TD-LTE在農(nóng)村寬帶接入的應(yīng)用研究

孫朝暉 ，黎建波 ，陳寶生

（1.湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙 410126 ；

2.中國電信湖南分公司，湖南長沙 410011）

TD-LTE在農(nóng)村寬帶接入的應(yīng)用研究

孫朝暉1，黎建波2，陳寶生2

（1.湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙 410126 ；

2.中國電信湖南分公司，湖南長沙 410011）

隨著農(nóng)村居民多媒體需求日趨旺盛，以及國家對(duì)農(nóng)村寬帶發(fā)展的高度重視，電信運(yùn)營商采取合適的、經(jīng)濟(jì)可行的方案推進(jìn)農(nóng)村寬帶建設(shè)已迫在眉睫。文章對(duì)農(nóng)村寬帶接入技術(shù)制式進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)分析了TD-LTE在農(nóng)村寬帶接入中關(guān)于覆蓋、容量及投資效益等因素，提出了TD-LTE在農(nóng)村部署時(shí)的總結(jié)及建議。

農(nóng)村寬帶；TD-LTE；覆蓋；容量

1 背景

隨著社會(huì)主義新農(nóng)村的建設(shè)，農(nóng)村居民生活條件和生活質(zhì)量不斷改善，農(nóng)民純收入和電腦普及率也在同步上升。農(nóng)村居民對(duì)信息的需求已經(jīng)不局限于簡單的電話業(yè)務(wù)，而更多的是對(duì)多媒體的業(yè)務(wù)需求。一方面，農(nóng)村居民希望通過上網(wǎng)聊天、游戲，看電影、聽音樂等，進(jìn)一步豐富物質(zhì)文化生活。另一方面，農(nóng)村居民希望通過上網(wǎng)進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品的銷售和采購，查詢價(jià)格和政策、學(xué)習(xí)農(nóng)業(yè)種植知識(shí)等。互聯(lián)網(wǎng)已成為農(nóng)村居民學(xué)習(xí)實(shí)踐、與外界溝通的橋梁。

與此同時(shí)，我國農(nóng)村信息化基礎(chǔ)設(shè)施改善明顯，“十一五”時(shí)期“村村通電話”已基本實(shí)現(xiàn)?！笆濉睍r(shí)期我國將進(jìn)一步夯實(shí)農(nóng)村基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，重點(diǎn)是加快農(nóng)村地區(qū)寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，提高寬帶普及率和接入帶寬。并通過“家電下鄉(xiāng)”給予的相關(guān)補(bǔ)貼政策，逐步提高我國農(nóng)村居民計(jì)算機(jī)的擁有量，每百戶達(dá)到30臺(tái)，提高農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平。

一方面是農(nóng)村信息化變革需求，另一方面是政府對(duì)農(nóng)村寬帶的高度重視，這對(duì)電信運(yùn)營商而言，是市場機(jī)遇也是社會(huì)責(zé)任。因此，如何采取經(jīng)濟(jì)可行的方案推進(jìn)農(nóng)村寬帶的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，是各大電信運(yùn)營商需重點(diǎn)關(guān)注的問題。

2 農(nóng)村寬帶接入技術(shù)制式選擇

多年來，銅纜+DSL的有線方式是電信運(yùn)營商進(jìn)行農(nóng)村寬帶接入的主要技術(shù)，但其在農(nóng)村的應(yīng)用中也存在以下弊端：

1）農(nóng)村地區(qū)用戶分散，單個(gè)村落業(yè)務(wù)量較小，初期部署有線寬帶投入太高；

2）農(nóng)村地域較廣，地理?xiàng)l件復(fù)雜，山區(qū)、丘陵地形較多；有線寬帶部署困難、施工周期長；

3）有線方式單線成本較高，銅纜覆蓋距離有限，資源利用率低；

4）銅纜在農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)偷盜情況嚴(yán)重，導(dǎo)致維護(hù)壓力大、代價(jià)高。

基于上述特點(diǎn)，電信運(yùn)營商在農(nóng)村寬帶接入一般采取有線、無線結(jié)合的方式，且無線接入技術(shù)正以其較低的建設(shè)成本，較高的寬帶數(shù)據(jù)傳輸速率，正在成為電信運(yùn)營商解決農(nóng)村寬帶發(fā)展的重要選擇。

