TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)場強(qiáng)設(shè)計(jì)

楊雪楓

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

1 概述

移動(dòng)通信正隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高速發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的階段，中國移動(dòng)也不斷面臨著新的挑戰(zhàn)，業(yè)務(wù)需求層面展現(xiàn)出寬帶化、智能化、個(gè)性化等需求特點(diǎn)，技術(shù)體制層面2G、3G、TD-LTE、WLAN及其演進(jìn)等多系統(tǒng)共存帶來的協(xié)調(diào)發(fā)展要求，運(yùn)營競爭層面在國內(nèi)面臨另外兩家運(yùn)營商的競爭引起的保持核心競爭力和差異化服務(wù)的挑戰(zhàn)，這些問題都要求網(wǎng)絡(luò)建設(shè)必須具有更快的速度、更高的質(zhì)量、更低的成本。

根據(jù)室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)的特點(diǎn)，TD-LTE覆蓋設(shè)計(jì)要綜合考慮多方面的因素，包括：

（1）TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)自身網(wǎng)絡(luò)需求。包括參考信號(hào)強(qiáng)度（RSRP）與各業(yè)務(wù)信道的解調(diào)門限需求、參考信號(hào)與各業(yè)務(wù)信道之間的平衡關(guān)系、上下行信道的平衡關(guān)系等內(nèi)容。

（2）室內(nèi)外小區(qū)間的協(xié)同關(guān)系。室內(nèi)分布系統(tǒng)的場強(qiáng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到與室外宏蜂窩系統(tǒng)間的協(xié)同關(guān)系，即保證合理的小區(qū)選擇/重選、小區(qū)切換關(guān)系。

（3）基于已有網(wǎng)絡(luò)的改造需求。TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是基于已有系統(tǒng)的，因此其覆蓋場強(qiáng)要求應(yīng)該建立在已有系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過盡可能小的改造方式實(shí)現(xiàn),即在保證網(wǎng)絡(luò)性能基礎(chǔ)上的可實(shí)施性。

（4）電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)限制。室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)要求滿足《GB8702-88 電磁輻射防護(hù)規(guī)定》和《GB9175-88 環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

2 覆蓋場強(qiáng)分析

2.1 TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)自身網(wǎng)絡(luò)需求

TD-LTE承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特征決定了所謂的覆蓋場強(qiáng)要求是基于一定的業(yè)務(wù)覆蓋速率要求的，而業(yè)務(wù)覆蓋速率與覆蓋場強(qiáng)、干擾強(qiáng)度、資源分配與調(diào)度策略等均有直接的關(guān)系。

2.1.1 鏈路預(yù)算

在假定每個(gè)RB功率平均分配的前提下，基本條件：

（1）系統(tǒng)總帶寬20 MHz，100 RB。

（2）系統(tǒng)支持并發(fā)用戶數(shù)10，單用戶10 RB。

（3）基站單通道發(fā)射功率43 dBm。

（4）終端最大發(fā)射功率23 dBm。

通過對照PDSCH信道SINR與數(shù)據(jù)速率的對應(yīng)表格及其它信道的解調(diào)信噪比要求可以得到鏈路預(yù)算如表1所示。

從表1中可以看到，當(dāng)僅考慮各信道解調(diào)要求時(shí)，為滿足PDSCH下行10用戶時(shí)邊緣用戶1 Mbit/s的速率，受限的最大允許路徑損耗約128.6 dB。如果需要滿足PDSCH下行10用戶時(shí)邊緣用戶2 Mbit/s的速率，受限的最大允許路徑損耗約120.7 dB。覆蓋范圍示意圖如圖1所示。

2.1.2 雙通道增益

在TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)方案中雙通道模式是其技術(shù)特點(diǎn)，目前的研究成果表明，在室內(nèi)場景下雙通道模式能夠明顯的提升用戶吞吐量，由于信道相關(guān)性隨時(shí)間呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性，因此室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)可以通過雙天饋系統(tǒng)的部署使用SFBC與空間復(fù)用相結(jié)合的自適應(yīng)方式。

