基于TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)的多場(chǎng)景鏈路預(yù)算軟件設(shè)計(jì)

張嬋 付楠楠 張松軼

摘要：為了解決TD-LTE專網(wǎng)通信系統(tǒng)實(shí)地部署過程中耗費(fèi)的高人力、高物力和高財(cái)力問題，設(shè)計(jì)完成了專網(wǎng)系統(tǒng)多場(chǎng)景鏈路預(yù)算軟件。軟件以鏈路預(yù)算流程為基礎(chǔ)，依托Okumura-Hata模型、Cost231-Hata模型、海面無線傳播模型、漏纜模型和Keenan-Motley室內(nèi)模型，實(shí)現(xiàn)了陸地場(chǎng)景、海面場(chǎng)景、地鐵場(chǎng)景、室內(nèi)場(chǎng)景的全覆蓋。用戶借助該軟件能夠準(zhǔn)確計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，進(jìn)而評(píng)估無線網(wǎng)絡(luò)的的覆蓋性能，指導(dǎo)基站的建設(shè)，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃奠定重要基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鏈路預(yù)算；Okumura-Hata模型；Cost231-Hata模型；海面無線傳播模型；漏纜模型

中圖分類號(hào)：TP391.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2021）06-56-4

0引言

伴隨無線高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，專網(wǎng)通信系統(tǒng)對(duì)帶寬及速率的需求也不斷增加[1]。目前TD-LTE技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)用戶業(yè)務(wù)需求建網(wǎng)的標(biāo)配，應(yīng)用十分廣泛。雖然基于TD-LTE技術(shù)的組網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)比較成熟，但如何更有效降低前期成本和指導(dǎo)基站數(shù)量與站址分布還存在很多問題，方便快捷、精準(zhǔn)可靠的鏈路預(yù)算作為專網(wǎng)系統(tǒng)部署規(guī)劃中不可或缺的一環(huán)[2-3]，已成為當(dāng)前專網(wǎng)通信規(guī)劃中的重中之重[4]。

TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場(chǎng)景鏈路預(yù)算軟件面向垂直行業(yè)用戶場(chǎng)景，旨在建立一個(gè)能夠獲取LTE專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的平臺(tái)。通過該平臺(tái)軟件的詳細(xì)測(cè)算，能夠準(zhǔn)確計(jì)算無線信號(hào)的覆蓋范圍，從而評(píng)估當(dāng)前組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)的覆蓋效果，為用戶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的選址和無線資源規(guī)劃提供重要保障。

基于行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景研究統(tǒng)計(jì)，TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)的部署實(shí)施需求主要集中在陸地場(chǎng)景、海面場(chǎng)景、地鐵場(chǎng)景、室內(nèi)場(chǎng)景等幾個(gè)方面。TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場(chǎng)景鏈路預(yù)算軟件能夠覆蓋上述場(chǎng)景的需求，并且操作簡(jiǎn)便，結(jié)果清晰，無需安裝。

1總體設(shè)計(jì)

軟件的整體框架是基于戴爾小型服務(wù)器搭建TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)鏈路仿真平臺(tái)和多場(chǎng)景信道仿真平臺(tái)，修正陸地場(chǎng)景、海面場(chǎng)景、地鐵場(chǎng)景、室內(nèi)場(chǎng)景的傳統(tǒng)無線損耗模型，最后利用PyCharm和PythonQt工具，使用Python語言完成軟件界面的整體呈現(xiàn)。

1.1 TD-LTE專網(wǎng)鏈路預(yù)算流程

鏈路預(yù)算是對(duì)信號(hào)收發(fā)傳輸過程中各種影響因素進(jìn)行考察與分析后，估算無線覆蓋能力，獲得保證一定信號(hào)質(zhì)量下鏈路所允許的最大傳播損耗，并根據(jù)合適的傳播模型得到小區(qū)的覆蓋范圍[5]。鏈路預(yù)算不僅和網(wǎng)絡(luò)的覆蓋相關(guān)，與網(wǎng)絡(luò)的容量和質(zhì)量也息息相關(guān)，無線覆蓋分析估算能夠指導(dǎo)基站數(shù)量和站址的分布，無線分析覆蓋估算方法[6]如圖1所示。

TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)鏈路預(yù)算流程[5]詳細(xì)說明如下：

①根據(jù)用戶需求確定邊緣速率；

②根據(jù)上下行子幀配比和特殊子幀配比確定用戶傳輸塊大??；

③根據(jù)②中得到的值和不同MCS，PRB下的SINR解調(diào)門限表來確定滿足當(dāng)前用戶速率需求所需要的PRB，MCS，SINR解調(diào)門限值，并確定接收機(jī)靈敏度；

④根據(jù)使用場(chǎng)景確定適用的信道模型；

⑤根據(jù)使用場(chǎng)景的信道環(huán)境和部署條件確定通信鏈路中的所有損耗、增益和余量參數(shù)值；

⑥根據(jù)式（1）、步驟③和⑤確定信號(hào)傳輸過程中允許的最大路徑損耗值MAPL；

⑦根據(jù)步驟④和⑥確定小區(qū)的最大覆蓋范圍。

步驟③作為TD-LTE專網(wǎng)鏈路軟件的核心，SINR所使用的解調(diào)門限是由TD-LTE專網(wǎng)鏈路級(jí)仿真獲得的，內(nèi)容的確定需要平臺(tái)遍歷所有MCS和所有PRB下的仿真結(jié)果。

