LTE-R無線覆蓋設計

李 雪，徐益華，黃 彬

(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070;2.中國鐵路北京局集團有限公司,北京 100860)

1 概述

目前，中國鐵路移動通信系統(tǒng)正面臨著向下一代移動通信系統(tǒng)的演進。LTE-R系統(tǒng)以LTE技術(shù)為基礎，并增加適應于鐵路的特殊功能，能提升小區(qū)吞吐量和降低系統(tǒng)時延，適應鐵路移動寬帶通信業(yè)務的發(fā)展需求，是鐵路下一代移動通信系統(tǒng)的可選技術(shù)。LTE-R作為全新的網(wǎng)絡，在大規(guī)模建設時，最基本的考量是基于網(wǎng)絡建設需求的網(wǎng)絡覆蓋效果和建設成本，因此覆蓋設計是網(wǎng)絡部署過程中既關鍵又復雜的問題。鏈路預算是無線覆蓋設計的前提，可以初步測算小區(qū)半徑和站址分布，鏈路預算的準確性關系到網(wǎng)絡的覆蓋質(zhì)量和建設成本。

2 LTE-R無線覆蓋設計方法

LTE-R采用了正交頻分復用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）以及高階調(diào)制編碼方式等技術(shù)提高頻譜利用率，使網(wǎng)絡容量得以提升。LTE-R因其使用專用頻段，頻譜資源有限，只能采用同頻組網(wǎng)，自干擾嚴重。站址越密，容量越大，但干擾也隨之增強，容量和干擾是相互關聯(lián)、相互矛盾的。因此，其無線覆蓋設計方法與GSM-R系統(tǒng)有所不同。LTE-R鏈路預算的關鍵在于需求分析，即邊緣速率的選取。LTE-R與GSM-R無線覆蓋規(guī)劃設計對比如圖1所示。

圖1 LTE-R與GSM-R無線覆蓋規(guī)劃設計對比圖Fig.1 Comparison of LTE-R and GSM-R wireless coverage planning and design

3 LTE-R鏈路預算

鏈路預算是通信系統(tǒng)用來評估網(wǎng)絡覆蓋的主要手段，通過對搜集到的發(fā)射機和接收機之間的設備參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)及各種余量進行處理，得到滿足系統(tǒng)性能要求時允許的最大允許路徑損耗。鏈路預算是對一條通信鏈路上的各種損耗和增益的核算，利用鏈路預算得出的最大路徑損耗和相應的傳播模型可以計算出特定區(qū)域下的覆蓋半徑，從而初步估算出網(wǎng)絡規(guī)模。LTE-R鏈路預算分為上行鏈路預算和下行鏈路預算，兩者在計算原理上一致。

計算用戶設備UE和eNodeB天線之間的最大允許路徑損耗是鏈路預算最關鍵的步驟，其計算方法如下：

MAPL =發(fā)射端EIRP-最小接收信號電平-保護余量

LTE-R的可能頻段為452.5 ～457.5 MHz，462.5 ～467.5 MHz。本 文 以450 MHz頻 段，2×5 MHz系統(tǒng)帶寬為例進行分析。基站天線2T2R，終端天線1T2R。

3.1 發(fā)射EIRP

EIRP=發(fā)射端發(fā)射功率-饋線及接頭損耗+發(fā)射天線增益

發(fā)射端發(fā)射功率：LTE-R下行基站發(fā)射功率平均分配給所有 RB，分配的RB數(shù)越多覆蓋距離越遠，根據(jù)用戶對頻率資源的占用情況計算最大發(fā)射功率?；締瓮ǖ?0 W發(fā)射功率，基站總發(fā)射功率計算公式為10×lg（20×1 000），約為43 dBm，5 M系統(tǒng)帶寬共計25個RB，子載波發(fā)射功率計算公式為10×lg（20/25/12×1 000），約為18.23 dBm；LTE-R上行終端功率完全分配給用戶使用，無論終端占用頻率資源多與少，終端都是滿功率發(fā)射，終端發(fā)射功率200 mW，終端總發(fā)射功率計算公式為10×lg（200），約為23 dBm。

