无线链路物理模型构建及其预算方案

许 琼

(兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070)



无线链路物理模型构建及其预算方案

许 琼

(兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070)

要将“TD-LTE”技术引入高校无线通信网络实验室建设，必须做好前期的网络链路预算，这是无线通信网络实验室建设的关键，也是核心。它对后续的频率规划、容量规划以及系统组网设计等至关重要。为此，以兰州交通大学与大唐移动公司联合共建“TD-LTE”现代无线移动通信实验室为契机，充分调研、科学论证, 借鉴国内外实际运营移动网络建设流程,依据网络链路预算原理，在构建链路预算物理模型的基础上，绘制了链路预算软件流程图，引入LTE 链路预算参数，设计出LTE 链路预算方案，为实现该实验平台建设的目标提供了重要思路，同时，也为后续算法仿真及系统设计提供研究基础。

TD-LTE；最大路径损耗；模型构建；链路预算

0 引 言

目前，长期演进计划(Time Division Long Term Evolution，TD-LTE)作为新一代无线通信技术，它所具有的带宽配置灵活(支持1.4、3、5、10、15和20 MHz带宽)，时延小(控制面时延小于100 ms、单向用户面时延小于5 ms)、高频谱效率、高吞吐量等特点[1-2]，备受业界青睐，并为我国移动通信实现不同场景(高速移动场景、室内场景、隧道等)下的广覆盖、深覆盖提供了良好的支持平台。将这一先进技术引入高校无线通信实验室建设，对提升培养通信专业人才的综合能力及其社会无线通信新技术需求的人才具有重要的现实意义。为此，兰州交通大学与大唐移动公司正式签订校企共建“TD-LTE”无线移动通信实验室协议。本文主要对该实验室的“TD-LTE”网络覆盖范围进行前期的链路预算，旨在为做好该实验室总体规划奠定基础，为实现该实验平台建设的目标提供重要思路，同时，也为算法仿真及系统设计[3-7]提供研究基础。

无线通信覆盖规划实验室平台建设的主要内容包括需求分析，网络及基站结构的确定、链路预算、传播模型确定、单站覆盖面积估算等。其中，链路预算是网络覆盖估算的基础及该实验室建设规划的关键，也是本研究的主要问题。这一问题的解决，是后续的频率规划、容量规划以及系统组网设计等工作内容得以顺利进行的重中之重。

1 无线链路预算计算基础及使用方法

链路预算通过对链路中的增益余量与损耗进行核算，对系统的覆盖能力进行估计、获得保持一定业务质量下，空中链路最大允许路径损耗。链路预算是网络规划的前提，利用最大路径损耗和相应的传播模型[8-9](比如Okumura-Hata)即可得到小区半径及单站覆盖面积，最终确定目标覆盖区域所需基站数目。对于移动通信网络运营商，链路预算的准确性关系到网络的覆盖质量和建设成本，因此是网络部署过程中既复杂又关键的问题,同时也是学生进一步学习和研究无线通信理论的实践基础[10]。

链路预算的计算基础是Friis方程[11]，它描述了给定传播假设下接收功率和发射功率之间的关系：

(1)

为了简化计算，将其转换为dB域描述形式，这里X(dB)=10lg(X)

(2)

其中：PR为接收端天线接收到的功率；PT发射功率；GT天线发射增益；GR天线接收增益；LP路径损耗。闭合该链路即要求上式右边必须大于接收机灵敏度，该方程不包括噪声及干扰等因素的影响，将该方程应用于地面移动通信系统，综合考虑所有因素得到：

最大路径损耗=发射端EIRP-最小接收信号电平+其他增益-其他损耗-其他余量

(3)

其中：EIRP由发射端决定，由于TD-LTE采用正交子载波，这里的EIRP要转换为相应子载波级别；最小接收电平根据接收机性能决定，其他增益、损耗及余量由系统使用硬件设备及无线传播环境决定。

2 链路预算物理模型建立

链路预算是网络规划的第一步，指在满足业务质量要求的前提下，计算信号在空间传播中所允许的最大路径损耗(MAPL)，图1为根据无线链路计算基础结合TDD-LTE制式特点搭建的具体上行链路预算物理模型，下行与此类似。

计算公式如下：

MAPL=TXMaxpower-10log(12NRB)- RxSensComposite(dBm)+AntGain(dBi)- CableLoss(dB)-BodyLoss(dB)-IM(dB)- Peneloss(dB)-SFM(dB)+HHOGain(dB)

(4)

图1 TDD-LTE上行链路预算的物理模型

式中：TXMaxpower表示最大发射功率；NRB为上下行分配功率资源数；RxSensComposite为单载波接收灵敏度；AntGain为天线增益；CableLoss为馈线损耗；BodyLoss为人体损耗；IM为干扰余量；Peneloss为穿透损耗；SFM为慢率落余量；HHOGain为切换增益。

