ＦｕＴＵＲＥ ４Ｇ ＴＤＤ試驗系統(tǒng)鏈路預算與組網(wǎng)分析

摘要：FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)采用了3.5 GHz頻段作為載波頻率，使用了寬帶多輸入多輸出(MIMO)、正交頻分復用(OFDM)等一系列關鍵技術，這給FuTURE 4G TDD試驗網(wǎng)的鏈路預算及組網(wǎng)分析等工作帶來了挑戰(zhàn)。文章探討了基于3.5 GHz頻段的實測電波傳播模型以及試驗系統(tǒng)的射頻參數(shù)的鏈路預算，并進一步結合MIMO系統(tǒng)外場實測數(shù)據(jù)進行了試驗系統(tǒng)組網(wǎng)分析及網(wǎng)絡規(guī)劃工作。FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)及試驗網(wǎng)已經(jīng)順利完成并通過鑒定驗收，全面達到了預期指標，試驗系統(tǒng)支持2基站3用戶的配置，支持多用戶，支持移動性，提供高達100 Mb/s的峰值數(shù)據(jù)速率，支持高清晰數(shù)字電視、高速數(shù)據(jù)下載、IP電話等業(yè)務。

關鍵詞：未來移動通信計劃；第4代移動通信；時分雙工；試驗系統(tǒng)；鏈路預算；組網(wǎng)分析

Abstract: The FuTURE 4G Time Division Duplex (TDD) trial system uses 3.5 GHz carrier frequency， and several crucial technologies including broadband Multiple Input Multiple Output (MIMO) and Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)， which challenges the link budget and networking analysis of the FuTURE 4G TDD trial network. This paper analyzes the practical 3.5GHz based propagation model， and the link budget of Radio Frequency (RF) parameters of the trial system. Moreover， it introduces networking analysis and network planning of the trial system which combines the field test results of the MIMO system. The FuTURE 4G TDD trial system and its trial network have been accomplished with successful checkup. The trial system fulfills all the requirements with two Access Points (AP) and three Mobile Terminals (MT)， supports multi-user， mobility， a high peak rate of 100 Mb/s， High-Definition TV (HDTV)， high-speed data download， and Voice over IP (VoIP) services.

Key words: FuTURE; 4G; TDD; trial system; link budget; networking analysis

基金項目：國家自然科學基金重大項目(60496312)；國家“863”計劃項目(2003AA12331004、2006AA01Z260)

針對下一代移動通信系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作得到全世界范圍的關注，如何在下一代移動通信系統(tǒng)中進一步提高頻譜利用率、為用戶提供更好的業(yè)務體驗成為研究者首要關心的目標。

中國于2001年開始了關于下一代移動通信系統(tǒng)的研究工作，依托國家“863”高科技計劃形成了未來移動通信計劃(FuTURE)[1]，負責中國4G移動通信系統(tǒng)的研究以及試驗系統(tǒng)的開發(fā)、測試工作。FuTURE計劃研究與開發(fā)的目標是面向未來10年無線通信領域的發(fā)展趨勢與需求，研究下一代移動通信技術，建立相關關鍵技術驗證系統(tǒng)，支持面向未來的無線通信新業(yè)務，并在4G標準化等方面發(fā)揮積極的作用。

FuTURE計劃包括兩個研究分支，一為頻分雙工(FDD)4G系統(tǒng)，另一分支為時分雙工(TDD)4G系統(tǒng)[2]。其中FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)于2006年6月開發(fā)完成，整套試驗系統(tǒng)共包括2套基站接入點設備(AP)、3套移動終端設備(MT)，提供支持移動性的多小區(qū)組網(wǎng)測試環(huán)境。

FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)采用了一系列先進的技術，包括多入多出技術(MIMO)、正交頻分多址技術(OFDM)、軟分數(shù)頻率復用技術、廣義分布式網(wǎng)絡架構[3]等。

針對FuTURE 4G試驗系統(tǒng)的組網(wǎng)要求，在FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試結束，將要開始進行試驗網(wǎng)搭建以及系統(tǒng)組網(wǎng)測試時，需要提前進行關于FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的鏈路預算以及組網(wǎng)分析工作，以確定試驗網(wǎng)如何搭建、如何規(guī)劃。由于FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)采用3.45 GHz頻段作為載波頻率，而關于3.5 GHz頻段電波的傳播特性國內(nèi)外研究較少，尚缺乏通用的傳播模型；另外，由于FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)采用了MIMO技術，而MIMO技術對天線的架設位置、實際無線傳播環(huán)境等較為敏感。所以針對FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的鏈路預算與組網(wǎng)分析工作成為了試驗網(wǎng)能否成功搭建的關鍵。

