基于TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)的多場景鏈路預算軟件設(shè)計

張嬋 付楠楠 張松軼

摘要：為了解決TD-LTE專網(wǎng)通信系統(tǒng)實地部署過程中耗費的高人力、高物力和高財力問題，設(shè)計完成了專網(wǎng)系統(tǒng)多場景鏈路預算軟件。軟件以鏈路預算流程為基礎(chǔ)，依托Okumura-Hata模型、Cost231-Hata模型、海面無線傳播模型、漏纜模型和Keenan-Motley室內(nèi)模型，實現(xiàn)了陸地場景、海面場景、地鐵場景、室內(nèi)場景的全覆蓋。用戶借助該軟件能夠準確計算網(wǎng)絡的覆蓋范圍，進而評估無線網(wǎng)絡的的覆蓋性能，指導基站的建設(shè)，為網(wǎng)絡規(guī)劃奠定重要基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鏈路預算；Okumura-Hata模型；Cost231-Hata模型；海面無線傳播模型；漏纜模型

中圖分類號：TP391.4文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）06-56-4

0引言

伴隨無線高速數(shù)據(jù)業(yè)務的飛速發(fā)展，專網(wǎng)通信系統(tǒng)對帶寬及速率的需求也不斷增加[1]。目前TD-LTE技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)用戶業(yè)務需求建網(wǎng)的標配，應用十分廣泛。雖然基于TD-LTE技術(shù)的組網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)比較成熟，但如何更有效降低前期成本和指導基站數(shù)量與站址分布還存在很多問題，方便快捷、精準可靠的鏈路預算作為專網(wǎng)系統(tǒng)部署規(guī)劃中不可或缺的一環(huán)[2-3]，已成為當前專網(wǎng)通信規(guī)劃中的重中之重[4]。

TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場景鏈路預算軟件面向垂直行業(yè)用戶場景，旨在建立一個能夠獲取LTE專網(wǎng)網(wǎng)絡覆蓋能力的平臺。通過該平臺軟件的詳細測算，能夠準確計算無線信號的覆蓋范圍，從而評估當前組網(wǎng)方案設(shè)計的覆蓋效果，為用戶網(wǎng)絡建設(shè)的選址和無線資源規(guī)劃提供重要保障。

基于行業(yè)應用場景研究統(tǒng)計，TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)的部署實施需求主要集中在陸地場景、海面場景、地鐵場景、室內(nèi)場景等幾個方面。TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場景鏈路預算軟件能夠覆蓋上述場景的需求，并且操作簡便，結(jié)果清晰，無需安裝。

1總體設(shè)計

軟件的整體框架是基于戴爾小型服務器搭建TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)鏈路仿真平臺和多場景信道仿真平臺，修正陸地場景、海面場景、地鐵場景、室內(nèi)場景的傳統(tǒng)無線損耗模型，最后利用PyCharm和PythonQt工具，使用Python語言完成軟件界面的整體呈現(xiàn)。

1.1 TD-LTE專網(wǎng)鏈路預算流程

鏈路預算是對信號收發(fā)傳輸過程中各種影響因素進行考察與分析后，估算無線覆蓋能力，獲得保證一定信號質(zhì)量下鏈路所允許的最大傳播損耗，并根據(jù)合適的傳播模型得到小區(qū)的覆蓋范圍[5]。鏈路預算不僅和網(wǎng)絡的覆蓋相關(guān)，與網(wǎng)絡的容量和質(zhì)量也息息相關(guān)，無線覆蓋分析估算能夠指導基站數(shù)量和站址的分布，無線分析覆蓋估算方法[6]如圖1所示。

TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)鏈路預算流程[5]詳細說明如下：

①根據(jù)用戶需求確定邊緣速率；

②根據(jù)上下行子幀配比和特殊子幀配比確定用戶傳輸塊大小；

③根據(jù)②中得到的值和不同MCS，PRB下的SINR解調(diào)門限表來確定滿足當前用戶速率需求所需要的PRB，MCS，SINR解調(diào)門限值，并確定接收機靈敏度；