在一定誤碼率BLER的前提下（通常業(yè)務(wù)信道目標(biāo)誤碼率為10%，控制信道目標(biāo)誤碼率為1%），只有接收機(jī)的信噪比大于等于步驟③中計(jì)算的SINR解調(diào)門限時(shí)，接收機(jī)才能正確解調(diào)接收到的信號(hào)[7]。

1.2信道模型的選取

本文主要基于陸地場(chǎng)景、海面場(chǎng)景、地鐵場(chǎng)景和室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行建模分析。

1.2.1陸地場(chǎng)景

陸地場(chǎng)景主要基于Okumura-Hata模型和Cost231-Hata模型[8]進(jìn)行優(yōu)化修正。

（1）Okumura-Hata模型

假設(shè)條件：傳播損耗處理以2個(gè)全向天線間交互為基準(zhǔn)，地形視作準(zhǔn)平滑地形處理，以市區(qū)路徑傳播損耗為基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)其他地區(qū)進(jìn)行修正。

適用條件

工作頻率：150～1 500 MHz；作用距離，1～35 km；基站天線高度：30～200 m，移動(dòng)臺(tái)天線高度：1～10 m。

（2）Cost231-Hata模型

Cost231-Hata模型以O(shè)kumura-Hata模型為基礎(chǔ)，利用一些修正項(xiàng)使頻率覆蓋范圍得到擴(kuò)展。

適用條件

工作頻率：1 500～2 000 MHz，基站天線有效高度：30～200 m，移動(dòng)臺(tái)天線高度：1～10 m，通信距離：1～20 km。

1.2.2海面場(chǎng)景

海面模型主要基于文獻(xiàn)[5]中模型進(jìn)行修正與優(yōu)化。通常在沿海高處選擇基站站址，其無線傳播近似于自由空間的傳播，信號(hào)可以傳播到很遠(yuǎn)的海面上。由于傳輸距離較遠(yuǎn)，地球不能再視作平面，此時(shí)地球曲率將對(duì)無線電波的傳播產(chǎn)生影響。無線電波在海面?zhèn)鞑r(shí)，在可視距離內(nèi)，傳播路徑主要是空氣傳播的直達(dá)波和海面的反射波。而在可視距離外，則需要考慮地球球面形成的遮擋造成的繞射損耗。

假設(shè)條件[5]：相對(duì)于海面，基站高度較高，基站與終端之間無障礙物，主要獲取天線主瓣方向的輻射信號(hào)。

適用條件：工作頻率為300～3 000 MHz，無遮擋海面覆蓋場(chǎng)景。

1.2.3地鐵場(chǎng)景

地鐵中無線信號(hào)主要借助漏泄同軸電纜（漏纜），通過電磁波在電纜中縱向傳輸?shù)耐瑫r(shí)利用槽孔向外界輻射電磁波完成覆蓋。漏纜損耗模型中，無線信號(hào)從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)會(huì)歷經(jīng)傳輸損耗、耦合損耗、寬度因子損耗、車體損耗、人體損耗，傳輸模型比較簡(jiǎn)單，其中耦合損耗是在95%可通率前提下確定的[9]。

1.2.4室內(nèi)場(chǎng)景

室內(nèi)場(chǎng)景選取Keenan-Motley室內(nèi)模型[10]，影響室內(nèi)傳播的因素主要是建筑物的布局、建筑材料和建筑類型等。室內(nèi)場(chǎng)景具有2個(gè)顯著特點(diǎn)：室內(nèi)面積相對(duì)較小，需要無線信號(hào)覆蓋的范圍??；室內(nèi)傳播環(huán)境受無線設(shè)備的部署位置影響較大，因此建模時(shí)需要確認(rèn)站點(diǎn)的地理位置、建筑樓宇高度、層數(shù)、建筑總面積、需要覆蓋區(qū)域面積等參數(shù)，并根據(jù)這些因素來修正傳播影響因子，使無線信號(hào)的覆蓋仿真更加趨向真實(shí)環(huán)境的應(yīng)用。

1.3軟件設(shè)計(jì)

TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場(chǎng)景鏈路預(yù)算軟件在3GPP TD-LTE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)，能夠覆蓋上述所有場(chǎng)景需求，既可單獨(dú)獲取TD-LTE上行、下行的覆蓋范圍，也可獲取上下行同時(shí)傳輸時(shí)的覆蓋范圍。

使用PythonQt工具進(jìn)行軟件界面布局，將4個(gè)模型共用參數(shù)放置到公共區(qū)域，各個(gè)模型私有參數(shù)下放到模型選項(xiàng)內(nèi)部。界面布局完成之后，使用Python語言對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行建模，完成邊緣用戶的速率、TB size、PRB、MCS和SINR解調(diào)門限表等參數(shù)之間的邏輯關(guān)系設(shè)計(jì)。使用時(shí)通過界面輸入?yún)?shù)的選擇確定，即可得到當(dāng)前配置下的最大覆蓋距離，并將當(dāng)前場(chǎng)景下的基本配置及計(jì)算結(jié)果通過Excel表格形式輸出。