WiFi、3G、LTE均可作為無線寬帶接入技術(shù)，這三種技術(shù)對(duì)比見表1。

表1 無線寬帶接入技術(shù)對(duì)比表

從表1可以看出，LTE技術(shù)擁有低時(shí)延、QoS保障機(jī)制、流量分配管理等功能，通過OFDM、MIMO等多種關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)比WiFi、3G系統(tǒng)更快的數(shù)據(jù)速率、更高的小區(qū)容量，能更好地支持高速數(shù)據(jù)與多媒體業(yè)務(wù)。LTE技術(shù)在農(nóng)村寬帶市場上更具應(yīng)用潛力。

LTE包括TD-LTE、LTE FDD兩種制式，在農(nóng)村寬帶接入應(yīng)用上，TD-LTE的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：

1）支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)

上網(wǎng)、文件傳輸和多媒體業(yè)務(wù)通常具有上下行不對(duì)稱特性，TD-LTE可以根據(jù)業(yè)務(wù)類型靈活配置幀的上下行配比。

2）頻譜配置靈活性高

TD-LTE系統(tǒng)無需成對(duì)的頻率，可以方便的配置在LTE FDD系統(tǒng)所不易使用的零散頻段上，農(nóng)村寬帶接入可以充分利用閑置頻譜資源。

3）終端產(chǎn)業(yè)鏈

LTE FDD終端產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展較好，主流品牌廠商都能提供LTE FDD智能終端，用戶發(fā)展以智能手機(jī)為主。LTE FDD更適宜承載基于智能終端的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)以城域?yàn)榛A(chǔ)的覆蓋。

TD-LTE目前商用終端主要以數(shù)據(jù)卡、平板電腦、MiFi和CPE為主。截止2013年7月，TD-LTE已上市終端設(shè)備200款，其中手機(jī)20款。TD-LTE將更適宜提供固定或移動(dòng)寬帶無線數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)。

綜上，下文重點(diǎn)對(duì)TD-LTE在服務(wù)農(nóng)村寬帶市場的覆蓋、容量及投資效益進(jìn)行分析。

3 TD-LTE服務(wù)農(nóng)村寬帶市場的應(yīng)用分析

3.1 覆蓋分析

TD-LTE可以靈活配置時(shí)隙比例、傳輸模式、RB資源和調(diào)制編碼方式進(jìn)行組合，以應(yīng)對(duì)不同的覆蓋環(huán)境和規(guī)劃需求。

結(jié)合農(nóng)村寬帶接入的特點(diǎn)，通過鏈路預(yù)算來分析TD-LTE系統(tǒng)的覆蓋能力，鏈路預(yù)算初始條件的取定如下：

1）工作頻段2.6G，系統(tǒng)帶寬為20MHz；

2）邊緣速率為256Kbps/2Mbps（上行/下行），業(yè)務(wù)子幀配置2:2；

3）基站天線配置為8通道天線，考慮波束賦形和接收分集；

4）在實(shí)際組網(wǎng)中，對(duì)于控制信道可以選擇其他覆蓋范圍更遠(yuǎn)的格式，理論上控制信道不會(huì)成為覆蓋的受限信道。在滿足邊緣速率要求的設(shè)定下，上下行均為業(yè)務(wù)信道受限；

5）區(qū)域覆蓋概率取90%，邊緣覆蓋率取75%；

6）目標(biāo)SINR綜合各個(gè)主流廠家系統(tǒng)仿真的均值；

7）傳播模型：Cost231-Hata；

L(dB)=46.3+33.9lgf-13.8lghte-ɑ(hre)+(44.9-6.55lghte)lgd+Cm

其中：α(hre)取值：

各參數(shù)定義：為路徑損耗；（MHz）為工作頻率；（m）為基站天線的有效高度；（m）為移動(dòng)臺(tái)天線的有效高度；(km）為基站天線和移動(dòng)臺(tái)天線的水平距離；為移動(dòng)臺(tái)有效天線修正因子；Cm為大城市中心校正因子。