接頭和饋線損耗：主要包括功分器、饋線、接頭、合路器等插入損耗。鐵路呈線性覆蓋，一個小區(qū)覆蓋鐵路沿線的上、下行兩個方向，LTE-R基站側(cè)2T2R，終端側(cè)1T2R，基站有2個天線端口用于收發(fā)，天線采用雙極化天線時，基站與天線之間需要增加功分器，考慮3 dB的功分器損耗。饋線損耗與饋線長度有關，7/8英寸饋線在450 M頻段的損耗2.44 dB/100 m。因此下行側(cè)接頭和饋線損耗可按照6 dB計算。上行側(cè)手持終端的天線內(nèi)置，車載終端天線與模塊距離很近，可取0 dB。

3.2 最小接收信號電平

最小接收信號電平=接收機靈敏度-接收天線增益+接頭及饋線損耗

接收機靈敏度=熱噪聲電平+噪聲系數(shù)+解調(diào)門限

熱噪聲電平稱為接收機底噪，是接收機噪聲的基本參數(shù)，與帶寬有關。

下行帶寬應為分配給終端的下行RB頻率帶寬。上行帶寬應為全部的信道帶寬。對于GSM-R網(wǎng)絡，上、下行帶寬200 kHz。對于LTE-R網(wǎng)絡，資源的分配與容量有關，是動態(tài)調(diào)整的。

噪聲系數(shù)是與設備硬件相關，不同廠家設備此參數(shù)值不同，但大致差別不大。下行終端接收噪聲系數(shù)一般取7 dB，上行基站接收噪聲系數(shù)一般取3 dB。

解調(diào)門限與分配的RB數(shù)、調(diào)制方式、碼率、信道模型、誤碼率、多天線方式、調(diào)度算法等因素相關，由鏈路仿真或外場測試得出，不同廠家此參數(shù)值不同。

3.3 設計余量

無線覆蓋設計鏈路預算設計余量可參考GSM-R系統(tǒng)，宜考慮下列保護余量：陰影衰落余量、多徑衰落保護、電力牽引供電干擾保護、環(huán)境干擾保護、工程預留保護、其他設計余量。

陰影衰落余量：指中值電平與95%時間地點概率條件下接收電平之間的差值。其服從正態(tài)分布，可以用 EXCEL中的正態(tài)分布函數(shù)來計算，等于NORM.S.INV（邊緣覆蓋比例)×陰影衰落標準方差，密集市區(qū)、郊區(qū)和開闊地的標準方差分別為8 dB、7 dB、6 dB，陰影衰落余量取8.7 dB、7.2 dB、5.9 dB。

多徑衰落保護：是指由多徑傳播引起的衰落保護，取3 dB。

電力牽引供電干擾保護：指電力牽引供電鐵路在通信線路中產(chǎn)生的感應電壓、機車受電弓與接觸網(wǎng)之間摩擦出現(xiàn)的打火等帶來的電磁干擾保護，取3 dB。

環(huán)境干擾保護：指公眾移動通信網(wǎng)對GSM-R系統(tǒng)的干擾，該值的選取應充分考慮所處地理位置的差異性。根據(jù)無線電磁環(huán)境調(diào)查和檢測結(jié)果，合理確定環(huán)境干擾保護，取3 dB。

工程預留保護：指施工質(zhì)量引起的保護余量，如電纜彎曲或接頭工藝質(zhì)量引起的額外損耗，取3 dB。

3.4 業(yè)務信道鏈路預算示例

在確定了以上各關鍵參數(shù)后，可以按照業(yè)務速率的需求完成鏈路預算，下面是下行業(yè)務信道速率為2 520 kbit/s，上行業(yè)務信道速率為1 260 kbit/s時的上下行業(yè)務信道PDSCH和PUSCH的鏈路預算示例。示例如表1所示。

表1 鏈路預算示例Tab.1 Link budget example

4 結(jié)束語

本文主要論述了LTE-R系統(tǒng)在450 MHz頻段上的鏈路預算方法及關鍵參數(shù)取值，并闡述了如何基于鏈路預算得到的MAPL來估算小區(qū)覆蓋半徑和站間距，在工程設計過程中仍需關注幾個問題：

1） 需結(jié)合本網(wǎng)實際的業(yè)務需求確定小區(qū)的邊緣速率；

2） 在鏈路預算中 SINR、RB數(shù)量分配及MCS編碼效率等參數(shù)直接影響解調(diào)門限。同樣的參數(shù)取值，不同廠家設備能力不同，此解調(diào)門限值也不同，需通過鏈路仿真或外場測試確定；

3） 在進行覆蓋估算時，需結(jié)合實際環(huán)境對Hata-Okumura傳播模型進行校正。