一種TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)的解決方案設(shè)計(jì)

(中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 湖州市分公司，浙江 湖州 313000)

隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，3G移動(dòng)通信已經(jīng)得到了廣泛的研究與應(yīng)用[1]，但是3G的帶寬面對(duì)目前的業(yè)務(wù)需求已經(jīng)力不從心，當(dāng)前的業(yè)務(wù)模式逐漸向高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移[2]，比如流媒體實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)，因此目前4G移動(dòng)通信已經(jīng)成為發(fā)展的主要方向.TD-LTE[3]作為新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要標(biāo)準(zhǔn)之一，其數(shù)據(jù)下行速度將達(dá)100 Mbps，進(jìn)而被工業(yè)界視為4G主流技術(shù).它擴(kuò)展了3G空中接入技術(shù)功能[4]，并使用OFDM(正交頻分復(fù)用技術(shù))和MIMO(多輸入輸出技術(shù))作為其核心接入技術(shù).得益于這兩種先進(jìn)的無線通信技術(shù)，TD-LTE可在20 MHz頻譜帶寬下提供100 Mbps的下行峰值速率與50 Mbps上行峰值速率.然而，依據(jù)NTT DoCoMo的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，手機(jī)用戶70%以上的通信業(yè)務(wù)需求發(fā)生在室內(nèi)，尤其對(duì)于4G移動(dòng)通信系統(tǒng)更是如此.因此室內(nèi)分布系統(tǒng)是解決高速率傳輸問題的重要手段[5]，從GSM開始一直到目前的LTE，一直有科學(xué)家致力于這一塊的研究.鑒于上述論述，筆者將研究室內(nèi)LTE的信號(hào)覆蓋問題，提出一種LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)的單通道設(shè)計(jì)方案，并通過實(shí)際案例進(jìn)行分析和說明.結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)方案的測(cè)試指標(biāo)達(dá)到了系統(tǒng)要求，具有良好的效果，有望為當(dāng)前的TD-LTE建設(shè)提供技術(shù)參考.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

室內(nèi)分布系統(tǒng)的設(shè)備大致可分為有源器件與無源器件兩種.常用的無源器件有功分器、耦合器、合路器、電橋、衰減器、負(fù)載、饋線、天線等；常用的有源器件宏蜂窩、微蜂窩、RRU等.另外在信源選取上，TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)采用分布式基站(BBU+RRU)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)場(chǎng)景覆蓋.高話務(wù)場(chǎng)景的室內(nèi)覆蓋可優(yōu)先考慮采用大容量BBU配置，并通過使用多個(gè)RRU實(shí)現(xiàn)大容量覆蓋.對(duì)于室外宏基站附近區(qū)域，具有話務(wù)需求的樓宇，可將室外宏基站的容量通過RRU引入室內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外協(xié)同覆蓋.下面將從兩個(gè)方面給出TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)的設(shè)計(jì).

1.1 模式分析

TD-LTE室內(nèi)建設(shè)可分為單通道模式和雙通道模式.在單通道模式下，每個(gè)室內(nèi)覆蓋點(diǎn)僅需一條射頻傳輸鏈路進(jìn)行信號(hào)的收發(fā).此外，同個(gè)樓層通常只使用一個(gè)RRU通道，如圖1所示.該方案適合于規(guī)模較小、對(duì)數(shù)據(jù)容量要求較低的場(chǎng)景.圖2給出了雙通道模式的示意圖.該模式下，每個(gè)室內(nèi)覆蓋點(diǎn)都需通過一根雙極化天線或部署在不同物理位置的兩個(gè)單極化天線進(jìn)行信號(hào)的收發(fā)，進(jìn)而形成2×2 MIMO組網(wǎng)模式.相對(duì)于單通道模式，該方案的優(yōu)勢(shì)是用戶的峰值速率和系統(tǒng)容量將得到擴(kuò)大.雙通道模式可很好的滿足室內(nèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需求，但是存在部署工程量較大的缺點(diǎn)，且隨著兩路功率不平衡的加劇，系統(tǒng)性能急劇下降.綜合比較之后，筆者選擇單通道模式作為研究對(duì)象.