④根據(jù)使用場景確定適用的信道模型；

⑤根據(jù)使用場景的信道環(huán)境和部署條件確定通信鏈路中的所有損耗、增益和余量參數(shù)值；

⑥根據(jù)式（1）、步驟③和⑤確定信號傳輸過程中允許的最大路徑損耗值MAPL；

⑦根據(jù)步驟④和⑥確定小區(qū)的最大覆蓋范圍。

步驟③作為TD-LTE專網(wǎng)鏈路軟件的核心，SINR所使用的解調(diào)門限是由TD-LTE專網(wǎng)鏈路級仿真獲得的，內(nèi)容的確定需要平臺遍歷所有MCS和所有PRB下的仿真結(jié)果。

在一定誤碼率BLER的前提下（通常業(yè)務信道目標誤碼率為10%，控制信道目標誤碼率為1%），只有接收機的信噪比大于等于步驟③中計算的SINR解調(diào)門限時，接收機才能正確解調(diào)接收到的信號[7]。

1.2信道模型的選取

本文主要基于陸地場景、海面場景、地鐵場景和室內(nèi)場景進行建模分析。

1.2.1陸地場景

陸地場景主要基于Okumura-Hata模型和Cost231-Hata模型[8]進行優(yōu)化修正。

（1）Okumura-Hata模型

假設(shè)條件：傳播損耗處理以2個全向天線間交互為基準，地形視作準平滑地形處理，以市區(qū)路徑傳播損耗為基準，在此基礎(chǔ)上對其他地區(qū)進行修正。

適用條件

工作頻率：150～1 500 MHz；作用距離，1～35 km；基站天線高度：30～200 m，移動臺天線高度：1～10 m。

（2）Cost231-Hata模型

Cost231-Hata模型以O(shè)kumura-Hata模型為基礎(chǔ)，利用一些修正項使頻率覆蓋范圍得到擴展。

適用條件

工作頻率：1 500～2 000 MHz，基站天線有效高度：30～200 m，移動臺天線高度：1～10 m，通信距離：1～20 km。

1.2.2海面場景

海面模型主要基于文獻[5]中模型進行修正與優(yōu)化。通常在沿海高處選擇基站站址，其無線傳播近似于自由空間的傳播，信號可以傳播到很遠的海面上。由于傳輸距離較遠，地球不能再視作平面，此時地球曲率將對無線電波的傳播產(chǎn)生影響。無線電波在海面?zhèn)鞑r，在可視距離內(nèi)，傳播路徑主要是空氣傳播的直達波和海面的反射波。而在可視距離外，則需要考慮地球球面形成的遮擋造成的繞射損耗。

假設(shè)條件[5]：相對于海面，基站高度較高，基站與終端之間無障礙物，主要獲取天線主瓣方向的輻射信號。

適用條件：工作頻率為300～3 000 MHz，無遮擋海面覆蓋場景。

1.2.3地鐵場景

地鐵中無線信號主要借助漏泄同軸電纜（漏纜），通過電磁波在電纜中縱向傳輸?shù)耐瑫r利用槽孔向外界輻射電磁波完成覆蓋。漏纜損耗模型中，無線信號從發(fā)射機到接收機會歷經(jīng)傳輸損耗、耦合損耗、寬度因子損耗、車體損耗、人體損耗，傳輸模型比較簡單，其中耦合損耗是在95%可通率前提下確定的[9]。

1.2.4室內(nèi)場景

室內(nèi)場景選取Keenan-Motley室內(nèi)模型[10]，影響室內(nèi)傳播的因素主要是建筑物的布局、建筑材料和建筑類型等。室內(nèi)場景具有2個顯著特點：室內(nèi)面積相對較小，需要無線信號覆蓋的范圍小；室內(nèi)傳播環(huán)境受無線設(shè)備的部署位置影響較大，因此建模時需要確認站點的地理位置、建筑樓宇高度、層數(shù)、建筑總面積、需要覆蓋區(qū)域面積等參數(shù)，并根據(jù)這些因素來修正傳播影響因子，使無線信號的覆蓋仿真更加趨向真實環(huán)境的應用。

