor,  Professor  Riku  Jäntti  for 

being always so supportive and cooperative.   

 

I  am  deeply  and  forever  obliged  to  my  family  for  their  love,  support  and  encouragement 

throughout my entire life.  

 

I  am  thankful  to  all  my  colleagues  at  Nokia  for  extending  their  technical  support  and  advice 

during the work, especially Murad Keskinege, Flavio Parodi, Mikko Kylvaya, Paolo Zanier, Jose 

Alonso-Rubio and Michael Abromowski.   

 

At  the  end,  my  sincere  thanks  go  to  my  friends  and  seniors  at  HUT  for  their  help  and 

motivation.  

 

 

Syed, Abdul Basit 

Espoo, February 2009 

 

 

vi 

List of  Abbreviations 

 

2G 

 

 

 

 

2nd Generations 

3G 

 

 

 

 

3rd Generations 

3GPP   

 

 

 

3rd Generation Partnership Project 

ACK   

 

 

 

Acknowledgment 

aGW   

 

 

 

Access Gateway 

ARIB   

 

 

 

Association of Radio Industries and Businesses 

ATIS   

 

 

 

Alliance for Telecommunications Industry Solutions 

ANSI   

 

 

 

American National Standards Institute 

BCCH 

 Broadcast Control Channel. 

BW 

 

 

 

 

Bandwidth 

CAPEX 

 

 

 

Capital expenses 

CCPCH  

 

 

 

Common Control Physical Channel 

CCSA   

 

 

 

China Communications Standards Association 

CDF   

 

 

 

Cumulative Distribution Function 

CDMA  

 

 

 

Code Division Multiple Access 

CN 

 

 

 

 

Core Network 

CP 

 

 

 

 

Cyclic Prefix 

CQI 

 

 

 

 

Channel Quality Indicator 

DL 

 

 

 

 

Downlink 

DSCH   

 

 

 

Downlink Shared Channel 

DVB-H 

 

 

 

Digital Video Broadcast - Handhelds 

E-UTRAN 

 

 

 

Enhanced – UMTS Terrestrial Radio Access Network 

eNB   

 

 

 

Enhanced Node B 

EPC   

 

 

 

Evolved Packet Core 

eSFN   

 

 

 

Enhanced System Frame Number 

ETSI   

 

 

 

European Telecommunications Standard Institute 

FDD   

 

 

 

Frequency Division Duplex 

FDMA  

 

 

 

Frequency Division Multiple Access 

GSM   

 

 

 

Global System for Mobile  

GPRS   

 

 

 

General Packet Radio System 

 

 

vii

GGSN  

 

 

 

Gateway GPRS Support Node 

HSDPA 

 

 

 

High Speed Downlink Packet Access 

HSPA   

 

 

 

High Speed Packet Access 

 HSUPA  

 

 

 

High Speed Uplink Packet Access 

HS-DSCH 

 

 

 

High Speed Downlink Shared Channel 

HS-PDSCH 

 

 

 

High Speed Physical Downlink Shared Channel 

HS-SCCH 

 

 

 

High Speed Shared Control Channel 

IP 

 

 

 

 

Internet Protocol 

IETF   

 

 

 

Internet Engineering Task Force 

L1 

 

 

 

 

Layer 1 

L2 

 

 

 

 

Layer 2 

LB 

 

 

 

 

Long Block 

LTE   

 

 

 

Long Term Evolution 

MAC   

 

 

 

Medium Access Control 

MBMS  

 

 

 

Multimedia Broadcast Multicast Service  

Mbps   

 

 

 

Megabits per second 

MCS   

 

 

 

Modulation Coding Scheme 

MME   

 

 

 

Mobility Management Entity 

MSC   

 

 

 

Mobile Switching Centre 

NFFT   

 

 

 

Number of Samples of FFT 

OBF   

 

 

 

Overbooking Factor 

OFDM  

 

 

 

Orthogonal Frequency Division Multiplexing 

OFDMA  

 

