TD—LTE网络覆盖方式探讨

王君健

LTE网络建设面临比2G/3G网络建设更多的困难和更高的要求，通过介绍LTE网络在室外连续覆盖和室内深度覆盖存在的一些问题，分析了无线覆盖在室内外不同场景需要重点关注的因素，并提出了部分解决方案和思路。

TD-LTE 连续覆盖 深度覆盖 光纤综合业务接入系统 小基站

Analysis on Coverage Method in TD-LTE Networks

WANG Jun-jian

LTE network construction faces more difficulties and higher requirements than 2G/3G network construction. By introducing the problems existing in outdoor continuous coverage and indoor in-depth coverage of LTE networks， the key factors of wireless coverage under indoor and outdoor scenes are analyzed and some solutions and ideas are put forward.

TD-LTE continuous coverage in-depth coverage optical fiber multi-services access system small base station

1 LTE网络建设发展现状及趋势

（1）全球大规模进行LTE网络建设

根据研究机构In-Stat发布的报告预计，第四代移动通信长期演进技术（LTE）不仅是目前在市场上备受瞩目的新一代无线宽带技术，更被许多人认为是未来无线标准技术的主流，LTE用户将于2014年突破1.5亿大关。GSA最新LTE演进报告显示：截止到2014年1月15日，共有97个国家的263个LTE网络提供服务。

（2）移动数据业务量激增

各种智能终端的出现促进了数据业务爆炸式增长，数据容量的要求激增，移动数据流量最近五年总增长约40倍，未来十年数据流量增长预计约1 000倍。

2 LTE网络覆盖面临的问题及分析

在数据业务疯狂增长的背景下，建设LTE网络不仅面临2G/3G网络建设的覆盖效果、容量、QoS、投资成本等共性问题，并且在日趋复杂的城市空间、愈发密集的人口和大量的移动人群以及更复杂的电磁环境，对LTE网络建设提出了越来越高的要求。建站选址将越来越困难，这些因素使得LTE未来的铺网建设面临诸多问题需要解决。如何在实现优质全面的LTE网络覆盖的同时控制好成本，是LTE网络建设过程中需要重点探讨的问题。下面将就LTE室外覆盖和室内覆盖两方面进行分析。

首先就LTE的信号特征对无线覆盖方面的影响进行估算，以中国移动TD-LTE部分试验网建设的要求为参考分析LTE覆盖问题，中国移动LTE试验网典型规划目标如表1所示：

表1 LTE网络设计的典型目标

指标 要求

室外RSRP 大于-98dBm的概率高于95%

SINR 50%加扰下SINR大于-3dB的比例高于95%

小区边缘单用户上行速率

（边缘速率条件为D频段20MHz

同频组网，10用户同时接入） 全网95%以上边缘用户速率

大于256kbps

小区边缘单用户下行速率

（边缘速率条件为D频段20MHz

同频组网，10用户同时接入） 全网95%以上边缘用户速率

大于4Mbps

单小区上行平均吞吐量 >8Mbps

单小区下行平均吞吐量 >20Mbps

LTE基站覆盖距离的估算重点以无线信号传播模型、链路损耗、容量三个方面的理论为基础进行。

根据TD-LTE的频率及其无线信号特征，采用COST-231 Hata模型估算链路损耗为：

LS=46.3+33.9lgf-13.82lghte-α（hre）+（44.9-6.55lghte）lgd+CM （1）

其中，LS为链路损耗，单位为dB；CM为校正因子，在中小城市和郊区，CM=0dB，在大城市，CM=3dB；f为工作频率，单位为MHz；hte为基站天线的有效高度，单位为m；hre为移动台天线的有效高度，单位为m；d为基站天线与移动台天线之间的水平距离，单位为km；α（hre）为移动台有效天线的修正因子。

设定基站天线有效高度为40m，移动台有效高度为1.6m，则：

（1）D频段在中小城市及大城市的链路损耗分别为：

中小城市：LS=139.25+34.4lgd

大城市：LS=143.38+34.4lgd

（2）F频段在中小城市及大城市的链路损耗分别为：

中小城市：LS=134.89+34.4lgd

大城市：LS=139.02+34.4lgd

边缘场强的计算如下：

RX≥TX+G-LS-CS-RS （2）

其中，RX为边缘接收场强，单位为dBm；TX为基站发射的天线口功率，单位为dBm；G为基站与移动台天线增益总和，单位为dB；LS为链路损耗，单位为dB；CS为车体损耗，单位为dB；RS为人体损耗，单位为dB。