圖1 單通道模式

圖2 雙通道模式

1.2 建設(shè)方式選型

TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)的建設(shè)方式可以總結(jié)為三大主要方式[6]：

1) 兩路新建.獨(dú)立新建兩路分布系統(tǒng)，需新建兩套室內(nèi)天饋線系統(tǒng).

2) 一路新建一路改造.一個(gè)通道通過合路器共用原分布系統(tǒng)，另一個(gè)通道獨(dú)立新建一路分布系統(tǒng).

3) 共用合路.單路系統(tǒng)，一個(gè)通道通過合路器共用原分布系統(tǒng).

這里將采用第三種建設(shè)方式，但是共用原分布系統(tǒng)需要在原分布系統(tǒng)合路處更換合路器，同時(shí)增加了一路信號(hào)以及頻率范圍發(fā)生了改變，因此需要更換性能更加優(yōu)越的合路器等設(shè)備.但是施工主要在機(jī)房，弱電井等區(qū)域施工，工程實(shí)施難度小，施工量小，缺點(diǎn)為容量提升空間小，可能無法滿足未來的用戶需求.考慮到一定的容量余量是我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中必須考慮的一個(gè)方面，為了以后用戶的增加，可以通過小區(qū)分裂等方式滿足未來需求.

2 案例與分析

2.1 覆蓋區(qū)域

某火車站位于某市潘橋鎮(zhèn)，其經(jīng)緯度為：N 27.969 218°，E 120.582 161°.火車站樓高4層，其中地上3層、地下1層，墻體未水泥墻體，總建筑面積約為76 800 m2.筆者所設(shè)計(jì)的分布系統(tǒng)解決方案實(shí)現(xiàn)對(duì)大樓電梯、地下室及平層區(qū)域的覆蓋.大樓的基本情況見表1，2.

表1 樓層覆蓋區(qū)域情況表

表2 電梯覆蓋區(qū)域情況表

2.2 TD-LTE分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)定型

根據(jù)TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)，下述設(shè)計(jì)指標(biāo)是本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)：

1) 2X2雙天線的水平距離可以為1/2波長(zhǎng)和10個(gè)波長(zhǎng)(1.5 m)之間.

2) LTE UE的RSRP達(dá)到-90 dBm.

3) 無線環(huán)境好的時(shí)候時(shí)候單用戶能達(dá)到80 Mbps；不好的時(shí)候回退到發(fā)射分集達(dá)到40 Mbps.單小區(qū)下行總流量為80 Mbps，多用戶時(shí)共享資源.

2.3 設(shè)計(jì)思路

為滿足不同用戶的各類需求，LTE合路方案可以達(dá)到最高性價(jià)比，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)間的融合，確保GSM/TD-SCDMA/LTE/WLAN系統(tǒng)能完美覆蓋.需要結(jié)合大樓的布局合理規(guī)劃設(shè)計(jì)，做好各系統(tǒng)覆蓋規(guī)劃，容量規(guī)劃，切換區(qū)域設(shè)置，外泄控制和頻率規(guī)劃等工作.

LTE系統(tǒng)以BBU+RRU(3載波)作為信源，根據(jù)大樓的話務(wù)量分析及功率預(yù)算，共采用7臺(tái)RRU作為L(zhǎng)TE室內(nèi)覆蓋信源，室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)PCCPCH信道功率不超過16 dBm.LTE系統(tǒng)擴(kuò)容可采用RRU小區(qū)分裂法，也可通過增加載波方式來進(jìn)行擴(kuò)容.無源器件和天線采用寬頻段(800～2 500 MHz)，可滿足2G，3G和WLAN要求.為了控制小區(qū)間的干擾，采用全向吸頂天線覆蓋方式，所有的器件和天線均符合TD-LTE頻段.天線布置均采用“小功率，多天線“的原則，使TD-LTE信號(hào)只穿透一堵墻.平層天線口的功率配置在0～5 dBm之間.

在具體設(shè)計(jì)中，我們需要對(duì)覆蓋區(qū)域進(jìn)行選點(diǎn)路測(cè)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果設(shè)計(jì)天線的安放位置和發(fā)射功率，注意受限于原宏蜂窩基站和大樓配線機(jī)房的位置，室內(nèi)信號(hào)的輸入源位置是基本確定的.在施工完成后可以通過調(diào)整發(fā)射功率進(jìn)行細(xì)致的覆蓋調(diào)整以優(yōu)化覆蓋性能.這一過程極為繁瑣，主要依賴于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化軟件和設(shè)計(jì)工程師的經(jīng)驗(yàn)支撐.

