基于系統(tǒng)容量因素下的TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計*

范波勇，郭旭靜，周井泉

(1.湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410015；2.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

分時長期演進(Time Division Long Term Evolution，TD-LTE)，是由第三代合作伙伴計劃(Third Generation Partnership Project，3GPP)組織協(xié)調(diào)全球各大通信相關(guān)企業(yè)及電信運營商共同制定的以中國為主導(dǎo)的4G無線通信系統(tǒng).LTE系統(tǒng)所用的無線頻率較高，信號衰減快，穿透性能差，嚴重影響了信號質(zhì)量，降低了系統(tǒng)容量，因此采用多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術(shù)來提高系統(tǒng)無線傳輸?shù)目煽啃?，提升系統(tǒng)容量和小區(qū)邊緣用戶的性能.無線信號在室外區(qū)域通過宏基站基本可以實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，但在中心城區(qū)，70%左右的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)場景，因此室內(nèi)環(huán)境是運營商需要重點考慮的信號覆蓋區(qū)域.室內(nèi)分布系統(tǒng)一般通過有線方式引入信源，再通過室內(nèi)型天線將無線信號發(fā)送出去，以達到消除弱覆蓋與信號盲區(qū)、抑制強干擾、提供可靠信號和分擔(dān)室外小區(qū)話務(wù)量的目的，使得用戶在室內(nèi)環(huán)境也能享受高速的4G無線上網(wǎng)服務(wù)，從而解決室內(nèi)信號深度覆蓋的問題.在“流量為王”的運營思維下，系統(tǒng)容量應(yīng)作為室內(nèi)覆蓋設(shè)計的主要考慮因素.

1 TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計的基本原則

基于容量的室內(nèi)覆蓋規(guī)劃方法，應(yīng)在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)初期就按3 年規(guī)劃目標進行小區(qū)劃分，結(jié)合傳統(tǒng)分布系統(tǒng)、光纖分布系統(tǒng)和微基站等產(chǎn)品的特點，合理選擇多種建網(wǎng)模式，最終達到一次部署后不需要反復(fù)新上站點進行改造、降低改造頻次及難度和增加系統(tǒng)容量的目的[1].采用TD-LTE在進行室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計時要遵循以下基本原則：(1)兼顧網(wǎng)絡(luò)性能和覆蓋質(zhì)量；(2)綜合考慮網(wǎng)絡(luò)性能、改造難度、資源情況和投資成本等因素，不影響現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，盡量減少現(xiàn)有室內(nèi)分布系統(tǒng)的改造量；(3)采用E頻段2 300～2 400 MHz進行組網(wǎng)，室外基站異頻組網(wǎng)，室內(nèi)同頻組網(wǎng)或異頻組網(wǎng)；(4)防止室內(nèi)外信號相互干擾，同時考慮切換與小區(qū)重選的便利性；(5)多系統(tǒng)合路時，應(yīng)保證系統(tǒng)間滿足隔離度要求，避免產(chǎn)生系統(tǒng)間強干擾；(6)室內(nèi)分布系統(tǒng)按照“多天線，小功率”進行建設(shè)，必須滿足電磁輻射國家標準；(7)保證擴容的便利性，盡量通過小區(qū)分裂、增加載波和空分復(fù)用等方式快速擴容.

2 TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 單通道設(shè)計方案

TD-LTE單通道室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計方案(圖1)中，每個室內(nèi)覆蓋點只需要通過1條射頻傳輸鏈路和1根吸頂天線進行發(fā)射和接收，通常一個樓層只使用射頻拉遠單元(Radio Remote Unit，RRU)的一個通道.該方案無法使用MIMO技術(shù)，不能提升系統(tǒng)容量，但投資省和業(yè)主協(xié)調(diào)量小，適合對數(shù)據(jù)需求不高且難以進行改造的場景[2].