设定宏基站天线口发射功率为20W（43dBm）、天线增益总和为20dB、车体损耗为10dB、人体损耗为5dB来计算边缘场强，按照RSRP=RX≥-98dBm计算最大的链路损耗为：endprint

LS-max≤146dB （3）

在满足边缘场强大于-98dBm的条件下，结合上式可以估算出TD-LTE基站的最大覆盖半径，如表2所示：

表2 根据边缘场强估算的最大覆盖半径

D频段 F频段

中小城市最大覆盖半径/km 1.57 2.11

大城市最大覆盖半径/km 1.19 1.59

为了满足用户对数据速率的要求，LTE基站覆盖不能仅仅以边缘场强为依据进行估算，而应以数据速率为重要参数进行设计。如图1所示，距离基站不同的位置，LTE信号的调制方式会相应发生变化，从而导致距离基站远近不同而用户数据速率也不同。

图1 LTE信号调制方式随距离变化

按照不同的调制方式的解调门限的不同进行边缘速率的估算：

RX-in=NF+KTB+SINR （4）

其中，RX-in为接收灵敏度，单位为dBm；NF为噪声系数，单位为dB；K为玻尔兹曼系数，单位为W/Hz/K；T为绝对温度，单位为K；B为射频工作带宽，单位为MHz；SINR为信噪比，单位为dB。

公式（4）中的工作带宽B与边缘用户速率相关，需确定上下行需要的RB（Resource Block，资源块）数量。根据表1的目标可得，上行边缘用户总速率为2.5Mbps，下行边缘用户总速率为40Mbps，单小区的上行平均吞吐量大于8Mbps，单小区的下行平均吞吐量大于20Mbps；按照目标设定基站带宽为20MHz，TDD配比使用配置1，即DL：UL：S=4：4：2，特殊时隙配置为DwPTS：GP：UpPTS=10：2：2，子帧中下行控制信道占用3个符号，传输天线为2。

按照图1所示，覆盖边缘采用低阶调制方式QPSK，码率为S，则：

下行速率为：（64951×2×S×2）/10ms=24.77*S（Mbps）

上行速率为：（65503×2×S×2）/10ms=24.98*S（Mbps）

根据不同QPSK的码率并结合上式，设定上行噪声系数NF为3，下行噪声系数为7，SINR为-3dB，计算不同编码率的接收灵敏度如表3所示：

表3 不同编码速率对应的边缘接收灵敏度序

号 调制

方式 编码率 上行需要的RB

数量 下行需要的RB

数量 下行接收灵敏度/

dBm 上行接收灵敏度/

dBm

1 QPSK 0.076 172 4 21 -104.23 -115.43

2 0.117 188 3 14 -105.99 -116.68

3 0.188 477 2 9 -107.9 -118.44

4 0.300 781 2 6 -109.67 -118.44

5 0.438 477 1 4 -111.43 -121.45

6 0.587 891 1 3 -112.68 -121.45

如表4和表5所示，结合D、F频段在中小城市及大城市的链路损耗和表3，设定上行最大发射功率为23dBm，下行最大发射功率为43dBm，按照满足边缘用户速率和小区容量的要求，估算出基站的覆盖距离。从表1、表4和表5的计算结果可得到以下结论：

（1）对于LTE覆盖范围的估算，按照容量比按照场强估算的覆盖范围小，为了保证LTE带宽的优势和用户数据业务的需求，建议基站覆盖估算采用以容量估算为主、场强估算为辅。

（2）由于LTE上行发射功率一般比下行发射功率低很多，这样就造成上行链路比下行链路预算的覆盖范围小，因此建议基站覆盖链路预算以上行链路为主、下行链路为补充。

（3）本文以QPSK这种低阶的调制方式进行链路估算得到最大覆盖范围，如果以16QAM或者64QAM的调制方式进行链路估算，可以得到更高的速率和更多的用户容量，因此建议在用户高密度地区或者数据业务需求很大的地区，可以采用更高阶的调制方式、更高的编码速率进行估算和设计。

（4）中国移动现有的GSM基站在大城市的平均覆盖半径为0.6～0.7km，在中小城市的覆盖半径为1.0～1.2km；TD-SCDMA基站在大城市的平均覆盖半径为0.5～0.6km，在中小城市的覆盖半径为0.9～1.0km。现有基站的覆盖范围能满足LTE基站的覆盖要求。

2.1 室外连续覆盖问题

LTE网络特别是TD-LTE本身并不是一个抗干扰能力很强的技术，而且TD-LTE在室外采用D频段（2.6GHz）和F频段（1.9GHz）的高频，如此高的频段实现信号连续覆盖的难度很高。根据上述理论分析，结合中国移动现网基站覆盖情况及LTE试验网的要求，为了快速部署和解决室外连续覆盖问题，本文建议室外覆盖重点以共站建设为优先建设方案。