 

 

Orthogonal Frequency Division Multiple Access 

OPEX  

 

 

 

Operating Expenses 

PBCH   

 

 

 

Physical Broadcast Channel 

PCRF   

 

 

 

Policy and Charging Rules Function 

PDCCH 

 

 

 

Physical Downlink Control Channel 

PDCP   

 

 

 

Packet Data Convergence Protocol 

PDF   

 

 

 

Probability Distribution Function 

PDSCH 

 

 

 

Physical Downlink Shared Channel 

PHY   

 

 

 

Physical Layer 

PS 

 

 

 

 

Packet Switched 

PDSCH  

 

 

 

 Physical Downlink Shared Channel 

 

 

 

 

viii 

PDSCCH  

 

 

 

Physical Downlink Shared Control Channel 

PUCCH 

  

 

 

Physical Uplink Control Channel  

PUSCH 

 

 

 

Physical Uplink Shared Channel 

QAM   

 

 

 

Quadrature Amplitude Modulation 

QoS 

 

 

 

 

Quality of Service 

QPSK   

 

 

 

Quadrature Phase Shift keying 

RAN   

 

 

 

Radio Access Network 

RB 

 

 

 

 

Resource Block 

RLB   

 

 

 

Radio Link Budget 

RLC   

 

 

 

Radio Link Control 

RNC   

 

 

 

Radio Network Controller 

RRC   

 

 

 

Radio Resource Control 

SAE   

 

 

 

System Architecture Evolution 

SB 

 

 

 

 

Short Block 

SFN    

 

 

 

System Frame Number 

SGSN   

 

 

 

Serving GPRS Support Node 

SINR   

 

 

 

Signal to Interference and Noise Ratio 

SISO   

 

 

 

Single Input Single Output 

SNR   

 

 

 

Signal to Noise Ratio 

SC-FDMA 

 

 

 

Single Carrier-Frequency Division Multiple Access 

SCTP   

 

 

 

Stream Control Transmission Protocol 

TDD   

 

 

 

Time Division Duplex 

TE 

 

 

 

 

Terminal Equipment 

TTA   

 

 

 

Telecommunications Technology Association 

TTC   

 

 

 

Telecommunication Technology Committee 

TTI 

 

 

 

 

Transmission Time Interval 

UE 

 

 

 

 

User Equipment 

UL 

 

 

 

 

Uplink 

UMTS   

 

 

 

Universal Mobile Telecommunication System 

UPE   

 

 

 

User Plane Entity 

UTRAN 

 

 

 

UMTS Terrestrial Radio Access Network 

U-plane 

 

 

 

User Plane 

WCDMA 

 

 

 

Wideband Code Division Multiple Access 

WiMAX  

 

 

 

Worldwide Interoperability for Microwave Access 

 

 

ix 

List of  Figures 

Figure 1-1: Flow chart of Project Work ----------------------------------------------------------------------------------- 3

 

Figure 2-1: OFDM Symbol Time Structure [11] ------------------------------------------------------------------------- 9

 

Table 2-1: Physical Layer parameters [11] ------------------------------------------------------------------------------- 9

 

Figure 2-2: Downlink frame structure for frames with short cyclic prefix [11] -------------------------------------10

 

Figure 2-3: Downlink frame structure for frames with long cyclic prefix [11] --------------------------------------11

 

Figure 2-4: UL Frame Structure for LTE [11]---------------------------------------------------------------------------11

 

Table 2-2: UL Physical Layer Parameters [11] -------------------------------------------------------------------------12

 

Figure 2-5: E-UTRAN Architecture [4] -----------------------------------------------------------------------------------13

 

Figure 2-6: E-UTRAN Interfaces [4]--------------------------------------------------------------------------------------15

 

Figure 3-1: General wireless cellular network planning process -----------------------------------------------------18

 

Figure 3-2: General radio link budget of a wireless cellular network [31] ------------------------------------------20

 

Figure 3-3: LTE network dimensioning -----------------------------------------------------------------------------------24

