近海TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化方法與應(yīng)用

藍俊鋒，牛沖麗，余國輝

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近海TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化方法與應(yīng)用

藍俊鋒，牛沖麗，余國輝

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510630）

海域數(shù)據(jù)通信需求隨著沿海漁業(yè)、海上旅游業(yè)發(fā)展變得日益迫切。對近海覆蓋的業(yè)務(wù)特點、覆蓋規(guī)劃難點、覆蓋優(yōu)化技術(shù)與方法以及實際應(yīng)用場景進行分析研究，提出綜合采用TD-LTE系統(tǒng)特殊參數(shù)配置、優(yōu)化海面無線傳播鏈路預(yù)算、優(yōu)化海面覆蓋基站站址規(guī)劃以及覆蓋增強等技術(shù)。提出的優(yōu)化方法在上川島和下川島進行了實際應(yīng)用。仿真結(jié)果和實測數(shù)據(jù)表明，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化方法的實施，明顯提高了網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和通信服務(wù)質(zhì)量。

近海無線覆蓋；TD-LTE；鏈路預(yù)算；覆蓋增強

1 引言

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展及TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷擴大深入，沿海漁業(yè)、海上旅游業(yè)也迅速壯大，海域數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信的需求。本文對近海覆蓋的業(yè)務(wù)特點、覆蓋規(guī)劃難點、覆蓋優(yōu)化技術(shù)與方法以及實際應(yīng)用進行分析研究。

海面覆蓋場景包括近海區(qū)域和遠海區(qū)域[1]。近海區(qū)域是指距離海岸30 km以內(nèi)的海面區(qū)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(qū)域的用戶以漁民和貨輪工作人員為主，其次為海上作業(yè)人員（從事海上集裝箱貨運、近海海水養(yǎng)殖等）以及客輪旅客。遠海區(qū)域主要是指距離海岸30 km以外、80 km以內(nèi)的海面區(qū)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(qū)域內(nèi)的用戶群以海中正在作業(yè)的漁民和國際航運旅客為主，另外還包括遠海海域內(nèi)一些島嶼上的居民。

近海覆蓋特點是地形簡單、區(qū)域遼闊平坦、無線傳播環(huán)境較好；業(yè)務(wù)特點是人口分布分散、用戶密度低、ARPU值較低、基站周圍話務(wù)量無明顯變化、熱點地區(qū)不明顯、對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量要求不高、信號傳播以視距為主。

2 近海TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃難點

近海網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋范圍取決于多種因素[2]，如基站發(fā)射功率、終端發(fā)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(huán)境（如地理環(huán)境、基站布局）有著密切的關(guān)系。近海網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃的難點在于以下幾點。

（1）海上信道特征復(fù)雜不穩(wěn)定

導(dǎo)致海面LTE信號的覆蓋質(zhì)量性能指標比較難保證。多徑效應(yīng)、“乒乓”效應(yīng)等會導(dǎo)致已經(jīng)覆蓋的區(qū)域SINR值變差，下行、上行速率不穩(wěn)定。海面無線信號傳輸會出現(xiàn)慢衰落等現(xiàn)象，信號穩(wěn)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(chǎn)生的反射效應(yīng)、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(yù)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(fā)生變化的。由于船只是近海領(lǐng)域中運行的主體，航道線路對于基站的布局也起著至關(guān)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(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的特殊性體現(xiàn)。

3 近海TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃優(yōu)化技術(shù)與方法

對于近海TD-LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃覆蓋的難點，相對應(yīng)的具體解決措施有：TD-LTE系統(tǒng)特殊參數(shù)配置；海面無線傳播信道模型分析及鏈路預(yù)算；海面覆蓋的基站站址規(guī)劃；頻段、天線選擇及覆蓋增強技術(shù)的使用。

3.1 TD-LTE系統(tǒng)特殊參數(shù)配置

（1）循環(huán)前綴配置

TD-LTE系統(tǒng)為消除多徑時延，在每個OFDM符號之前加入循環(huán)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(jié)構(gòu)可知[3]，DwPTS、保護間隔（GP）和UpPTS 3個特殊時隙構(gòu)成一個TD-LTE特殊子幀，三者總長度保持1 ms不變。TD-LTE系統(tǒng)是依靠時間上的間隔完成雙工轉(zhuǎn)換的，GP即為規(guī)避干擾而預(yù)留的保護間隔，GP的大小與系統(tǒng)覆蓋距離有關(guān)，GP越大覆蓋距離也越大，同時DwPTS越小，系統(tǒng)容量下降。

表1 CP的類型、特點

由于GP=2×傳輸時延+轉(zhuǎn)換時延，故最大覆蓋距離=傳輸時延×c=（GP-轉(zhuǎn)換時延）×c/2。其中，c為光速，轉(zhuǎn)換時延為UE從下行接收到上行發(fā)送的轉(zhuǎn)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(yīng)不同的TD-LTE覆蓋距離，具體見表2。

（3）隨機接入突發(fā)信號格式

在TS26.211[4]中定義了5種隨機接入突發(fā)信號格式。物理層隨機接入突發(fā)信號由3部分組成：CP、前導(dǎo)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(shè)計需預(yù)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(yù)留的GT需要支持傳輸距離為小區(qū)半徑的兩倍，以保證小區(qū)邊緣的用戶獲得下行同步后，能夠有足夠多的時間提前發(fā)送。隨機接入前導(dǎo)信號格式和覆蓋距離的對應(yīng)關(guān)系見表3。

3.2 海面無線傳播信道分析及鏈路預(yù)算

無線電波在海面?zhèn)鞑r，收發(fā)端在可視距離以內(nèi)，接收端接收到的信號包括直達波和經(jīng)海面反射的反射波。在計算海面電波傳播損耗的時候應(yīng)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(jù)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(fā)天線之間的距離。根據(jù)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(jù)測試數(shù)據(jù)可得：

綜上可知近海領(lǐng)域通信的路徑損耗的總計算式為：