本文介紹針對采用3.45 GHz載頻、采用MIMO技術的FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的鏈路預算工作以及基于實際無線環(huán)境的外場測試與試驗網(wǎng)組網(wǎng)分析等工作。

1 試驗系統(tǒng)射頻參數(shù)

在進行FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的鏈路預算工作之前，需要分析該試驗系統(tǒng)的射頻設備的相關參數(shù)，特別是試驗系統(tǒng)的發(fā)射功率、接收機靈敏度、噪聲系數(shù)、天線方向圖、天線高度、天線增益等。針對MIMO技術的采用，還需要特別考慮多天線的配置情況以及多天線之間的幾何分布等。

FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的詳細射頻參數(shù)指標參見表1。

2 試驗系統(tǒng)鏈路預算

根據(jù)FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的射頻設備參數(shù)，在進行鏈路預算工作時，需要根據(jù)3.5 GHz左右頻段的電波傳播特性，通過傳播模型進行信號覆蓋范圍的計算，進而得到FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)的覆蓋范圍參考值。

2.1 3.5 GHz頻段電波傳播特性

FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)采用了3.5 GHz頻段的載頻，中心工作頻率為3.45 GHz，頻帶寬度為20 MHz。目前，針對電波傳播特性的研究，比較常用的傳播模型包括奧村(Okumura)模型和Hata模型，其中Hata模型又可以分為適用于頻率范圍為150～1 500 MHz頻段的Okumura-Hata模型和頻段擴展到2 GHz的Cost231-Hata模型[4-5]等。由于實際無線環(huán)境非常復雜，不可能進行精確的理論建模，在實際應用中，需要針對不同的環(huán)境選擇合適的傳播模型，沒有一個模型可以適用于所有的傳播環(huán)境。

FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)采用的載波頻段為3.45 GHz，所以奧村模型和Hata模型均不再適用。目前關于3.5 GHz左右頻段的電波傳播特性的研究在國內(nèi)外正在逐漸得到重視，由于2 GHz左右頻段的應用目前十分擁擠，未來移動通信系統(tǒng)將有可能采用更高的工作頻段，所以關于3.5 GHz、5 GHz頻段的電波傳播特性的研究已經(jīng)得到開展。

北京郵電大學無線新技術研究所在3.5 GHz頻段的電波傳播特性方面做了比較深入的研究，在以北京郵電大學為中心的市區(qū)環(huán)境進行了大量電波傳播特性的測試測量工作，在對大量的測試數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析后，得到了3.5 GHz頻段的電波傳播特性的傳播模型[6-7]。

圖1表示了以北京郵電大學為中心的3.5 GHz頻段電波傳播特性的實測區(qū)域，圖1中心圓點位置為天線架設地點，位于北京郵電大學的主樓樓頂，測試天線配置為1發(fā)2收，測試區(qū)域的半徑達到2 km以上，最大移動速度100 km/h。

表2為根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析得到的路徑損耗因子數(shù)值，分別給出了以天線架設地點為中心，東西南北4個朝向的路徑損耗因子數(shù)值以及平均路徑損耗因子。

FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的鏈路預算工作將依據(jù)3.5 GHz頻段的實測模型進行計算，由于FuTURE 4G TDD試驗網(wǎng)搭建將以北京郵電大學為中心，所以，基于北京郵電大學環(huán)境的實測數(shù)據(jù)得到的該傳播模型具有更加準確的適用性。

根據(jù)實測模型，3.5 GHz頻段的路徑損耗模型如式(1)所示：

其中PL(d )為電波傳輸經(jīng)過距離d 后的路徑損耗，以公里為單位，λ為波長，d 0為參考距離，計算中取10 m。為了保證得到可靠的鏈路預算，在計算中需要預留出一定的余量，所以在實際計算中，路徑損耗因子n以最大值(北向)代入。

2.2 接收機靈敏度的計算

接收機靈敏度是表征接收機能夠正確接收并識別信號的下限，在鏈路預算工作中，必須保證發(fā)射信號經(jīng)過空間衰減到達接收機時能夠被接收機正確識別。

FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)中，由于上行移動終端(MT)最大發(fā)射功率小于基站接入點(AP)端的發(fā)射功率，所以整個試驗系統(tǒng)是上行受限的，因此需要以上行為例來計算系統(tǒng)的覆蓋范圍。