 

Figure 4-1: LTE spectral efficiency as function of G-factor (in dB) including curves for best Shannon fit [21] 35

 

Figure 4-2: CDF for G-factors of an LTE system (with different scenarios)[21] -----------------------------------36

 

Table 4-1: load versus Interference margin ------------------------------------------------------------------------------37

 

Figure 4-3:  load versus Interference margin ----------------------------------------------------------------------------38

 

Figure 4-4: Three different types of sites (Omni-directional, bi-sector, tri-sector) ---------------------------------38

 

Table 5-1: DL average cell throughput for LTE -------------------------------------------------------------------------42

 

Figure 6-1: Dimensioning tool: Capacity Inputs ------------------------------------------------------------------------47

 

Figure 6- 2: Dimensioning tool: Coverage Inputs -----------------------------------------------------------------------48

 

Figure 6- 3: Dimensioning tool: Traffic models -------------------------------------------------------------------------49

 

Figure 6-4: Dimensioning tool: Capacity evaluator --------------------------------------------------------------------51

 

Figure 6-5: Dimensioning tool: Capacity evaluator --------------------------------------------------------------------52

 

Figure 6-6: Dimensioning tool: Forecast---------------------------------------------------------------------------------53

 

Figure 6-7: Dimensioning tool: Outputs ----------------------------------------------------------------------------------55

 

List of  Tables 

 

Table 

 

2-1: Physical Layer parameters [11].......................................................................................................... 9

 

Table 

 

2-2: UL Physical Layer Parameters [11] ................................................................................................. 12

 

Table 

 

4-1: load versus Interference margin........................................................................................................ 37

 

Table 

 

5-1: DL average cell throughput for LTE ................................................................................................. 42

 

 

1 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

Introduction 

 

 

 

Telecommunication  industry  is  experiencing  the  emergence  of  a  number  of  competing  and 

enhancing technologies, including, WiMAX, HSPA, DVB-H. With the user requirements on the 

ever  increasing  side  cellular  networks  are  facing  greater  than  ever  competition  from  other 

technologies.  HSPA  (High  speed  packet  access)  and  MBMS  (multimedia  broadcast  and 

multicast  service)  has  enhanced  the  3G  networks  by bringing important  capabilities,  but  these 

improvements  are  still  not  enough  to  match  broadcasting  technologies  (such  as  DVB-H)  or 

broadband  wireless  access  (like  WiMAX)  for  delivering  modern  services,  e.g.  mobile  TV, 

internet access and other important services[1]. Therefore, 3G networks need a major overhaul 

to remain competitive in the future.  

 

In order to stay competitive in the long run, 3GPP (Third generation partnership project) has 

initiated  activity  on  the  long  term  evolution  of  UTRAN  (Universal  Terrestrial  Radio  Access 

Network), which is eyeing clearly beyond to what the WCDMA can do with HSDPA or High 

Speed Uplink Packet Access (HSUPA). 3GPP’s answer to this demanding situation is 3G LTE 

(Long  term  evolution)  or  Super  3G,  which  could  dramatically  boost  the  capabilities  of  3G 

networks and make it par with the other technologies [2]. 

 

 

 

2 

LTE is a system with larger bandwidths (up to 20 MHz), low latency and Packet optimized radio 

access technology having peak data rates of 100 Mbps in downlink and 50 Mbps in the uplink 

[3,4]. Radio access technology for LTE is OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) 

which provides higher spectral efficiency and more robustness against mulitpath and fading, as 

compared to CDMA (Code division multiple access).  In order to offer the operators increased 

flexibility  in  network  deployment,  the  LTE  system  supports  bandwidth  scalability  and  both 

FDD and TDD duplexing methods. The system also supports both unicast and multicast traffic 

– in cell sizes from local area or micro cells (hundreds of meters) up to large macro cells (>10 

km in radius) [4,5]. 3GPP is looking for market introduction of LTE around 2012. 

 

1.1