1.3軟件設(shè)計

TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場景鏈路預算軟件在3GPP TD-LTE技術(shù)標準的基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)，能夠覆蓋上述所有場景需求，既可單獨獲取TD-LTE上行、下行的覆蓋范圍，也可獲取上下行同時傳輸時的覆蓋范圍。

使用PythonQt工具進行軟件界面布局，將4個模型共用參數(shù)放置到公共區(qū)域，各個模型私有參數(shù)下放到模型選項內(nèi)部。界面布局完成之后，使用Python語言對各個模型進行建模，完成邊緣用戶的速率、TB size、PRB、MCS和SINR解調(diào)門限表等參數(shù)之間的邏輯關(guān)系設(shè)計。使用時通過界面輸入?yún)?shù)的選擇確定，即可得到當前配置下的最大覆蓋距離，并將當前場景下的基本配置及計算結(jié)果通過Excel表格形式輸出。

使用PythonCharm將后綴為.py的軟件轉(zhuǎn)換成.exe格式，Windows平臺免安裝、通用性強，方便使用者直接進行基站覆蓋范圍計算。

2設(shè)計成果

TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場景鏈路預算軟件示意圖如圖3所示。

本軟件集陸地傳播模型（Okumura-Hata模型、Cost231-Hata模型）、海面模型、漏纜模型、室內(nèi)模型為一體，同時支持密集城區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村、開闊地等地理類型，適用于陸地場景、海面場景、無人機場景、地鐵場景以及室內(nèi)等不同場景，充分滿足TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多行業(yè)的陸、海、空多場景覆蓋需求。同時本軟件基于3GPP TD-LTE技術(shù)標準，充分考慮多種技術(shù)場景需求（不同帶寬、上下行子幀配比、特殊子幀配比、終端類型、發(fā)射功率、基站天線個數(shù)、頻率等），設(shè)計3種輸出模式（單上行、單下行、上下行同時），可支持EPA步行者信道模型、EVA車輛信道模型、ETU典型城市信道模型無線信道模型。鏈路預算結(jié)果以Excel表格呈現(xiàn)，關(guān)鍵輸入?yún)?shù)、發(fā)射端參數(shù)、接收端參數(shù)，以及計算路徑損耗結(jié)果均完整給出。表格名稱、表格存放路徑也在界面給出，可以靈活對比不同配置時的覆蓋差距，從而進一步調(diào)整布站策略。

鏈路預算結(jié)果輸出示意圖如圖4所示，以陸地信道模型為例，工作頻率為1 500 MHz時，適用的信道模型為Okumura-Hata模型，邊緣速率需求為2 000 kb/s，根據(jù)實際場景選取帶寬20 MHz，上下行子幀配比0，特殊子幀配比5，EPA步行者信道模型，郊區(qū)，基站天線高度30 m，UE天線高度1.5 m，基站發(fā)射功率46 dBm，終端選擇手持臺功率23 dBm，增益和損耗選擇常用默認值，選取計算上下行同時傳輸測試結(jié)果，表中分別給出了上行與下行的鏈路損耗及覆蓋距離，軟件界面中會選取較小的覆蓋距離作為最終的結(jié)果輸出。

3結(jié)束語

TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場景鏈路預算軟件基于自研的鏈路仿真模型得到充分的理論數(shù)據(jù)，填補了公司TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)鏈路預算的空白，大大節(jié)省公司網(wǎng)絡設(shè)備部署的網(wǎng)規(guī)和網(wǎng)優(yōu)成本。

本軟件無需安裝、操作簡便、輸出結(jié)果清晰，使用者能夠方便、快捷、準確地獲取到不同應用類型的LTE專網(wǎng)無線覆蓋距離，為用戶提供了一套完整高效的TD-LTE鏈路覆蓋系統(tǒng)，充分滿足用戶不同場景的覆蓋需求。

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