3 链路预算软件流程图

对于实际的网络，有效的覆盖半径不仅与无线环境有关，还依赖于eNode B与终端的最大发射功率及灵敏度，同时实际工程中，前反向信号在无线传播上存在差异，当前向链路功率过大，会对其他小区的移动台造成不必要的干扰，而反向链路的功率过大则会降低小区的有效容量。因此需要对系统进行平衡，结合实验室结构特点，使前向链路与反向链路损耗在允许的范围的区域边界恰好重叠，得出链路预算流程见图2。

图2 链路预算流程图

4 LTE链路预算参数

4.1 系统参数

(1) 工作频段。影响穿透损耗、天线增益等参数取值，实验室设置采用2.6 GHz。

系统带宽：LTE支持1.4 MG、3 MG、5 MG、10 MG、15 MG、20 MG 6种带宽，由于采用OFDMA多址方式，单个子载波带宽为15 kHz，每12个子载波组成一个资源块(Resource Block，RB)，表1为3GPP协议规定LTE各种带宽对应下的RB数[12]。

表1 3GPP协议不同带宽RB配置

(2) 子帧配比。LTE上下行有7种不同配比方式，如表2所示[13]。

表2 3GPP协议子帧配比

(3) 特殊子帧配比。LTE支持10种特殊子帧结构配比，由UpPTS、DwPTS和GP三部分组成，一般使用正常CP的配置7(10∶2∶2)[13]。

4.2 设备端参数

(1) 最大发射功率。对于LTE TDD系统，eNode B发射功率为每通道20 W，即43 dBm，UE最大发射功率按照协议推荐定义为23 dBm[14]。

(2) 基站天馈参数。包括波瓣宽度，挂高等，这里主要针对实验室场景(覆盖场景、频段等)选择天线增益，表3对目前市场主流天线进行总结，给出不同频段基站天线增益。

表3 不同频段天线增益

(3) 终端天线增益。由于采用USB数据卡终端，天线增益为0。

(4) 馈线损耗。基站由于采用低RRU及车载式，故损耗值取0.5 dB，终端为0 dB。

(5) 人体损耗。由于LTE主要以数据业务为主，不考虑人体损耗，取0 dB。

(6) CellEdgeBoost。按照具体边缘覆盖设置，由于学校对边缘覆盖要求不高，可以不予考虑。

(7) ThermalNoiseDensity。

热噪声功率谱密度[15]=-174 dBm/Hz

(8) 噪声系数Nf。根据之前测试经验，表4给出了基站不同频段的噪声系数，终端噪声系数取值一般为7。

表4 噪声系数

(9) 接收机解调门限Es/No和频段、信道类型(ETU3)、移动速度、多输入多输出方式(MIMO)、调制编码方式(MCS)、误块率(BLER)等因素相关。在链路预算中，根据边缘速率，承载的RB数，通过36.213查找具体的MCS[16]，根据解调门限对应表得出该阶相应的门限值，门限值与MCS关系表一般由仿真或者实测获得,本文计算所用为之前测试经验。

发射端参数主要用来计算单子载波下EIRP：

EIRPpersubcarrier=TXMaxpower-10log(12NRB) + AntGain(dBi)+CellEdgeBoost- CableLoss(dB) -BodyLoss(dB)

(5)

OFDMA是正交频分复用技术，将信道分成若干正交子信道，每12个子载波组成一个资源块，在用来计算单载波EIRP时，要平均到分配功率RB的所有子载波上[12]，上下行分配方式不同：下行以整个带宽进行功率分配，上行在实际使用的RB上进行功率分配。

接收端参数主要用来计算单子载波下最小接收电平：

最小接收电平=接收机灵敏度+

其他损耗值-其他增益值

(6)

接收灵敏度，接收灵敏度指在输入端无外界噪声或者干扰条件下，在所占资源带宽内，满足业务质量要求的最小接收信号功率，如下为其计算公式：

RxSensComposite(dBm)= ThermalNoiseDensity+

10log(Subcarrierband)+Nf+Es/No

(7)

4.3 增益损耗余量参数

(1) 切换增益。在切换带未规划完成之前，无切换增益。

(2) 穿透损耗。移动用户通信时由于建筑物结构而引起的射频信号衰减，其结果包含信号绕射和穿透的影响，根据之前测试经验，给出不同频段穿透损耗如表5所示。

表5 穿透损耗表

(3) 阴影衰落余量。由边缘覆盖概率和阴影衰落标准差共同决定。在无线信号传播过程中，由于阴影衰落导致路径上下波动，信号强度随时间变化服从正态分布，为了保证一定的边缘覆盖率(>95%)，克服其对信号的影响，而为链路预算预留余量。

(4) 干扰余量。小区干扰对网络覆盖规划产生重要影响，当系统负载增大时，小区覆盖范围因干扰而收缩。链路预算中用干扰余量来描述干扰对小区覆盖的影响，同时为了接近实际网络，假定负载上行为50%，下行为100%[1]。