信道SINR條件、雙路天饋間的信道相關(guān)性是決定雙天饋系統(tǒng)性能的主要因素，而信道相關(guān)性與雙天饋系統(tǒng)的天線間距和室內(nèi)環(huán)境密切相關(guān)?？傮w來講，在信噪比較低的場景，單流的吞吐量性能比雙流高；在信噪比很高的場景，雙流的吞吐量性能會(huì)優(yōu)于單流，在理論峰值的計(jì)算上，雙流的吞吐量性能是單流的兩倍。空分復(fù)用與分集自適應(yīng)因引入了空間增益或分集增益，在小區(qū)整體吞吐量的提升上有一定作用。

圖1 覆蓋范圍示意圖

表1 鏈路預(yù)算表

對于開闊場景，天線及終端周邊散射體分布較少，因此在相同天線間距下，相關(guān)性增強(qiáng)，由于此場景一般天線安裝位置選擇較多，因此一般建議天線間距在10波長以上以保證實(shí)現(xiàn)較好的空間弱相關(guān)性，此場景下通過合理的頻率規(guī)劃，信道易于達(dá)到較好的SINR條件，雙流模式比例高，系統(tǒng)增益較為明顯。

對于封閉場景，天線及終端周邊散射體分布較多，此場景下雙天饋系統(tǒng)的天線間距對相關(guān)性的影響不是特別明顯，間距在4波長以上，即可良好支持MIMO應(yīng)用。但由于此場景下隔斷較多，信號(hào)場強(qiáng)較低引起SINR偏低，系統(tǒng)會(huì)自適應(yīng)的更多采用SFBC方式從而保證更好的數(shù)據(jù)速率，系統(tǒng)增益偏低。

針對走廊、密集房間、大會(huì)議室、大辦公平面等不同區(qū)域進(jìn)行單雙流用戶吞吐量對比測試，測試結(jié)果如表2所示。

從上述測試結(jié)果可以看到，TD-LTE雙通道室內(nèi)分布系統(tǒng)小區(qū)下行吞吐量相比單通道室內(nèi)分布系統(tǒng)都有明顯的提高，平均小區(qū)吞吐量60%以上。

測試中也發(fā)現(xiàn)，雙通道室內(nèi)分布系統(tǒng)對環(huán)境較為敏感，在不同的測試環(huán)境下小區(qū)吞吐量有明顯波動(dòng)；相對應(yīng)的單通道室內(nèi)分布系統(tǒng)對環(huán)境不敏感，在不同的測試環(huán)境下小區(qū)吞吐量波動(dòng)較小。

另外根據(jù)試驗(yàn)網(wǎng)大量測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果，RSRP由-105 dBm提升至-95 dBm，雙路下行吞吐量提升約35%，繼續(xù)提高至-85 dBm，下行吞吐量提升約10%，提升效率明顯下降。

2.2 室內(nèi)外小區(qū)的協(xié)同關(guān)系

室內(nèi)外小區(qū)間的協(xié)同關(guān)系是網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展的需要，協(xié)同主要包括以下幾個(gè)方面的考慮。

室內(nèi)用戶盡量使用室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)進(jìn)行承載，室外用戶應(yīng)嚴(yán)格由室外小區(qū)承載室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)的實(shí)際比例直接決定了室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)建設(shè)的有效性，同時(shí)也對分流室外站負(fù)荷至關(guān)重要。

需主要通過RS強(qiáng)度控制用戶在室內(nèi)外小區(qū)的接入比例，一般要求室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)邊緣場強(qiáng)要高于最強(qiáng)的室外覆蓋系統(tǒng)在室內(nèi)泄露場強(qiáng)10 dB，同時(shí)要求室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)外泄電平在室外10 m區(qū)域衰減至不高于室外宏基站覆蓋電平。

室內(nèi)外良好的小區(qū)選擇/重選，切換關(guān)系：通過設(shè)置合理的過渡區(qū)域保障網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。主要通過RS強(qiáng)度控制，可結(jié)合小區(qū)間負(fù)載均衡等手段。

業(yè)務(wù)切換的連續(xù)性：與GSM系統(tǒng)、TD-SCDMA系統(tǒng)導(dǎo)頻信道與業(yè)務(wù)之間有相對一致的對應(yīng)關(guān)系不同，TD-LTE系統(tǒng)RS功率與業(yè)務(wù)速率的對應(yīng)關(guān)系更為復(fù)雜，因此需要考核室內(nèi)外切換過程中業(yè)務(wù)速率的連續(xù)性。