利用现有2G/3G网络资源，根据减少投资的原则，尽量采用LTE与2G/3G基站共站，LTE网络站址选择以3G站址优于2G、现网站优于新建站的原则进行站址规划，对现网高站、偏离度较高的站址进行详细排查分析，当共站达不到规划要求时应新建站，尽量保证基站建设符合蜂窝结构，加快网络建设速度，其中F频段适用于普遍地区的TD-LTE快速覆盖建设升级，D频段适用于数据热点区域的TD-LTE大容量覆盖建设。与异系统共址时，需要考虑异系统间的干扰隔离，采取措施保证天面上有足够的隔离空间，以满足多系统共存的要求，因此在天馈建设方面需要重点考虑。

LTE天馈系统建设时，有两种主要的建设方案可选：在站址空间富裕的情况下，可以采用独立天馈系统建设方案，能够灵活地设置天线方位角和下倾角，但网络建设成本较高；在站址空间紧张的环境下，只能采用与现网2G、3G系统共天馈系统建设方案，这样可以节省天线安装位置，降低网络建设成本，但该方案的缺点主要是天线方位角和机械下倾角的调整将会同时影响2G、3G、4G网络，射频优化难度增加。endprint

2.2 室内深度覆盖问题

随着移动互联网的发展，移动数据流量呈现出爆发式增长的趋势，而相关统计数据表明，移动数据业务中有70%～80%发生在室内环境中，因此室内覆盖是LTE网络建设初期及未来一段时间内运营商关注的重点。室内覆盖的容量、覆盖范围的估算可以借鉴上文作为参考。

为了提升室内覆盖效果，加快网络建设进度，国内外相关厂商提出并研制了多种用以提升室内覆盖效果的技术和设备。目前LTE试验网除采用RRU+同轴室内分布系统的覆盖方式之外，还有以下两类较为新颖的室内覆盖方式值得重点关注：

（1）光纤综合业务接入系统

其特点具体如下：

◆可实现2G/3G/4G/宽带/WLAN多业务同时接入。

◆组网灵活，传输介质为全光纤的方式，可以借用现有的部分传输资源实现信号到达覆盖点。

◆采用远程供电方式，集成天线，令远端设备的工程只需要一根网线即可信号覆盖，大幅度缩短并降低协调难度和工程周期。

◆采用小功率覆盖解决深度覆盖和未来高速数据的要求，降低整体系统功耗。

光纤综合业务接入系统虽然具备安装方便、节能、部署灵活、兼容性强的优点，但是不能增加室内覆盖容量。

（2）小基站室内覆盖系统

目前推出的小型基站产品主要如下：

◆HNB即飞蜂窝基站，是一种超小型、低功率的蜂窝基站，主要用于家庭及办公室等室内场所，因此也被称为家庭基站，其在外观和尺寸上与Wi-Fi接入设备相似。HNB基站发射功率较小，一般为毫瓦级，室内实际覆盖范围为20～50m，具有低成本、即插即用、支持宽带接入、低功率、符合蜂窝移动网络标准、支持多种标准化协议等优点。

◆Liquid Radio（动态无线电）是诺西提出的小基站技术，由基带池、有源天线系统和统一异构网络三部分构成。其重点在于体积更小，集成天线和无线单元，功耗更低，其基带处理具备云基站的设计构想。

◆Light Radio（灵云无线）是由阿尔卡特朗讯通过云技术、SOC以及天线矩阵技术提出的一种无线解决方案，可以支持2G、3G、4G网络，部署灵活、覆盖面广，可显著简化通信网络的结构。

◆Nanocell是中国移动定义的一种微基站，其集成了Smallcell与WLAN的功能。Nanocell可以灵活地实现楼宇室内覆盖、企业级覆盖、公共热点覆盖，并支持多种先进技术，包括载波聚合（CA）、多点协同接收（CoMP）、异构网络干扰管理、自组织网（SON）等。

虽然小基站在室内覆盖和容量方面具备很多独特的优点，但在邻区管理和切换配置、QoS、优化和维护、网络安全以及与宏基站协同方面还存在一定的技术难点，所以在我国基站密度较高的情况下Smallcell部署落后于发达国家，商用进程较慢，部署力度较小，主要集中在个别省市试点地区，还没有大规模推广。未来随着TD-LTE网络部署规模的不断扩大，Smallcell的部署和应用将迎来较好的发展。

3 总结

通过对LTE网络建设覆盖方面的问题分析，提出建设LTE网络需要针对不同的场景进行精细规划。对于室外覆盖，尽量保证基站建设在符合蜂窝结构基础上实现连续覆盖，避免小区分裂，提升用户速率；在室内覆盖方面，除传统的覆盖方式之外，为了有效应对室内数据业务的快速增长，在LTE网络建设初期重点研究、试验光纤综合业务接入系统和小基站等创新性室内覆盖方式，以便为未来LTE网络发展和成熟提供更多的有效解决方案。

参考文献：

[1] 3GPP TS 36.101. UE Radio Transmission and Reception[S]. 2010.