根據(jù)試驗系統(tǒng)的性能指標要求以及射頻參數(shù)，AP端的接收靈敏度計算如下：

根據(jù)FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的性能指標，當誤碼率(BER)指標達到10-6時，所需的Eb /N0為3 dB，考慮到試驗系統(tǒng)硬件實現(xiàn)時的開銷，將Eb /N0換算為信噪比(SNR)為12.3 dB(試驗系統(tǒng)采用16QAM調(diào)制，1/3編碼)，即輸出的SNR out為12.3 dB。

根據(jù)表1，AP接收機噪聲系數(shù)F =5 dB。所以AP接收端所需要的輸入信噪比為：

SNRin =SNRout +F =17.3 dB (2)

熱噪聲可以通過公式N =KTB計算得到。其中K為波爾茲曼常數(shù)，值為1.381×10-23 W/Hz/K，T為室溫(290 K)，B為帶寬(20 MHz)，噪聲功率可以通過如下計算得到：

N =KTB

=10lg(1.381×10-23×290×20×106)

=-131.9 dBW

=-101.9 dBm(3)

AP端天線增益GAP =14 dBi。所以AP所能接收到的信號功率最小值(接收機靈敏度)為：

Prmin =SNRout +F -GAP +N =-98.9 dBm (4)

2.3 系統(tǒng)最大可承受鏈路損耗參數(shù)的計算

根據(jù)上節(jié)計算得到的接收機靈敏度以及MT最大發(fā)射功率，可以計算得系統(tǒng)最大可承受的鏈路損耗值。

發(fā)送端天線增益為G MT =5 dBi。在BER要求為10-6時，MT采用27 dBm的最大發(fā)射功率，系統(tǒng)可承受的鏈路總損耗最大為：

PL max =P tmax-P min +G MT -L other

=27+98.9+5-2

=128.9 dB (5)

其中L other為FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)中的饋線損耗等其他損耗，約為2 dB。

另外，在實際環(huán)境中，還需要考慮陰影衰落保護余量以及快衰落保護余量，參考工程中使用實際環(huán)境估計值[8-9]，快衰落保護余量為3 dB，陰影衰落保護余量為7 dB，此時系統(tǒng)最大可承受的路徑損耗可以得到為：

PL’max=128.9 dB - 3 dB -7 dB = 118.9 dB (6)

2.4 系統(tǒng)最大可覆蓋區(qū)域的計算

基于式(1)給出的3.5 GHz頻段實測模型鏈路損耗計算公式，在PL(d )=118.9 dB時，代入式(1)：

PL(d max)=PL(d 0)+10n lg()

=138.4+10×3.76×lg(d max)

=118.9 dB (7)

可以計算得到FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)上行最大覆蓋半徑為：

d max = 0.303 km (8)

為了使移動終端可以在2個AP之間進行切換，保證業(yè)務的連續(xù)性，F(xiàn)uTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的覆蓋范圍應該小于上行最大覆蓋半徑。

3 試驗系統(tǒng)組網(wǎng)分析

根據(jù)FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的鏈路預算計算結果，可以進一步進行FuTURE 4G TDD試驗網(wǎng)的組網(wǎng)分析工作。試驗網(wǎng)的建設將以北京郵電大學為中心，網(wǎng)絡建設的目標為支持2基站3移動終端的試驗網(wǎng)，支持多用戶以及用戶移動性，并可以提供高達100 Mb/s的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率。

雖然在鏈路預算的計算過程中采用了根據(jù)北京郵電大學實際環(huán)境實測得到的3.5 GHz頻段電波傳播模型，但是理論計算結果與實際無線環(huán)境仍然可能會有一定的差別。尤其是FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)采用了MIMO技術，而MIMO技術對多天線的布局、架設以及無線環(huán)境等因素均較為敏感，所以在鏈路預算的基礎上，還需要進行實際無線環(huán)境的外場實測與分析工作，以確定2個基站的架設位置、基站間距以及切換區(qū)域的規(guī)劃等組網(wǎng)分析工作。