典型的室外覆蓋場景需滿足鄰小區(qū)空載條件下小區(qū)邊緣用戶下行速率可達(dá)到1 Mbit/s，鄰小區(qū)負(fù)載達(dá)到70%時(shí)小區(qū)邊緣用戶下行速率約350 kbit/s，此時(shí)宏基站邊緣RSRP約-115 dBm～-110 dBm。

表2 雙通道吞吐量增益

考慮室內(nèi)外電平差應(yīng)保證5～10 dB差值以便于室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)能夠有效吸收室內(nèi)話務(wù)量，因此室內(nèi)覆蓋的邊緣RSRP應(yīng)保證不低于-105 dBm，在本文鏈路預(yù)算部分滿足RS最低解調(diào)門限的最大允許路徑損耗為132.2 dB，此時(shí)對應(yīng)的邊緣RSRP為-120 dBm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足室內(nèi)協(xié)同覆蓋的要求，如果將室內(nèi)覆蓋邊緣RSRP提高至-105 dBm，對應(yīng)的最大允許路徑損耗為117.2 dB，此時(shí)與室外宏蜂窩系統(tǒng)的業(yè)務(wù)速率對比關(guān)系如表3所示。

表3 室內(nèi)外系統(tǒng)覆蓋場強(qiáng)對比關(guān)系

觀察表3，很顯然RSRP的對應(yīng)關(guān)系和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率并不是統(tǒng)一的，一個(gè)事實(shí)是室外宏基站在室內(nèi)區(qū)域的泄露場強(qiáng)是隨機(jī)的，并不總是位于宏基站覆蓋區(qū)域的邊緣，故室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)可能會(huì)由于RSRP強(qiáng)度的差值導(dǎo)致室內(nèi)業(yè)務(wù)被切換到室外宏基站系統(tǒng)上，而此時(shí)室外宏基站的業(yè)務(wù)速率并不一定高于室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，因此從業(yè)務(wù)切換的連續(xù)性分析，可以適當(dāng)降低室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)RSRP對應(yīng)的PDSCH數(shù)據(jù)速率。

根據(jù)鏈路預(yù)算的結(jié)果，當(dāng)RSRP為-115 dBm時(shí)對應(yīng)的PDSCH速率約為1024 kbit/s，這意味著有約10 dB的空間用于優(yōu)化RSRP的設(shè)置，差值的調(diào)整主要通過下行功率分配中定義的Pa參數(shù)實(shí)現(xiàn)，協(xié)議213“下行功率分配”部分定義了一個(gè)UE級(jí)參數(shù)Pa，它就是數(shù)據(jù)信道上每個(gè)RE的發(fā)射功率EPRE和導(dǎo)頻RE上的功率之比；通過調(diào)整Pa值可以改變數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)射功率。

2.3 基于已有網(wǎng)絡(luò)的改造需求

TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)的建設(shè)是基于已有的GSM、TD-SCDMA室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)行改造的，新建的TDLTE室分系統(tǒng)也需要綜合考慮GSM、TD-SCDMA的覆蓋需求。

通過對比可知，當(dāng)最大允許路徑損耗為117 dB時(shí)（TD-LTE下行邊緣速率要求為2 Mbit/s時(shí)，Pa值無調(diào)整），理論計(jì)算的最大允許路徑損耗與TD-SCDMA基本相當(dāng)。在TD-SCDMA室內(nèi)分布系統(tǒng)規(guī)劃中已經(jīng)考慮為E頻段引入預(yù)留的覆蓋余量需求，因此當(dāng) TDLTE與TD-SCDMA共用室分系統(tǒng)時(shí)，如覆蓋半徑和點(diǎn)位密度與TD-SCDMA相同，則TD-LTE系統(tǒng)也可以滿足覆蓋指標(biāo)要求，此時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)可認(rèn)為覆蓋能力基本一致，即TD-LTE系統(tǒng)可基本參照TD-SCDMA現(xiàn)網(wǎng)覆蓋半徑要求進(jìn)行規(guī)劃，如表4所示。

表4 與TD系統(tǒng)鏈路預(yù)算對比

2.4 電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)限制

室內(nèi)分布系統(tǒng)的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)要求滿足《GB8702-88 電磁輻射防護(hù)規(guī)定》和《GB9175-88 環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

《GB8702-88電磁輻射防護(hù)規(guī)定》中規(guī)定了對于公眾照射，30～3 000 MHz范圍在24 h的任意連續(xù)6 min內(nèi)的平均輻射上限為0.4 W/m2。

