近海TD-LTE網絡覆蓋優化方法與應用

藍俊鋒，牛沖麗，余國輝

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近海TD-LTE網絡覆蓋優化方法與應用

藍俊鋒，牛沖麗，余國輝

（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630）

海域數據通信需求隨著沿海漁業、海上旅游業發展變得日益迫切。對近海覆蓋的業務特點、覆蓋規劃難點、覆蓋優化技術與方法以及實際應用場景進行分析研究，提出綜合采用TD-LTE系統特殊參數配置、優化海面無線傳播鏈路預算、優化海面覆蓋基站站址規劃以及覆蓋增強等技術。提出的優化方法在上川島和下川島進行了實際應用。仿真結果和實測數據表明，TD-LTE網絡覆蓋優化方法的實施，明顯提高了網絡覆蓋率和通信服務質量。

近海無線覆蓋；TD-LTE；鏈路預算；覆蓋增強

1 引言

隨著國家經濟的發展及TD-LTE網絡建設的不斷擴大深入，沿海漁業、海上旅游業也迅速壯大，海域數據通信需求日益增多。海面存在輪渡、旅游、水上比賽項目、海面搜救、漁政、海巡、緝私等無線數據通信的需求。本文對近海覆蓋的業務特點、覆蓋規劃難點、覆蓋優化技術與方法以及實際應用進行分析研究。

海面覆蓋場景包括近海區域和遠海區域[1]。近海區域是指距離海岸30 km以內的海面區域，平行于海岸線的近海覆蓋是最常見的一種覆蓋場景。近海區域的用戶以漁民和貨輪工作人員為主，其次為海上作業人員（從事海上集裝箱貨運、近海海水養殖等）以及客輪旅客。遠海區域主要是指距離海岸30 km以外、80 km以內的海面區域，垂直于海岸線的遠海廣域覆蓋是另外一種常見的海面覆蓋場景。遠海區域內的用戶群以海中正在作業的漁民和國際航運旅客為主，另外還包括遠海海域內一些島嶼上的居民。

近海覆蓋特點是地形簡單、區域遼闊平坦、無線傳播環境較好；業務特點是人口分布分散、用戶密度低、ARPU值較低、基站周圍話務量無明顯變化、熱點地區不明顯、對網絡系統容量要求不高、信號傳播以視距為主。

2 近海TD-LTE網絡覆蓋規劃難點

近海網絡的有效覆蓋范圍取決于多種因素[2]，如基站發射功率、終端發射功率、綜合路徑損耗（包括空間傳播損耗、天線增益、饋線損耗、衰落余量）、基站接收靈敏度、終端接收靈敏度等，同時與無線傳播環境（如地理環境、基站布局）有著密切的關系。近海網絡覆蓋規劃的難點在于以下幾點。

（1）海上信道特征復雜不穩定

導致海面LTE信號的覆蓋質量性能指標比較難保證。多徑效應、“乒乓”效應等會導致已經覆蓋的區域SINR值變差，下行、上行速率不穩定。海面無線信號傳輸會出現慢衰落等現象，信號穩定性也會降低。另外，還有地球曲率和海浪、船只遮擋等問題的影響。綜合來說是電波在傳播過程中所產生的反射效應、大氣中水蒸氣和氧氣對電波的損耗及船只的電波消耗。這些問題在進行鏈路預算時都必須考慮。

（2）海岸線地貌、島嶼與航線的因素

海岸線的地形對基站的布局有較大影響，同時海岸線地形是隨著時間不斷發生變化的。由于船只是近海領域中運行的主體，航道線路對于基站的布局也起著至關重要的作用，航線距離過遠，基站覆蓋難度較大。島嶼是除海岸之外布局基站最多的地方，島嶼的位置給基站的布局造成很大的限制。以上均為近海水域無線網絡規劃的特殊性體現。

3 近海TD-LTE網絡覆蓋規劃優化技術與方法

對于近海TD-LTE網絡規劃覆蓋的難點，相對應的具體解決措施有：TD-LTE系統特殊參數配置；海面無線傳播信道模型分析及鏈路預算；海面覆蓋的基站站址規劃；頻段、天線選擇及覆蓋增強技術的使用。

3.1 TD-LTE系統特殊參數配置

（1）循環前綴配置

TD-LTE系統為消除多徑時延，在每個OFDM符號之前加入循環前綴（CP）。CP長度大于無線信道的最大時延擴展，即可消除多徑帶來的符號間干擾（ISI）。CP的類型、特點見表1。

（2）保護間隔配置

由TD-LTE無線幀結構可知[3]，DwPTS、保護間隔（GP）和UpPTS 3個特殊時隙構成一個TD-LTE特殊子幀，三者總長度保持1 ms不變。TD-LTE系統是依靠時間上的間隔完成雙工轉換的，GP即為規避干擾而預留的保護間隔，GP的大小與系統覆蓋距離有關，GP越大覆蓋距離也越大，同時DwPTS越小，系統容量下降。

表1 CP的類型、特點

由于GP=2×傳輸時延+轉換時延，故最大覆蓋距離=傳輸時延×c=（GP-轉換時延）×c/2。其中，c為光速，轉換時延為UE從下行接收到上行發送的轉換時間，其典型值是10~40 μs，此處假定為20 μs。不同的特殊子幀配置對應不同的TD-LTE覆蓋距離，具體見表2。

（3）隨機接入突發信號格式

在TS26.211[4]中定義了5種隨機接入突發信號格式。物理層隨機接入突發信號由3部分組成：CP、前導序列和GT保護時間。由于接入時隙需要克服上行鏈路的傳播時延以及用戶上行鏈路帶來的干擾，因此需要在時隙設計需預留足夠的保護時間（GT）。GT長度決定了能夠支持的接入半徑，因為預留的GT需要支持傳輸距離為小區半徑的兩倍，以保證小區邊緣的用戶獲得下行同步后，能夠有足夠多的時間提前發送。隨機接入前導信號格式和覆蓋距離的對應關系見表3。

3.2 海面無線傳播信道分析及鏈路預算

無線電波在海面傳播時，收發端在可視距離以內，接收端接收到的信號包括直達波和經海面反射的反射波。在計算海面電波傳播損耗的時候應該分別考慮直射路徑和反射路徑的信號損耗（PL1），同時也不能忽略大氣吸收損耗（PL2）這一因素，最后需要加上電波穿透船體的損耗（PL3）。

根據參考文獻[5]可得到自由空間的傳播損耗PL0為：

其中，是載波的工作頻率，是收發天線之間的距離。根據參考文獻[6]可得到PL1、PL2：

借鑒大連進行的海上移動通信實驗[7]，根據測試數據可得：

綜上可知近海領域通信的路徑損耗的總計算式為：