3.1 實際無線環(huán)境外場測試

FuTURE 4G TDD系統(tǒng)進行實際無線環(huán)境外場測試的基本射頻參數(shù)如表3所示，由于保證硬件設備維持正常調(diào)試的需要，在進行無線環(huán)境外場測試時，MIMO配置采用了2發(fā)4收的簡化配置，即發(fā)送天線采用2根120度方向性天線，以保證較高的天線增益，最大發(fā)射功率為27 dBm，接收天線采用4根全向天線。發(fā)送端多天線布局為水平線陣布局，間隔1.5 m，傾角小于15度，天線朝向為西向，收端4天線采用水平線陣布局，間隔1 m。

實際無線環(huán)境的外場測試過程中，接收端通過統(tǒng)計接收到數(shù)據(jù)的誤塊率(BLER)來判斷通信質(zhì)量的高低。外場測試環(huán)境為北京郵電大學校園環(huán)境，外場測試的測量范圍覆蓋大約為350 m×200 m的矩形區(qū)域，屬于建筑密集區(qū)域，信號反射、繞射、散射體較為豐富，樹木遮擋、樓宇遮擋環(huán)境較多。

通過使用測試車在測試區(qū)域內(nèi)多次測量，得到實測數(shù)據(jù)的平均結果如圖2所示。

3.2 外場測試實測數(shù)據(jù)分析

外場測試使用2發(fā)4收的實際MIMO鏈路進行北京郵電大學校園無線環(huán)境的測量，測量結果對于MIMO系統(tǒng)的覆蓋性能、天線布局的影響等方面具有較大的參考價值。

在實際外場測試過程中，總體測試情況較好，在27 dBm的發(fā)射功率下，可以覆蓋200 m左右的范圍，誤塊率最好可以達到0。大部分區(qū)域都可以達到理想情況的接收，誤塊率保持在5%以下，相對應的誤碼率處于10-5至10-6之間。樹擋以及樓擋對2發(fā)4收 MIMO系統(tǒng)的影響較小，當無線環(huán)境中存在散射及繞射時，MIMO系統(tǒng)工作正常，誤塊率小于5%。

3.3 2基站3移動終端組網(wǎng)分析

根據(jù)FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)鏈路預算以及實際無線環(huán)境外場實測的結果，可以得到北京郵電大學校園內(nèi)的FuTURE 4G TDD試驗網(wǎng)組網(wǎng)方式。

網(wǎng)絡元素共包括1套控制單元(CU)、2套AP、3套MT，支持多用戶、支持越區(qū)切換等移動性管理。其中AP覆蓋半徑達到200 m，系統(tǒng)達到的誤碼率為10-6，誤塊率保持在平均5%以下，峰值數(shù)據(jù)傳輸速率達到122 Mb/s，可以支持高清晰度電視(HDTV)、高速數(shù)據(jù)下載、IP語音(VoIP)等業(yè)務。

4 結束語

FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)采用了3.5 GHz頻段作為載波頻率，使用了寬帶MIMO、OFDM等一系列關鍵技術，試驗系統(tǒng)支持2基站3用戶的配置，支持多用戶，支持移動性，提供高達100 Mb/s的峰值數(shù)據(jù)速率。FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)及試驗網(wǎng)已經(jīng)成功完成并通過鑒定，其中針對3.5 GHz頻段的鏈路預算以及MIMO系統(tǒng)的組網(wǎng)分析等工作對FuTURE 4G TDD試驗網(wǎng)的成功建設起到了重要作用，相關的鏈路預算結果以及針對MIMO系統(tǒng)的外場實測數(shù)據(jù)與分析將對下一代移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡建設工作提供有益的參考。

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收稿日期：2007-01-12

許曉東，北京郵電大學無線新技術研究所在讀博士研究生，研究方向為先進移動通信系統(tǒng)及其關鍵技術，包括廣義分布式網(wǎng)絡架構、無線資源管理策略、3G增強及其標準化工作等。已發(fā)表論文10篇。

李亞卓，北京郵電大學無線新技術研究所在讀博士研究生，主要研究方向為新一代移動通信系統(tǒng)中的關鍵技術及實現(xiàn)，包括新一代無線射頻收發(fā)技術、MIMO通信系統(tǒng)通道相關性研究及校準技術等。已發(fā)表論文10篇。

陶小峰，北京郵電大學無線新技術研究所副所長、博士、副教授，國家“863”計劃通信技術主題FuTURE未來移動通信計劃TDD特別工作組組長。已發(fā)表論文51篇，其中SCI、EI、ISTP檢索論文35篇；申請發(fā)明專利16項，其中2項已授權；出版專著2部。

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