2.4 覆蓋設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，筆者組織工人對(duì)該火車站大樓的樓道進(jìn)行了選點(diǎn)路測(cè)工作，而后對(duì)分布式覆蓋作了設(shè)計(jì)，由于設(shè)計(jì)圖較多，僅給出部分典型的設(shè)計(jì)方案.具體的室內(nèi)天線功率分配設(shè)計(jì)如表3所示.

表3 部分B1樓層室內(nèi)天線功率分配表

2.5 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

在實(shí)際傳播環(huán)境中，NLOS的存在會(huì)使得距離的測(cè)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真實(shí)的距離，假設(shè)測(cè)量距離為di，那么它和ri之間有如下關(guān)系：

根據(jù)電磁波自由空間傳播損耗公式

LS=(4πDf/c)2

(1)

其中：D為傳播距離(m)；f為電磁波頻率(MHz)；c為光速.式(1)用對(duì)數(shù)表示為

LS=20lg(4πDf/c)=

-27.56+20lgd+20lgf

(2)

假設(shè)頻率取2 400 MHz，代入式(2)可得

LS=38.46+20lgd

(3)

2 400 MHz信號(hào)的可視空間傳播損耗見表4.

表4 傳播損耗表

因此，得到總的路徑損耗

L=LS+M

(4)

其中M為衰落余量(表5).

表5 衰落余量表

為了評(píng)估覆蓋方案設(shè)計(jì)，筆者使用天線口低發(fā)射電平模型估算距天線最遠(yuǎn)處的室內(nèi)覆蓋區(qū)域信號(hào)接收電平,即

Pr=Pt+Ga-L

(5)

其中：Pr為接收點(diǎn)信號(hào)電平；Pt為天線口發(fā)射信號(hào)電平；Ga為天線增益(通常為2 dBm)；L為式(4)得到的總路徑損耗.

以B1F平層最弱天線ANT58-B1F為例，該天線口輸出電平為-18.1 dBm，室內(nèi)最遠(yuǎn)處距天線為15 m.根據(jù)式(5)得室內(nèi)的最低場(chǎng)強(qiáng)約為-18.1 dBm+2.0 dBm-64 dBm-20 dBm=-100.1 dBm，而TD-LTE系統(tǒng)的接收靈敏度要求低于-100 dBm，故上述接收信號(hào)可滿足通信要求.進(jìn)一步考慮到系統(tǒng)中牽涉到的其他所有天線口電平均高于-18.1 dBm，且天線覆蓋的設(shè)計(jì)距離小于15 m，故均滿足接收靈敏度要求，從而實(shí)現(xiàn)覆蓋，滿足設(shè)計(jì)要求.

3 結(jié) 論

針對(duì)TD-LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)的室內(nèi)覆蓋問題，通過對(duì)室內(nèi)分布式系統(tǒng)的模式分析和建設(shè)方式選型，提出一種基于單通道共用合路模式的解決方案.然后，將該方案應(yīng)用到某火車站大樓的室內(nèi)信號(hào)覆蓋設(shè)計(jì)中.最后，根據(jù)天線口低發(fā)射電平模型，分析了場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果.結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)方案在施工建設(shè)完成后任意點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)滿足TD-LTE的接收靈敏度要求，可有效的實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋.

參考文獻(xiàn)：

[1] 鮑俊華，孟利民，華驚宇，等.一種高效的TD-SCDMA下行鏈路幀頭檢測(cè)方法及FPGA實(shí)現(xiàn)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38(5):570-573.

[2] 楊建鋒，孟利民.視頻監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)流媒體傳輸控制方法的設(shè)計(jì)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40(4):454-457.

[3] 沈嘉，索世強(qiáng)，全海洋，等.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[4] 王映民，孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[5] 張玉華，彭宏，鄭冕，等.基于GSM射頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)的CIC濾波器的設(shè)計(jì)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，39(1):109-113.

[6] 汪穎.TD-LTE室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)規(guī)劃思路和建設(shè)方案[R].北京：中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院，2012.