TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)鏈路預(yù)算分析

周慧茹

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

良好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋是所有無線網(wǎng)絡(luò)賴以生存的根本，直接影響最終的用戶感知。而鏈路預(yù)算是評估無線通信系統(tǒng)覆蓋能力的主要方法，是無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的一項重要工作。因此，在進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時需要進(jìn)行鏈路預(yù)算以得到合理的無線覆蓋預(yù)測結(jié)果，指導(dǎo)后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

1 無線網(wǎng)絡(luò)鏈路預(yù)算

無線通信系統(tǒng)中的鏈路預(yù)算總體上來說就是在保證一定質(zhì)量的前提下，利用發(fā)射端、傳播空間和接收端的相關(guān)參數(shù)，通過對通信鏈路中的各種損耗和增益的估算，來計算出鏈路所能允許的最大空中傳播損耗，進(jìn)而根據(jù)電磁波傳播環(huán)境的衰落模型，可以轉(zhuǎn)換為鏈路最大覆蓋距離，以便在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模估算中快速地確定所需要的大致基站數(shù)量。

無線網(wǎng)絡(luò)鏈路預(yù)算可按以下流程獲得小區(qū)覆蓋半徑。

第一步：確定建網(wǎng)目標(biāo)。

第二步：根據(jù)發(fā)射、接收端及空間參數(shù)求取最大允許路徑損耗。

第三步：通過電磁環(huán)境測試結(jié)果，獲得校正的無線傳播模型。

第四步：依據(jù)無線傳播模型和最大允許路徑損耗計算小區(qū)覆蓋半徑和小區(qū)覆蓋面積。具體流程如圖1所示。

2 影響TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋的因素

TD-LTE系統(tǒng)在通過鏈路預(yù)算進(jìn)行覆蓋規(guī)劃設(shè)計時，需要考慮TD-LTE系統(tǒng)的特性及關(guān)鍵技術(shù)對于覆蓋性能的影響。

TD-LTE系統(tǒng)中，對覆蓋性能產(chǎn)生主要影響的因素包括：可實現(xiàn)時頻資源靈活配置的OFDM多址技術(shù)和可大幅提高頻譜效率的多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)。

普通的FDM頻分多址技術(shù)(如2G和3G系統(tǒng))為了分離開各子信道的信號，需要在相鄰信道間設(shè)置一定的頻帶保護(hù)間隔，以便接收端能用帶通濾波器分離出相應(yīng)子信道的信號，這勢必帶來頻譜資源的浪費(fèi)。TD-LTE系統(tǒng)采用的OFDM技術(shù)中，各子信道間不但沒有保護(hù)頻帶，而且相鄰信道間信號頻譜的主瓣還相互重疊，但各子信道信號的頻譜在頻域上是相互正交的，各子載波在時域上是正交的，OFDM系統(tǒng)的各子信道信號的解調(diào)是靠這種正交性來完成的。因此OFDM系統(tǒng)增大了頻譜利用率。另外，OFDM的子信道上還可以采用多種調(diào)制方式，進(jìn)一步提高了OFDM系統(tǒng)的頻譜效率。

OFDM系統(tǒng)采用循環(huán)前綴方式，使得它在一定條件下可以完全消除信號的多徑傳播造成的碼間干擾，完全消除多徑傳播對載波間正交性的破壞，因此OFDM系統(tǒng)具有很好的抗多徑干擾能力。

在單載波系統(tǒng)中，單個衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€通信鏈路失敗，但是在OFDM系統(tǒng)中，當(dāng)信道中因為多徑傳輸而出現(xiàn)頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害。因此OFDM技術(shù)對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾的能力很強(qiáng)。

MIMO技術(shù)在發(fā)射端和接收端使用多根天線，在發(fā)射端串行數(shù)據(jù)符號經(jīng)過必要的空時處理后被送到各個天線并行發(fā)射，在接收端通過各種空時檢測技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的恢復(fù)。MIMO技術(shù)可有效的抵抗多徑干擾，提高系統(tǒng)性能， MIMO是無線移動通信領(lǐng)域天線技術(shù)的重大突破。