5 LTE链路预算计算结果

实验室建站以覆盖我校主要区域为目标，考虑具体的地形特点(建筑物高度及平均距离)及用户习惯(多为学生和老师，以室内数据下载业务为主)，结合大唐移动提供设备型号设计系统参数见表6。

表6 链路预算平台系统参数

链路预算区分发射端和接收端进行计算，发射端计算单子载波EIRP，接收端计算单子载波最小接收电平， EIRP及最小接收电平通过式(5)、(7)计算得，计算过程及结果见表7。

表7 链路预算发射端&接收端计算结果

发射端单子载波EIRP-接收端计算单子载波最小接收电平，再扣除传播中的损耗就能得到MAPL，同时利用Cost231-Hata得到相应小区半径，计算过程及结果见表8。

表8 MAPL及小区半径计算结果

计算结果：对上下行链路MAPL取最小值，得到合理的小区半径为0.35 km。MAPL不仅受业务信道影响，也被公共信道所限制，最终的结果对公共信道也要考虑在内。同时校园存在站点不易获取，学校教学示范区特殊范围要求等，最终小区半径和本计算结果会有一定偏差。

6 结 语

本研究给出的链路预算模型，是在TD-LTE的覆盖特性分析的基础上，结合校园无线环境的适切性、实验室具体配置的标准考虑的。至于某些重要参数的取值，是根据作者曾在国内某大型通信公司几年的工作实践经验而设定，具有可靠的理论和实践基础。对于链路预算模型得到的初步基站覆盖半径，其计算结果与实际运营商网络接近，符合中层站建设要求，与我校地物环境一致，可信度高。在具体站址选定之后，可根据运行情况再做适当微调就可修正不足。另外，要说明的问题是，覆盖规划中使用的传播模型均需经过实际无线环境校正测试，现因学校还不具备路测设备等原因，现暂采用与我校地理环境相似并已得到校正的Cost231-Hata传播模型进行计算，待后续路测设备齐全后，可根据实测情况，在此基础上再予以校正计算。

[1] Signals Research Group.Signals Ahead [EB/OL]. [2013-10-15]. http://www.researchandmarkets.com/reports/348644/signals_ahead#rela0.

[2] 3GPP R1-070674, LTE physical layer framework for performance verification[R].2007.

[3] 3GPP. TS 36.201 V11.1.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):LTE physical layer (Release11)[S].3GPP.2013.

[4] 3GPP. TS 36.321 V11.3.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):Medium Access Control (MAC) protocol specification (Release11)[S].3GPP.2013.

[5] 3GPP. TS 36.322 V11.0.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):Radio Link Control (RLC) protocol specification (Release11)[S].3GPP.2012.

[6] 3GPP. TS 36.323 V11.2.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification (Release11)[S].3GPP.2013.

[7] 3GPP. TS 36.331 V11.7.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):Radio Resource Control (RRC) Protocol specification (Release11)[S].3GPP.2014.

[8] 李 焱,张 璐,许家栋.基于移动端多天线系统的无线衰落信道模型[J].电波科学学报,2003,18(6): 712-716.

[9] Theodors S.Rappaport.Wireless Communications Principles and Practice[M].Prentice Hall,2006: 72-159.

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[13] 3GPP. TS 36.211 V11.5.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):Physical channels and modulation (Release11)[S]. 2014.

[14] 3GPP. TS 36.104 V11.7.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):Base Station (BS) radio transmission and reception (Release11)[S]. 2014.

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[16] 3GPP. TS 36.213 V11.5.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA):Physical layer procedures (Release11)[S]. 3GPP.2014.

Wireless Link model Construction and budget Scheme

XUQiong

(School of Electronic & Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

The "TD-LTE" technology is introduced into the laboratory construction. The network link budget, which is the key and core to the laboratory construction, plays an important role in frequency planning, capacity planning and network design. Therefore, Lanzhou Jiaotong University and Datang Telecom Company Jointly established “TD-LTE” wireless communication laboratory. Based on sufficient research and scientific demonstration, referring to the actual operation mobile network construction process, and also according to the network link budget principle, this article establishes the physical model, designs software flow, introduces LTE link budget parameters, designs link budget scheme. The link budget provides important idea to achieve its objective of laboratory platform construction, and provides research basis for algorithm simulation and system design.

TD-LTE; maximum allowed path loss; model construction; link budget

2014-05-24

兰州交通大学实验教改项目(2014202)；兰州交通大学青年科学基金项目(2014008)

许 琼(1982-)，女，甘肃兰州人，硕士，助教，主要研究方向为无线移动通信技术。

Tel.：18909483665；E-mail:xuqiong1122@163.com

TN 929.5

A

1006-7167(2015)01-0134-04