圖1 單通道室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計方案Fig. 1 Design Scheme of Single Channel Indoor Distribution System

2.2 雙通道設(shè)計方案

TD-LTE雙通道室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計方案(圖2)中，每個室內(nèi)覆蓋點都需要通過1根雙極化天線或者2個普通單極化天線進行收發(fā)，實現(xiàn)2*2 MIMO技術(shù).該方案能提高用戶峰值速率和系統(tǒng)容量，滿足室內(nèi)用戶對高速上網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求，缺點是工程復(fù)雜度較高和業(yè)主協(xié)調(diào)量大.雙通道設(shè)計方案是能快速提高系統(tǒng)容量的室內(nèi)覆蓋方案，在新建的室內(nèi)覆蓋場景中應(yīng)以其為主.在容量需求比較大的室內(nèi)覆蓋改造場景中，為了滿足容量需求，也應(yīng)以雙通道建設(shè)方案為主.

圖2 雙通道室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計方案Fig. 2 Design Scheme of Double Channel Indoor Distribution System

3 TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計的具體要求

3.1 設(shè)計技術(shù)指標

設(shè)計技術(shù)指標包括：(1)無線信道呼損不高于2%.(2)在標準層和裙樓，目標覆蓋區(qū)域內(nèi)95%以上位置，參考信號接收功率(Reference Signal Receiving Power，RSRP)不小于-105 dBm，信號與干擾加噪聲比(Signal to Interference Plus Noise Ratio，SINR)不小于-3 dB，保證移動臺能正常接入且不掉話.(3)在電梯和地下室，目標覆蓋區(qū)域內(nèi)95%以上位置，RSRP不小于-110 dBm，SINR不小于-3 dB，保證移動臺能正常接入且不掉話[3].(4)為了避免高層窗邊同頻干擾，10層以上的室內(nèi)窗邊設(shè)計指標，推薦值RSRP不小于-95 dbm，SINR不小于-3 dB；10層以下若天線位置距離窗口2 m以內(nèi)，則應(yīng)采用定向壁掛天線朝向室內(nèi).(5)室內(nèi)信號泄漏到室外10 m 處的RSRP不高于-100 dBm[3].

3.2 天線選用

選用天線應(yīng)遵循以下要求：(1)盡量選用寬頻天線，包括800～2 500 MHz的所有頻段.(2)不考慮空間分集和波束賦形.室內(nèi)環(huán)境空間狹小、穿透損耗大，空間分集技術(shù)和波束賦形對系統(tǒng)性能的提高不明顯，而且增加了系統(tǒng)成本.(3)選用垂直極化天線，以確保無線信號在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中有效傳播.(4)要適用場景特點.全向吸頂天線在房間天花板的中心位置使用，壁掛式板狀定向天線在墻面掛裝，朝向覆蓋區(qū)域.

3.3 小區(qū)規(guī)劃

為了避免小區(qū)間的同頻干擾，增大系統(tǒng)容量，LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)的小區(qū)規(guī)劃應(yīng)遵循以下要求：(1)盡量按照建筑物自然區(qū)域分割移動通信小區(qū)，通過墻壁衰減信號進行自然分區(qū)；(2)同一建筑物內(nèi)盡量上下不同層之間進行分區(qū)，避免水平同層分區(qū)；(3)電梯內(nèi)盡量劃分為同一小區(qū)，尤其是高速電梯，小區(qū)之間的切換應(yīng)在電梯廳實現(xiàn)，避免電梯高速運行時切換而導(dǎo)致掉話；(4)隨同建筑物上下不同區(qū)域劃分小區(qū)的電梯，小區(qū)之間的切換在電梯井道內(nèi)實現(xiàn)，這種情況一般是每幾層樓劃分成一個小區(qū).

3.4 頻率配置

頻率配置的建議：(1)為了防止室內(nèi)信號與室外信號之間產(chǎn)生同頻干擾，室內(nèi)與室外系統(tǒng)間采用異頻組網(wǎng)[4]；(2)樓層之間隔離較好的區(qū)域，不同樓層可以采用1個20 MHz帶寬的頻點進行同頻組網(wǎng)；(3)相同樓層需要設(shè)置多個小區(qū)時，室內(nèi)場景無法天然隔離，建議采用2個10 MHz帶寬的頻點進行交錯復(fù)用，異頻組網(wǎng).