TD-LTE中采用多種MIMO技術(shù)，比較常用的主要有3種：發(fā)射分集、空間復(fù)用、波束賦型。發(fā)射分集主要用于抵抗衰落的影響，提高系統(tǒng)傳輸性能和覆蓋距離，適用低信噪比環(huán)境；空間復(fù)用能夠提供多流的傳輸能力，提高系統(tǒng)的吞吐量和峰值速率，適用高的信噪比環(huán)境和低的空間相關(guān)性；波束賦型可以提高系統(tǒng)鏈路性能，特別是邊緣用戶性能，同時也可以提高系統(tǒng)容量和覆蓋距離。目前的研究結(jié)果表明，采用波束賦型后，小區(qū)邊緣頻譜效率比采用發(fā)射分集時有明顯提升；也就是說對于同樣的小區(qū)邊緣頻譜效率要求，采用波束賦型的覆蓋范圍大于采用發(fā)射分集的覆蓋范圍。

3 TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)鏈路預(yù)算方法

2G和3G網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)信道均為專用信道，因此在已知接收機(jī)靈敏度的情況下，可以通過鏈路預(yù)算計算出每種業(yè)務(wù)允許的最大路損，進(jìn)而得到有效覆蓋范圍。演進(jìn)到LTE后，業(yè)務(wù)信道完全是共享的概念，所有的業(yè)務(wù)共用資源；不同業(yè)務(wù)的速率、解調(diào)門限不同，接收機(jī)靈敏度也隨之變化，從而導(dǎo)致的覆蓋范圍不同，因此要確定小區(qū)的有效覆蓋范圍，首先需要確定小區(qū)邊緣用戶的最低保障速率要求。

TD-LTE鏈路預(yù)算可按以下流程分析小區(qū)覆蓋半徑。具體流程如下。

第一步：對控制信道和業(yè)務(wù)信道的無線覆蓋需求進(jìn)行分析，確定邊緣用戶的最低保證速率。

第二步：確定不同信道鏈路預(yù)算參數(shù)，通過鏈路預(yù)算求取最大允許路徑損耗。

第三步：通過電磁環(huán)境測試結(jié)果，獲得校正的無線傳播模型。

第四步：依據(jù)無線傳播模型和最大允許路徑損耗計算小區(qū)覆蓋半徑和小區(qū)覆蓋面積。

由以上流程可見，TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)的鏈路預(yù)算的流程與前面講的傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的鏈路預(yù)算基本相同，只是由于前面提到的TD-LTE系統(tǒng)自身的特點(diǎn)及其采用的關(guān)鍵技術(shù)方面的原因，在進(jìn)行無線信道分析時，需要確定邊緣用戶的最低保證速率；在確定鏈路預(yù)算參數(shù)時，要考慮TD-LTE的特性和關(guān)鍵技術(shù)的影響。

下面針對TD-LTE如何獲得最大允許路徑損耗進(jìn)行具體分析。

移動通信系統(tǒng)的無線鏈路分為前向（下行）鏈路和反向（上行）鏈路。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，需要對上下行鏈路進(jìn)行平衡，使下行鏈路覆蓋半徑與上行鏈路覆蓋半徑基本相同，因此鏈路預(yù)算需要對上行鏈路和下行鏈路分別進(jìn)行覆蓋估算。

圖2是TD-LTE上行鏈路預(yù)算模型圖。根據(jù)上行鏈路預(yù)算模型圖，將相關(guān)參數(shù)代入計算公式可以計算出上行鏈路的允許最大路徑損耗。

最大路徑損耗（上行）=上行EIRP－最小接收電平－總余量－空間損耗；

上行EIRP=終端最大發(fā)射功率+終端天線增益－終端饋線損耗；

上行最小接收電平=邊緣用戶目標(biāo)信噪比+熱噪聲+接頭及饋線損耗－接收天線增益－天線分集、賦型增益；

總余量=干擾余量+快衰落余量；

各種損耗=陰影損耗+穿透損耗。

同樣地，圖3是下行鏈路預(yù)算模型圖。根據(jù)下行鏈路預(yù)算模型圖，將相關(guān)參數(shù)代入計算公式可以計算出允許最大路徑損耗。

最大路徑損耗（下行）=下行EIRP－最小接收電平－總余量-空間損耗；

下行EIRP=單個RB發(fā)射功率+發(fā)射天線增益+多天線分集、賦型增益－接頭及饋線損耗+接頭及饋線損耗－人體損耗；

下行最小接收電平=邊緣用戶目標(biāo)信噪比+熱噪聲+接頭及饋線損耗－接收天線增益；

總余量=干擾余量+快衰落余量；

各種損耗=陰影損耗+穿透損耗。

TD-LTE鏈路預(yù)算中，在確定邊緣用戶目標(biāo)信噪比及熱噪聲時，要考慮上下行子幀配置、邊緣用戶占用的RB資源、不同的調(diào)制編碼方式對解調(diào)門限的影響等因素。

