無線鏈路物理模型構建及其預算方案

許 瓊

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院，甘肅 蘭州 730070)

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無線鏈路物理模型構建及其預算方案

許 瓊

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院，甘肅 蘭州 730070)

要將“TD-LTE”技術引入高校無線通信網絡實驗室建設，必須做好前期的網絡鏈路預算，這是無線通信網絡實驗室建設的關鍵，也是核心。它對后續的頻率規劃、容量規劃以及系統組網設計等至關重要。為此，以蘭州交通大學與大唐移動公司聯合共建“TD-LTE”現代無線移動通信實驗室為契機，充分調研、科學論證, 借鑒國內外實際運營移動網絡建設流程,依據網絡鏈路預算原理，在構建鏈路預算物理模型的基礎上，繪制了鏈路預算軟件流程圖，引入LTE 鏈路預算參數，設計出LTE 鏈路預算方案，為實現該實驗平臺建設的目標提供了重要思路，同時，也為后續算法仿真及系統設計提供研究基礎。

TD-LTE；最大路徑損耗；模型構建；鏈路預算

0 引 言

目前，長期演進計劃(Time Division Long Term Evolution，TD-LTE)作為新一代無線通信技術，它所具有的帶寬配置靈活(支持1.4、3、5、10、15和20 MHz帶寬)，時延小(控制面時延小于100 ms、單向用戶面時延小于5 ms)、高頻譜效率、高吞吐量等特點[1-2]，備受業界青睞，并為我國移動通信實現不同場景(高速移動場景、室內場景、隧道等)下的廣覆蓋、深覆蓋提供了良好的支持平臺。將這一先進技術引入高校無線通信實驗室建設，對提升培養通信專業人才的綜合能力及其社會無線通信新技術需求的人才具有重要的現實意義。為此，蘭州交通大學與大唐移動公司正式簽訂校企共建“TD-LTE”無線移動通信實驗室協議。本文主要對該實驗室的“TD-LTE”網絡覆蓋范圍進行前期的鏈路預算，旨在為做好該實驗室總體規劃奠定基礎，為實現該實驗平臺建設的目標提供重要思路，同時，也為算法仿真及系統設計[3-7]提供研究基礎。

無線通信覆蓋規劃實驗室平臺建設的主要內容包括需求分析，網絡及基站結構的確定、鏈路預算、傳播模型確定、單站覆蓋面積估算等。其中，鏈路預算是網絡覆蓋估算的基礎及該實驗室建設規劃的關鍵，也是本研究的主要問題。這一問題的解決，是后續的頻率規劃、容量規劃以及系統組網設計等工作內容得以順利進行的重中之重。

1 無線鏈路預算計算基礎及使用方法

鏈路預算通過對鏈路中的增益余量與損耗進行核算，對系統的覆蓋能力進行估計、獲得保持一定業務質量下，空中鏈路最大允許路徑損耗。鏈路預算是網絡規劃的前提，利用最大路徑損耗和相應的傳播模型[8-9](比如Okumura-Hata)即可得到小區半徑及單站覆蓋面積，最終確定目標覆蓋區域所需基站數目。對于移動通信網絡運營商，鏈路預算的準確性關系到網絡的覆蓋質量和建設成本，因此是網絡部署過程中既復雜又關鍵的問題,同時也是學生進一步學習和研究無線通信理論的實踐基礎[10]。

鏈路預算的計算基礎是Friis方程[11]，它描述了給定傳播假設下接收功率和發射功率之間的關系：

(1)

為了簡化計算，將其轉換為dB域描述形式，這里X(dB)=10lg(X)

(2)

其中：PR為接收端天線接收到的功率；PT發射功率；GT天線發射增益；GR天線接收增益；LP路徑損耗。閉合該鏈路即要求上式右邊必須大于接收機靈敏度，該方程不包括噪聲及干擾等因素的影響，將該方程應用于地面移動通信系統，綜合考慮所有因素得到：