3.5 時隙配置

上下行子幀配置是指，在TD-LTE系統(tǒng)無線幀結(jié)構(gòu)中配置上行子幀和下行子幀的個數(shù).在5 ms的切換周期下，建議采用2∶2的配置模式，具體見表1[5].

表1 上下行子幀配置Table 1 Uplink and Downlink Subframe Allocation

TD-LTE的特殊子幀分為下行導(dǎo)頻時隙(DWPTS)、保護間隔(GP)和上行導(dǎo)頻時隙(UPPTS)，每個特殊子幀共有14個正交頻分復(fù)用(OFDM)符號進行分配.在中心城區(qū)，因數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨罅看螅厥庾訋姆柵浔瓤刹捎?0∶2∶2，在下行導(dǎo)頻時隙DWPTS上配置10個OFDM符號，最大化下行數(shù)據(jù)傳送速率，增大小區(qū)的系統(tǒng)容量.

4 室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計效果

某現(xiàn)場方案為新建TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)，選用合路器、全向吸頂天線、功分器和耦合器等無源器件，采用雙通道RRU，系統(tǒng)帶寬為20 MHz，最大輸出功率為43 dBm，其中射頻器件選用寬頻帶(800～2 500 MHz)低損耗器件，以減小信號在器件上的損耗，各系統(tǒng)之間隔離度高，避免互調(diào)干擾，同時備有足夠的功率容量.下面對其系統(tǒng)的設(shè)計效果進行詳細分析.

目前，室內(nèi)傳播模型推薦使用ITU-RP.1238室內(nèi)傳播模型，該模型分為視距(LOS)和非視距(nLOS)2種情況.視距傳播模型為[4]LLOS=20lgf+20lgd-28 dB+δ；非視距傳播模型為LnLOS=20lgf+10nlgd+Lf(n)-28 dB+δ.其中：n為環(huán)境因子；f為頻率，單位MHz；d為移動臺距發(fā)射機的距離，單位m；Lf(n)為樓層穿透損耗系數(shù)；δ為衰落余量.假設(shè)設(shè)計場景如下：f=2 300 MHz，d=10 m，視距范圍內(nèi)傳播，不計衰落余量δ.那么，傳播路徑損耗[6]

L=20logf+20logd-28=20log 2 300+20log 10-28=40.03+20log 10=60 dB.

室內(nèi)傳播模型確定后，可以計算出傳播路徑損耗，再進一步計算出邊緣場強Pr[7],Pr=Pt+Ga-PL-δ.其中：Pt為天線口信號電平，可通過天線口單導(dǎo)頻功率計算；Ga為天線增益，吸頂天線的天線增益一般為3 dBi；PL為傳播路徑損耗.衰落余量δ可根據(jù)實際室內(nèi)覆蓋模型測試經(jīng)驗值(表2)計取.

表2 衰落余量經(jīng)驗值Table 2 Empirical Value of Fading Margin dB

若1面混泥土墻體的衰落余量為15 dB，則2面墻體的衰落余量為30 dB，由此可計算出某樓層距離天線10 m處的邊緣場強(表3).

表3 距離天線10 m處的邊緣場強Table 3 Edge Field Strength at 10 m Distance from Antenna

5 結(jié)語

為了確保室內(nèi)區(qū)域有一個理想的4G系統(tǒng)信號覆蓋范圍，提高系統(tǒng)容量和上網(wǎng)速率，增強用戶體驗，最佳解決辦法就是安裝室內(nèi)分布系統(tǒng)[8].從最大化系統(tǒng)容量的角度出發(fā)，提出了TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計基本原則，給出了增加系統(tǒng)容量的最佳方案即雙通道室內(nèi)設(shè)計方案，并從設(shè)計技術(shù)指標、天線選用、小區(qū)規(guī)劃方法、頻率配置和時隙配置等方面闡述了最大化系統(tǒng)容量的室內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計具體要求，最后給出了室內(nèi)傳播模型和邊緣場強計算方法.根據(jù)計算出的邊緣場強，可以判斷室內(nèi)覆蓋點的場強是否滿足覆蓋的技術(shù)指標要求.