[2] 3GPP TS 36.211. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）； Physical Channels and Modulation[S]. 2007.

[3] 3GPP TS 36.212. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）； Multiplexing and Channel Coding[S]. 2010.

[4] 沈嘉，索士强，全海洋，等. 3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2008.

[5] 张新程，周晓津. LTE空中接口技术与性能[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2009.endprint

2.2 室内深度覆盖问题

随着移动互联网的发展，移动数据流量呈现出爆发式增长的趋势，而相关统计数据表明，移动数据业务中有70%～80%发生在室内环境中，因此室内覆盖是LTE网络建设初期及未来一段时间内运营商关注的重点。室内覆盖的容量、覆盖范围的估算可以借鉴上文作为参考。

为了提升室内覆盖效果，加快网络建设进度，国内外相关厂商提出并研制了多种用以提升室内覆盖效果的技术和设备。目前LTE试验网除采用RRU+同轴室内分布系统的覆盖方式之外，还有以下两类较为新颖的室内覆盖方式值得重点关注：

（1）光纤综合业务接入系统

其特点具体如下：

◆可实现2G/3G/4G/宽带/WLAN多业务同时接入。

◆组网灵活，传输介质为全光纤的方式，可以借用现有的部分传输资源实现信号到达覆盖点。

◆采用远程供电方式，集成天线，令远端设备的工程只需要一根网线即可信号覆盖，大幅度缩短并降低协调难度和工程周期。

◆采用小功率覆盖解决深度覆盖和未来高速数据的要求，降低整体系统功耗。

光纤综合业务接入系统虽然具备安装方便、节能、部署灵活、兼容性强的优点，但是不能增加室内覆盖容量。

（2）小基站室内覆盖系统

目前推出的小型基站产品主要如下：

◆HNB即飞蜂窝基站，是一种超小型、低功率的蜂窝基站，主要用于家庭及办公室等室内场所，因此也被称为家庭基站，其在外观和尺寸上与Wi-Fi接入设备相似。HNB基站发射功率较小，一般为毫瓦级，室内实际覆盖范围为20～50m，具有低成本、即插即用、支持宽带接入、低功率、符合蜂窝移动网络标准、支持多种标准化协议等优点。

◆Liquid Radio（动态无线电）是诺西提出的小基站技术，由基带池、有源天线系统和统一异构网络三部分构成。其重点在于体积更小，集成天线和无线单元，功耗更低，其基带处理具备云基站的设计构想。

◆Light Radio（灵云无线）是由阿尔卡特朗讯通过云技术、SOC以及天线矩阵技术提出的一种无线解决方案，可以支持2G、3G、4G网络，部署灵活、覆盖面广，可显著简化通信网络的结构。

◆Nanocell是中国移动定义的一种微基站，其集成了Smallcell与WLAN的功能。Nanocell可以灵活地实现楼宇室内覆盖、企业级覆盖、公共热点覆盖，并支持多种先进技术，包括载波聚合（CA）、多点协同接收（CoMP）、异构网络干扰管理、自组织网（SON）等。

虽然小基站在室内覆盖和容量方面具备很多独特的优点，但在邻区管理和切换配置、QoS、优化和维护、网络安全以及与宏基站协同方面还存在一定的技术难点，所以在我国基站密度较高的情况下Smallcell部署落后于发达国家，商用进程较慢，部署力度较小，主要集中在个别省市试点地区，还没有大规模推广。未来随着TD-LTE网络部署规模的不断扩大，Smallcell的部署和应用将迎来较好的发展。

3 总结

通过对LTE网络建设覆盖方面的问题分析，提出建设LTE网络需要针对不同的场景进行精细规划。对于室外覆盖，尽量保证基站建设在符合蜂窝结构基础上实现连续覆盖，避免小区分裂，提升用户速率；在室内覆盖方面，除传统的覆盖方式之外，为了有效应对室内数据业务的快速增长，在LTE网络建设初期重点研究、试验光纤综合业务接入系统和小基站等创新性室内覆盖方式，以便为未来LTE网络发展和成熟提供更多的有效解决方案。

参考文献：

[1] 3GPP TS 36.101. UE Radio Transmission and Reception[S]. 2010.