最大路徑損耗=發射端EIRP-最小接收信號電平+其他增益-其他損耗-其他余量

(3)

其中：EIRP由發射端決定，由于TD-LTE采用正交子載波，這里的EIRP要轉換為相應子載波級別；最小接收電平根據接收機性能決定，其他增益、損耗及余量由系統使用硬件設備及無線傳播環境決定。

2 鏈路預算物理模型建立

鏈路預算是網絡規劃的第一步，指在滿足業務質量要求的前提下，計算信號在空間傳播中所允許的最大路徑損耗(MAPL)，圖1為根據無線鏈路計算基礎結合TDD-LTE制式特點搭建的具體上行鏈路預算物理模型，下行與此類似。

計算公式如下：

MAPL=TXMaxpower-10log(12NRB)- RxSensComposite(dBm)+AntGain(dBi)- CableLoss(dB)-BodyLoss(dB)-IM(dB)- Peneloss(dB)-SFM(dB)+HHOGain(dB)

(4)

圖1 TDD-LTE上行鏈路預算的物理模型

式中：TXMaxpower表示最大發射功率；NRB為上下行分配功率資源數；RxSensComposite為單載波接收靈敏度；AntGain為天線增益；CableLoss為饋線損耗；BodyLoss為人體損耗；IM為干擾余量；Peneloss為穿透損耗；SFM為慢率落余量；HHOGain為切換增益。

3 鏈路預算軟件流程圖

對于實際的網絡，有效的覆蓋半徑不僅與無線環境有關，還依賴于eNode B與終端的最大發射功率及靈敏度，同時實際工程中，前反向信號在無線傳播上存在差異，當前向鏈路功率過大，會對其他小區的移動臺造成不必要的干擾，而反向鏈路的功率過大則會降低小區的有效容量。因此需要對系統進行平衡，結合實驗室結構特點，使前向鏈路與反向鏈路損耗在允許的范圍的區域邊界恰好重疊，得出鏈路預算流程見圖2。

圖2 鏈路預算流程圖

4 LTE鏈路預算參數

4.1 系統參數

(1) 工作頻段。影響穿透損耗、天線增益等參數取值，實驗室設置采用2.6 GHz。

系統帶寬：LTE支持1.4 MG、3 MG、5 MG、10 MG、15 MG、20 MG 6種帶寬，由于采用OFDMA多址方式，單個子載波帶寬為15 kHz，每12個子載波組成一個資源塊(Resource Block，RB)，表1為3GPP協議規定LTE各種帶寬對應下的RB數[12]。

表1 3GPP協議不同帶寬RB配置

(2) 子幀配比。LTE上下行有7種不同配比方式，如表2所示[13]。

表2 3GPP協議子幀配比

(3) 特殊子幀配比。LTE支持10種特殊子幀結構配比，由UpPTS、DwPTS和GP三部分組成，一般使用正常CP的配置7(10∶2∶2)[13]。

4.2 設備端參數

(1) 最大發射功率。對于LTE TDD系統，eNode B發射功率為每通道20 W，即43 dBm，UE最大發射功率按照協議推薦定義為23 dBm[14]。

(2) 基站天饋參數。包括波瓣寬度，掛高等，這里主要針對實驗室場景(覆蓋場景、頻段等)選擇天線增益，表3對目前市場主流天線進行總結，給出不同頻段基站天線增益。

表3 不同頻段天線增益

(3) 終端天線增益。由于采用USB數據卡終端，天線增益為0。

(4) 饋線損耗。基站由于采用低RRU及車載式，故損耗值取0.5 dB，終端為0 dB。

(5) 人體損耗。由于LTE主要以數據業務為主，不考慮人體損耗，取0 dB。

(6) CellEdgeBoost。按照具體邊緣覆蓋設置，由于學校對邊緣覆蓋要求不高，可以不予考慮。

(7) ThermalNoiseDensity。

熱噪聲功率譜密度[15]=-174 dBm/Hz

(8) 噪聲系數Nf。根據之前測試經驗，表4給出了基站不同頻段的噪聲系數，終端噪聲系數取值一般為7。

表4 噪聲系數

(9) 接收機解調門限Es/No和頻段、信道類型(ETU3)、移動速度、多輸入多輸出方式(MIMO)、調制編碼方式(MCS)、誤塊率(BLER)等因素相關。在鏈路預算中，根據邊緣速率，承載的RB數，通過36.213查找具體的MCS[16]，根據解調門限對應表得出該階相應的門限值，門限值與MCS關系表一般由仿真或者實測獲得,本文計算所用為之前測試經驗。