使用PythonCharm將后綴為.py的軟件轉(zhuǎn)換成.exe格式，Windows平臺(tái)免安裝、通用性強(qiáng)，方便使用者直接進(jìn)行基站覆蓋范圍計(jì)算。

2設(shè)計(jì)成果

TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場(chǎng)景鏈路預(yù)算軟件示意圖如圖3所示。

本軟件集陸地傳播模型（Okumura-Hata模型、Cost231-Hata模型）、海面模型、漏纜模型、室內(nèi)模型為一體，同時(shí)支持密集城區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村、開闊地等地理類型，適用于陸地場(chǎng)景、海面場(chǎng)景、無人機(jī)場(chǎng)景、地鐵場(chǎng)景以及室內(nèi)等不同場(chǎng)景，充分滿足TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多行業(yè)的陸、海、空多場(chǎng)景覆蓋需求。同時(shí)本軟件基于3GPP TD-LTE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮多種技術(shù)場(chǎng)景需求（不同帶寬、上下行子幀配比、特殊子幀配比、終端類型、發(fā)射功率、基站天線個(gè)數(shù)、頻率等），設(shè)計(jì)3種輸出模式（單上行、單下行、上下行同時(shí)），可支持EPA步行者信道模型、EVA車輛信道模型、ETU典型城市信道模型無線信道模型。鏈路預(yù)算結(jié)果以Excel表格呈現(xiàn)，關(guān)鍵輸入?yún)?shù)、發(fā)射端參數(shù)、接收端參數(shù)，以及計(jì)算路徑損耗結(jié)果均完整給出。表格名稱、表格存放路徑也在界面給出，可以靈活對(duì)比不同配置時(shí)的覆蓋差距，從而進(jìn)一步調(diào)整布站策略。

鏈路預(yù)算結(jié)果輸出示意圖如圖4所示，以陸地信道模型為例，工作頻率為1 500 MHz時(shí)，適用的信道模型為Okumura-Hata模型，邊緣速率需求為2 000 kb/s，根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景選取帶寬20 MHz，上下行子幀配比0，特殊子幀配比5，EPA步行者信道模型，郊區(qū)，基站天線高度30 m，UE天線高度1.5 m，基站發(fā)射功率46 dBm，終端選擇手持臺(tái)功率23 dBm，增益和損耗選擇常用默認(rèn)值，選取計(jì)算上下行同時(shí)傳輸測(cè)試結(jié)果，表中分別給出了上行與下行的鏈路損耗及覆蓋距離，軟件界面中會(huì)選取較小的覆蓋距離作為最終的結(jié)果輸出。

3結(jié)束語

TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場(chǎng)景鏈路預(yù)算軟件基于自研的鏈路仿真模型得到充分的理論數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了公司TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)鏈路預(yù)算的空白，大大節(jié)省公司網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署的網(wǎng)規(guī)和網(wǎng)優(yōu)成本。

本軟件無需安裝、操作簡(jiǎn)便、輸出結(jié)果清晰，使用者能夠方便、快捷、準(zhǔn)確地獲取到不同應(yīng)用類型的LTE專網(wǎng)無線覆蓋距離，為用戶提供了一套完整高效的TD-LTE鏈路覆蓋系統(tǒng)，充分滿足用戶不同場(chǎng)景的覆蓋需求。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭祖輝.應(yīng)急通信無線專用網(wǎng)絡(luò)的探討[J].移動(dòng)通信，2010，34（22）：45-49.

[2]施玉海，馮海亮，張偉.基于TD-LTE寬帶數(shù)字集群系統(tǒng)的無線專網(wǎng)商業(yè)模式及應(yīng)用研究[J].廣播電視信息，2015（7）： 62-64.

[3]廣州杰賽通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院.網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[4]宋瑋，凌璁.TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋特性及鏈路預(yù)算研究[J].通訊世界，2014（18）：20-21.

[5]張松軼，付楠楠.TD-LTE專網(wǎng)海面覆蓋鏈路預(yù)算應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2019，45（8）：68-71.

[6]劉丹，王雪，王利群，等.3G多樣性業(yè)務(wù)環(huán)境下無線覆蓋半徑的估算[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2009，22（2）：27-30.

[7]常靜，柏楊.LTE鏈路預(yù)算中邊緣速率的確定和仿真[J].智能建筑與城市信息，2012（12）：86-91.

[8]楊有霞.市區(qū)TD-LTE場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2015.

[9]郭進(jìn)喜，劉揚(yáng)，劉中華，等.無線通信中泄漏同軸電纜的傳輸衰減模型[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（7）：143-146.

[10]鄧翠芳.室內(nèi)無線傳播經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯縖C]//2007通信理論與技術(shù)新發(fā)展———第十二屆全國(guó)青年通信學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下冊(cè)），2007-08，北京：電子工業(yè)出版社，2007： 531-534.