TD-LTE上行鏈路預(yù)算結(jié)果見表2。

表2 TD-LTE上行鏈路預(yù)算表

鏈路預(yù)算 郊區(qū) 農(nóng)村 備注熱噪聲功率[dBm] -105.35 -105.35 J 10lg（B*C）+H+I接收天線增益[dBi] 18 18 K接收端分集增益 3 3 L插損和饋線損耗[dB] 2.3 2.3 M Target SINR[dB] -6.2 -6.2 N接收機(jī)靈敏度[dBm] -130.25 -130.25 O J-K-L+M+N儲(chǔ)備及余量快衰落儲(chǔ)備[dB] 0 0 P陰影儲(chǔ)備[dB] 5.39 5.39 Q 面積覆蓋率90%，邊緣覆蓋率75%穿透損耗[dB] 15 15 R干擾余量[dB] 1.5 1.5 S路徑損耗[dB] 131.36 131.36 T G-O-P-Q-R-S基站天線高度[米] 35 40工作頻率[MHz] 2600 2600校正因子[dB] -12.28 -22.52覆蓋半徑（千米） 1.22 2.55站間距 1.83 3.83

TD-LTE下行鏈路預(yù)算結(jié)果見表3。

表3 TD-LTE下行鏈路預(yù)算表

鏈路預(yù)算 郊區(qū) 農(nóng)村 備注接收天線增益[dBi] 0 0 L插損和饋線損耗[dB] 0 0 M Target SINR[dB] 4.75 4.75 N接收機(jī)靈敏度[dBm] -92.89 -92.89 O儲(chǔ)備及余量控制信道開銷[dBm] 1 1 P快衰落儲(chǔ)備[dB] 0 0 Q人體損耗[dB] 0 0 R陰影儲(chǔ)備[dB] 5.39 5.39 S穿透損耗[dB] 15 15 T干擾余量[dB] 3 3 U路徑損耗[dB] 131.01 131.01 V H-O-P-Q-R-S-T-U基站天線高度[米] 35 40工作頻率[MHz] 2600 2600校正因子[dB] -12.28 -22.52覆蓋半徑（千米） 1.19 2.5站間距（千米） 1.79 3.75

從保證邊緣業(yè)務(wù)256Kbps/2Mbps（上行/下行）的速率來看，TD-LTE基站在郊區(qū)最大覆蓋半徑為1.19公里，郊區(qū)的站間距宜設(shè)置為1.5公里左右。TD-LTE基站在農(nóng)村最大覆蓋半徑為2.5公里，農(nóng)村的站間距宜設(shè)置為3-3.5公里左右。

3.2 容量分析

TD-LTE采用AMC自適應(yīng)調(diào)制編碼等技術(shù)，用戶速率隨無線信道環(huán)境的變化而變化，因此容量規(guī)劃中需考察小區(qū)平均吞吐率和小區(qū)邊緣吞吐量等指標(biāo)。一般通過系統(tǒng)仿真和實(shí)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，得到小區(qū)平均吞吐量及邊緣吞吐量。

各廠家系統(tǒng)仿真的結(jié)果差異較大，通過簡單的算術(shù)平均結(jié)果如下：

1）2天線情況下，小區(qū)平均吞吐量為7.8 Mbps/16.4 Mbps（上行/下行），邊緣用戶吞吐量為0.2Mbps/0.4Mbps（上行/下行）；

8天線情況下，容量性能有所提升，小區(qū)平均吞吐量為11.7 Mbps /21.4 Mbps（上行/下行），邊緣用戶吞吐量為0.5Mbps/0.7Mbps（上行/下行）。

根據(jù)TD產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟正式發(fā)布的《TD-LTE產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》，其根據(jù)規(guī)模試驗(yàn)結(jié)果，在外場真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中測到的小區(qū)平均吞吐量如下：

在多小區(qū)同時(shí)加載的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，采用20MHz帶寬的TD-LTE系統(tǒng)和2:2的時(shí)隙配置，且20個(gè)用戶在被測小區(qū)內(nèi)均勻分布，TD-LTE小區(qū)的平均吞吐量可達(dá)到11 Mbps /25Mbps（上行/下行）以上，小區(qū)邊緣每用戶的吞吐量不低于0.26Mbps/0.44Mbps（上行/下行）。

本文綜合各廠家系統(tǒng)仿真及規(guī)模試驗(yàn)的實(shí)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，取TD-LTE單小區(qū)上下行平均吞吐量為8Mbps/20Mbps。一個(gè)S111站型可同時(shí)支持的農(nóng)村寬帶用戶數(shù)估算見表4。