發射端參數主要用來計算單子載波下EIRP：

EIRPpersubcarrier=TXMaxpower-10log(12NRB) + AntGain(dBi)+CellEdgeBoost- CableLoss(dB) -BodyLoss(dB)

(5)

OFDMA是正交頻分復用技術，將信道分成若干正交子信道，每12個子載波組成一個資源塊，在用來計算單載波EIRP時，要平均到分配功率RB的所有子載波上[12]，上下行分配方式不同：下行以整個帶寬進行功率分配，上行在實際使用的RB上進行功率分配。

接收端參數主要用來計算單子載波下最小接收電平：

最小接收電平=接收機靈敏度+

其他損耗值-其他增益值

(6)

接收靈敏度，接收靈敏度指在輸入端無外界噪聲或者干擾條件下，在所占資源帶寬內，滿足業務質量要求的最小接收信號功率，如下為其計算公式：

RxSensComposite(dBm)= ThermalNoiseDensity+

10log(Subcarrierband)+Nf+Es/No

(7)

4.3 增益損耗余量參數

(1) 切換增益。在切換帶未規劃完成之前，無切換增益。

(2) 穿透損耗。移動用戶通信時由于建筑物結構而引起的射頻信號衰減，其結果包含信號繞射和穿透的影響，根據之前測試經驗，給出不同頻段穿透損耗如表5所示。

表5 穿透損耗表

(3) 陰影衰落余量。由邊緣覆蓋概率和陰影衰落標準差共同決定。在無線信號傳播過程中，由于陰影衰落導致路徑上下波動，信號強度隨時間變化服從正態分布，為了保證一定的邊緣覆蓋率(>95%)，克服其對信號的影響，而為鏈路預算預留余量。

(4) 干擾余量。小區干擾對網絡覆蓋規劃產生重要影響，當系統負載增大時，小區覆蓋范圍因干擾而收縮。鏈路預算中用干擾余量來描述干擾對小區覆蓋的影響，同時為了接近實際網絡，假定負載上行為50%，下行為100%[1]。

5 LTE鏈路預算計算結果

實驗室建站以覆蓋我校主要區域為目標，考慮具體的地形特點(建筑物高度及平均距離)及用戶習慣(多為學生和老師，以室內數據下載業務為主)，結合大唐移動提供設備型號設計系統參數見表6。

表6 鏈路預算平臺系統參數

鏈路預算區分發射端和接收端進行計算，發射端計算單子載波EIRP，接收端計算單子載波最小接收電平， EIRP及最小接收電平通過式(5)、(7)計算得，計算過程及結果見表7。

表7 鏈路預算發射端&接收端計算結果

發射端單子載波EIRP-接收端計算單子載波最小接收電平，再扣除傳播中的損耗就能得到MAPL，同時利用Cost231-Hata得到相應小區半徑，計算過程及結果見表8。

表8 MAPL及小區半徑計算結果

計算結果：對上下行鏈路MAPL取最小值，得到合理的小區半徑為0.35 km。MAPL不僅受業務信道影響，也被公共信道所限制，最終的結果對公共信道也要考慮在內。同時校園存在站點不易獲取，學校教學示范區特殊范圍要求等，最終小區半徑和本計算結果會有一定偏差。