對于TD-LTE系統(tǒng)，在一定邊緣業(yè)務(wù)速率性能的要求下，邊緣用戶占用的RB資源、子幀數(shù)目越多，覆蓋距離就越遠(yuǎn)。

TD-LTE系統(tǒng)支持QPSK、16QAM和64QAM等多種調(diào)制方式。不同的調(diào)制編碼方式直接影響系統(tǒng)接收機(jī)的解調(diào)門限。解調(diào)門限越低，接收機(jī)靈敏度也越高，可支持越大的小區(qū)覆蓋半徑，反之覆蓋半徑縮小。

而調(diào)制編碼等級越低，單位符號可承載的比特數(shù)越少，需為邊緣用戶分配更多時頻資源來支持固定的覆蓋速率目標(biāo)。這意味著同樣時域資源配置下，頻域帶寬的增加，而頻域帶寬的增加會使接收機(jī)底噪水平升高，降低接收機(jī)靈敏度，又對小區(qū)覆蓋半徑有副作用。

多天線技術(shù)如何選用及是否開啟都會對覆蓋產(chǎn)生直接的影響。如果選用波束賦型的MIMO方式，除了考慮多天線帶來的分集增益外，還要考慮天線的波束賦型增益對網(wǎng)絡(luò)覆蓋的影響。

4 TD-LTE的傳播模型

通過鏈路預(yù)算可以得到上下行的最大允許路徑損耗，但是要想得到系統(tǒng)上下行覆蓋半徑，還需要建立無線傳輸模型。無線傳播環(huán)境主要通過傳播模型來描述，不同目標(biāo)區(qū)域（如劃分為密集城區(qū)、普通城區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村）的傳播模型會受到移動臺與基站間的距離、基站天線高度、移動臺天線高度和載波頻率及地形等因素的約束。

無線傳播模型目前有很多種經(jīng)驗?zāi)Ｐ停臼嵌际腔赾ost231-Hata模型的“通用模型”，其一般形式如下。

L=46.3+33.9×lg(f)-13.82×lg(Hb)-a(Hm)+[44.9-6.55×lg(Hb)]×lg(d)+Cm

對于TD-LTE系統(tǒng)，公式中的系統(tǒng)頻率f取值為2 600；

Hb是基站天線的有效高度，指基站天線實際海拔高度與基站沿傳播方向?qū)嶋H距離內(nèi)的平均海拔之差，天線高度在30～200 m之間，這里選35 m。

Hm是移動臺有效天線高度，為移動臺高出地表的高度，一般取值為1～10 m。

d是基站天線到移動臺的水平距離，也就是要求的覆蓋半徑。

a(Hm)是有效天線校正因子，其數(shù)值與所處的無線環(huán)境有關(guān)。

對于密集城區(qū)，a(Hm)=3.2×[lg(11.75×Hm)]2-4.97;

對于一般城區(qū)及郊區(qū)農(nóng)村環(huán)境，a(Hm)=[1.1×lg(f)-0.7]×Hm-[1.56×lg(f)-0.8]；

Cm為城市修正因子，取0 dB時適合中等城市和郊區(qū)的中心，取值為3 dB時適合大城市中心。

確定好傳播模型的參數(shù)后，結(jié)合前面已經(jīng)算出的最大路徑損耗L，就可以估算出信道的覆蓋半徑。也就是公式里的發(fā)射天線和接收天線之間的距離d。

5 結(jié)束語

從本文的分析可見，TD-LTE系統(tǒng)由于采用的OFDM技術(shù)，并且采用了MIMO關(guān)鍵技術(shù)，所有其無線鏈路預(yù)算相對的2G和3G網(wǎng)絡(luò)有其自身的特點(diǎn)。在進(jìn)行TD-LTE無線鏈路預(yù)算時，首先需要確定小區(qū)邊緣用戶的最低保障速率及不同速率的業(yè)務(wù)在小區(qū)邊緣占用的RB資源的數(shù)量，還要考慮采用MIMO技術(shù)中采用波束賦型技術(shù)時產(chǎn)生的賦型增益。

[1] 3GPP TS 36.211: Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)：Physical channels and modulation [S].

[2] 3GPP TS 36.212: Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)：Multiplexing and channel coding [S].

[3] 王映民，孫邵輝．TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：人民郵電出版社，2010．

[4] 沈嘉，索士強(qiáng)，全海洋，等．3GPP長期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2008．