《GB9175-88環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中對于電磁輻射的安全級(jí)別進(jìn)行了分類限制:一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對微波（指頻率為300 MHz～300 GHz）的輻射上限要求分別為0.1 W/m2和0.4 W/m2。

傳播損耗情況需要針對近場遠(yuǎn)場的情況分別分析，對于遠(yuǎn)場法，設(shè)D為待測目標(biāo)的最大截面尺寸，r為發(fā)射天線與待測目標(biāo)的距離，則當(dāng)r≥ 2D2/λ時(shí)(λ為波長)，可近似認(rèn)為投射到待測目標(biāo)上的電磁波是平面電磁波。由于近場的傳播損耗分析非常復(fù)雜和難以應(yīng)用，故又將近場分為感應(yīng)近場和輻射近場，邊界為λ/4，而輻射近場可以按照遠(yuǎn)場來考慮。λLTE/4=0.032 m，即可以利用遠(yuǎn)場的分析方法分析距離輻射源0.032 m以外的場強(qiáng)分布情況。

其中：P為點(diǎn)信源平均發(fā)射功率（W）； G為天線增益；PI為圓周率；D為傳播距離（m）；DofP為在距離點(diǎn)信源D處的功率密度（W/m2）。

按0.4 W/m2的安全輻射標(biāo)準(zhǔn)要求，考慮天線距離人體最近距離0.5 m（一般天線高度不低于2.4 m，用戶高度不高于1.9 m）核算最高場強(qiáng)要求，LTE系統(tǒng)允許的最大天線口輸入功率為約30 dBm，考慮多系統(tǒng)共同輻射的功率分配（按保守估計(jì)5系統(tǒng)合路，則LTE的最大天線口輸入功率應(yīng)為30-10lg（5）=23 dBm。考慮到20 MHz內(nèi)共有1 200個(gè)子載波，因此對應(yīng)的RS信號(hào)的天線口輸入功率應(yīng)該不大于-8 dBm。

3 場強(qiáng)設(shè)計(jì)建議

綜合各方面因素，可以認(rèn)為在原有室內(nèi)分布系統(tǒng)基礎(chǔ)上，不需要經(jīng)過天線點(diǎn)位的改造即可接入TD-LTE系統(tǒng)，主要的覆蓋場強(qiáng)設(shè)計(jì)指標(biāo)如下。

3.1 RS信號(hào)覆蓋場強(qiáng)

RS信號(hào)作為進(jìn)行小區(qū)選擇/重選，切換的測量判決指標(biāo)，同樣也應(yīng)該作為室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的覆蓋評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)室內(nèi)外小區(qū)間的協(xié)同關(guān)系，建議邊緣RSRP設(shè)定為-105 dBm。

結(jié)合試驗(yàn)網(wǎng)測試結(jié)果和指標(biāo)提升水平，由于-95 dBm以上繼續(xù)提升功率對于系統(tǒng)吞吐量的提升有限，因此對于一些重要數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)場所需要建設(shè)雙流室分系統(tǒng)的，建議邊緣RSRP設(shè)定為-95 dBm。

3.2 RS信號(hào)天線口輸入功率范圍

根據(jù)業(yè)務(wù)開展需求，并結(jié)合電磁輻射核算結(jié)果和已有網(wǎng)絡(luò)改造需求，建議當(dāng)室內(nèi)覆蓋邊緣RSRP強(qiáng)度為-105 dBm時(shí)，對應(yīng)的RS信號(hào)天線口輸入功率范圍保持在-15 dBm左右。

3.3 Pa值的調(diào)整

Pa值對于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整具有重要的意義，如果考慮室內(nèi)外業(yè)務(wù)速率的一致性，可以適當(dāng)調(diào)整Pa值，在保證室內(nèi)外協(xié)同要求的室內(nèi)覆蓋邊緣RSRP為-105 dBm情況下，降低總功率覆蓋場強(qiáng)。

覆蓋場強(qiáng)的設(shè)計(jì)直接決定了網(wǎng)絡(luò)性能與投資規(guī)模，是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中最核心的因素之一，但由于TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)尚缺乏全面系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)，因此在鏈路預(yù)算中干擾余量等重要參數(shù)均為根據(jù)一定的仿真條件進(jìn)行假定，而室內(nèi)外協(xié)同也暫時(shí)缺少測試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，需要隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過程不斷跟蹤研究。