6 結 語

本研究給出的鏈路預算模型，是在TD-LTE的覆蓋特性分析的基礎上，結合校園無線環境的適切性、實驗室具體配置的標準考慮的。至于某些重要參數的取值，是根據作者曾在國內某大型通信公司幾年的工作實踐經驗而設定，具有可靠的理論和實踐基礎。對于鏈路預算模型得到的初步基站覆蓋半徑，其計算結果與實際運營商網絡接近，符合中層站建設要求，與我校地物環境一致，可信度高。在具體站址選定之后，可根據運行情況再做適當微調就可修正不足。另外，要說明的問題是，覆蓋規劃中使用的傳播模型均需經過實際無線環境校正測試，現因學校還不具備路測設備等原因，現暫采用與我校地理環境相似并已得到校正的Cost231-Hata傳播模型進行計算，待后續路測設備齊全后，可根據實測情況，在此基礎上再予以校正計算。

[1] Signals Research Group.Signals Ahead [EB/OL]. [2013-10-15]. http://www.researchandmarkets.com/reports/348644/signals_ahead#rela0.

[2] 3GPP R1-070674, LTE physical layer framework for performance verification[R].2007.

[3] 3GPP. TS 36.201 V11.1.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):LTE physical layer (Release11)[S].3GPP.2013.

[4] 3GPP. TS 36.321 V11.3.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):Medium Access Control (MAC) protocol specification (Release11)[S].3GPP.2013.

[5] 3GPP. TS 36.322 V11.0.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):Radio Link Control (RLC) protocol specification (Release11)[S].3GPP.2012.

[6] 3GPP. TS 36.323 V11.2.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification (Release11)[S].3GPP.2013.

[7] 3GPP. TS 36.331 V11.7.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):Radio Resource Control (RRC) Protocol specification (Release11)[S].3GPP.2014.

[8] 李 焱,張 璐,許家棟.基于移動端多天線系統的無線衰落信道模型[J].電波科學學報,2003,18(6): 712-716.

[9] Theodors S.Rappaport.Wireless Communications Principles and Practice[M].Prentice Hall,2006: 72-159.

[10] 許曉榮,李光球,章堅武.無線信道仿真在通信原理實驗教學中的研究[J].實驗室研究與探索,1993,33(4): 62-67.

[11] Simon Haykin,Michael Moher.現代無線通信[M].鄭寶玉等,譯.北京:電子工業出版社,2006:8-68.

[12] 3GPP. TS 36.101 V11.6.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):User Equipment (UE) radio transmission and reception (Release11)[S].2013.

[13] 3GPP. TS 36.211 V11.5.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):Physical channels and modulation (Release11)[S]. 2014.

[14] 3GPP. TS 36.104 V11.7.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):Base Station (BS) radio transmission and reception (Release11)[S]. 2014.

[15] Sami Tabbane.無線移動通信網絡[M].李新付等譯.北京:電子工業出版社,2001:30-48.

[16] 3GPP. TS 36.213 V11.5.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):Physical layer procedures (Release11)[S]. 3GPP.2014.

Wireless Link model Construction and budget Scheme

XUQiong

(School of Electronic & Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

The "TD-LTE" technology is introduced into the laboratory construction. The network link budget, which is the key and core to the laboratory construction, plays an important role in frequency planning, capacity planning and network design. Therefore, Lanzhou Jiaotong University and Datang Telecom Company Jointly established “TD-LTE” wireless communication laboratory. Based on sufficient research and scientific demonstration, referring to the actual operation mobile network construction process, and also according to the network link budget principle, this article establishes the physical model, designs software flow, introduces LTE link budget parameters, designs link budget scheme. The link budget provides important idea to achieve its objective of laboratory platform construction, and provides research basis for algorithm simulation and system design.

TD-LTE; maximum allowed path loss; model construction; link budget

2014-05-24

蘭州交通大學實驗教改項目(2014202)；蘭州交通大學青年科學基金項目(2014008)

許 瓊(1982-)，女，甘肅蘭州人，碩士，助教，主要研究方向為無線移動通信技術。

Tel.：18909483665；E-mail:xuqiong1122@163.com

TN 929.5

A

1006-7167(2015)01-0134-04