[2] 3GPP TS 36.211. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）； Physical Channels and Modulation[S]. 2007.

[3] 3GPP TS 36.212. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）； Multiplexing and Channel Coding[S]. 2010.

[4] 沈嘉，索士强，全海洋，等. 3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2008.

[5] 张新程，周晓津. LTE空中接口技术与性能[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2009.endprint

2.2 室内深度覆盖问题

随着移动互联网的发展，移动数据流量呈现出爆发式增长的趋势，而相关统计数据表明，移动数据业务中有70%～80%发生在室内环境中，因此室内覆盖是LTE网络建设初期及未来一段时间内运营商关注的重点。室内覆盖的容量、覆盖范围的估算可以借鉴上文作为参考。

为了提升室内覆盖效果，加快网络建设进度，国内外相关厂商提出并研制了多种用以提升室内覆盖效果的技术和设备。目前LTE试验网除采用RRU+同轴室内分布系统的覆盖方式之外，还有以下两类较为新颖的室内覆盖方式值得重点关注：

（1）光纤综合业务接入系统

其特点具体如下：

◆可实现2G/3G/4G/宽带/WLAN多业务同时接入。

◆组网灵活，传输介质为全光纤的方式，可以借用现有的部分传输资源实现信号到达覆盖点。

◆采用远程供电方式，集成天线，令远端设备的工程只需要一根网线即可信号覆盖，大幅度缩短并降低协调难度和工程周期。

◆采用小功率覆盖解决深度覆盖和未来高速数据的要求，降低整体系统功耗。

光纤综合业务接入系统虽然具备安装方便、节能、部署灵活、兼容性强的优点，但是不能增加室内覆盖容量。

（2）小基站室内覆盖系统

目前推出的小型基站产品主要如下：

◆HNB即飞蜂窝基站，是一种超小型、低功率的蜂窝基站，主要用于家庭及办公室等室内场所，因此也被称为家庭基站，其在外观和尺寸上与Wi-Fi接入设备相似。HNB基站发射功率较小，一般为毫瓦级，室内实际覆盖范围为20～50m，具有低成本、即插即用、支持宽带接入、低功率、符合蜂窝移动网络标准、支持多种标准化协议等优点。

◆Liquid Radio（动态无线电）是诺西提出的小基站技术，由基带池、有源天线系统和统一异构网络三部分构成。其重点在于体积更小，集成天线和无线单元，功耗更低，其基带处理具备云基站的设计构想。

◆Light Radio（灵云无线）是由阿尔卡特朗讯通过云技术、SOC以及天线矩阵技术提出的一种无线解决方案，可以支持2G、3G、4G网络，部署灵活、覆盖面广，可显著简化通信网络的结构。

◆Nanocell是中国移动定义的一种微基站，其集成了Smallcell与WLAN的功能。Nanocell可以灵活地实现楼宇室内覆盖、企业级覆盖、公共热点覆盖，并支持多种先进技术，包括载波聚合（CA）、多点协同接收（CoMP）、异构网络干扰管理、自组织网（SON）等。

虽然小基站在室内覆盖和容量方面具备很多独特的优点，但在邻区管理和切换配置、QoS、优化和维护、网络安全以及与宏基站协同方面还存在一定的技术难点，所以在我国基站密度较高的情况下Smallcell部署落后于发达国家，商用进程较慢，部署力度较小，主要集中在个别省市试点地区，还没有大规模推广。未来随着TD-LTE网络部署规模的不断扩大，Smallcell的部署和应用将迎来较好的发展。

3 总结

通过对LTE网络建设覆盖方面的问题分析，提出建设LTE网络需要针对不同的场景进行精细规划。对于室外覆盖，尽量保证基站建设在符合蜂窝结构基础上实现连续覆盖，避免小区分裂，提升用户速率；在室内覆盖方面，除传统的覆盖方式之外，为了有效应对室内数据业务的快速增长，在LTE网络建设初期重点研究、试验光纤综合业务接入系统和小基站等创新性室内覆盖方式，以便为未来LTE网络发展和成熟提供更多的有效解决方案。

参考文献：

[1] 3GPP TS 36.101. UE Radio Transmission and Reception[S]. 2010.

[2] 3GPP TS 36.211. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）； Physical Channels and Modulation[S]. 2007.

[3] 3GPP TS 36.212. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）； Multiplexing and Channel Coding[S]. 2010.

[4] 沈嘉，索士强，全海洋，等. 3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2008.

[5] 张新程，周晓津. LTE空中接口技术与性能[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2009.endprint