表4 S111站型同時(shí)支持的農(nóng)村寬帶用戶數(shù)估算表

3.3 投資效益分析

TD-LTE在作為農(nóng)村寬帶接入應(yīng)用時(shí)，應(yīng)因地制宜，充分考慮現(xiàn)有站址配套資源的情況，包括與現(xiàn)有基站共站、與其他公司基站基礎(chǔ)設(shè)施共享，以及共建基站等形式，以降低建設(shè)投資，降低新建站選址和配套等工程建設(shè)的難度，確保工程進(jìn)度。根據(jù)廠家詢價(jià)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，TD-LTE共享基站S111站型造價(jià)見表5。

表5 TD-LTE共享基站S111站型造價(jià)估算表

考慮單基站同時(shí)支持120戶無線寬帶，按照50%的集中比，單基站支持240戶，則單用戶工程造價(jià)為729元。因此，采用TD-LTE發(fā)展農(nóng)村寬帶在投資效益上具備一定優(yōu)勢。如國家加大農(nóng)村寬帶在政策、資金方面的支持和扶持力度，則運(yùn)營商在農(nóng)村寬帶投入的積極性將進(jìn)一步提升。

4 總結(jié)及建議

TD-LTE技術(shù)在覆蓋、容量、速率等方面具有寬帶接入的特有優(yōu)勢，可以快速提升我國農(nóng)村無線寬帶的覆蓋水平和發(fā)展水平，加速寬帶向農(nóng)村地區(qū)延伸，縮小城鄉(xiāng)數(shù)字鴻溝，在農(nóng)村市場具有應(yīng)用潛力。但農(nóng)村地區(qū)用戶分散，寬帶業(yè)務(wù)需求正緩慢增長，建議TD-LTE在農(nóng)村初期網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)注意：

TD-LTE適宜部署在城市遠(yuǎn)郊和農(nóng)村富裕地區(qū)，有明確的寬帶需求，但有線資源匱乏，用戶密度相對(duì)較低。有線接入網(wǎng)投資大，效益無法保證，而3G、WiFi等技術(shù)的速率、容量又無法滿足業(yè)務(wù)需求的區(qū)域。

在投資分析中，TD-LTE投資均按照利舊現(xiàn)有基站機(jī)房、鐵塔、傳輸?shù)荣Y源計(jì)算，如需新建機(jī)房、鐵塔和傳輸，建設(shè)投資會(huì)相應(yīng)增加。因此，TDLTE基站在農(nóng)村部署時(shí)，應(yīng)充分利舊現(xiàn)有資源，如需新建，應(yīng)考慮與其他基站共建共享，原則上不新建獨(dú)立TD-LTE基站。

[1] 3GPP TS 36.211 v8.4.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Physical Channels and Modulation[Z].

[2] 3GPP TS 36.212 v8.4.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Multiplex-ing and channel coding.[Z].

[3] 中國電信. TD-LTE混合組網(wǎng)工程無線網(wǎng)總體組網(wǎng)策略與方案[Z].

[4] 韓斌，彭木根. TD-LTE鏈路預(yù)算研究[J].數(shù)據(jù)通信，2011（1）.

[5] 肖清華，汪丁鼎.TD-LTE系統(tǒng)能力分析[J].移動(dòng)通信， 2011（22）.

Applied research on TD-LTE in broadband access in the rural areas

SUN Zhao-hui1, LI Jian-bo2, CHEN Bao-sheng2
(1. Hunan Posts and Telecommunications Planning and Design Institute Co. Ltd., Changsha,Hunan, China 410126; 2. China Telecom, Hunan Branch, Changsha, Hunan, China 410011）

Along with the rural residents' urgent demand of multimedia and the country’s focus on the development of rural broadband, it is imminent for the telecom operators to take appropriate and economically viable solutions to promote rural broadband construction. This paper analyzes the rural broadband access technology and the factors in the TD-LTE access such as coverage, capacity and investment benefits. The conclusion and suggestions are also put forward.

rural broadband; TD-LTE; coverage; capacity

10.3969/j.issn.2095-7661.2014.02.002】

TN929.5

A

2095-7661(2014)02-0007-06

2014-04-30

孫朝暉（1970-），男，湖南長沙人，湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司無線專業(yè)副總工程師，研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)與優(yōu)化。