TD-LTE链路预算探讨

 摘要：通过对TD-LTE最大允许覆盖距离的各种影响因素进行理论分析，引入TD-LTE无线网络链路预算模型，完成对TD-LTE上下行业务信道和控制信道与所需RB配置相关的链路预算分析，根据链路预算结果选取合适的传播模型对小区的覆盖范围进行评估。

关键词：TD-LTE；链路预算；RB配置；模型

1.概述
TD-LTE在移动通信网络宽带化、IP化发展趋势下应运而生。TD-LTE系统在物理层、空口协议、网络架构等方面采用了诸多关键技术用以提升网络性能，OFDM及MINO技术、链路自适应技术、支持多种灵活带宽配置、IP化、扁平化的系统网络架构、灵活的上下行时隙配比及特殊子帧配置等。
本文分析了TD-LTE技术特征对其网络覆盖的影响，以期综合考虑TD-LTE网络覆盖、容量与干扰的关系，采用更加科学的TD-LTE链路预算方法。
2.TD-LTE覆盖距离影响因素分析
在TD-LTE系统中影响系统覆盖性能及距离的关键技术参数主要包括工作频段、天线类型、发射功率、频率复用、RB配置、CP配置、GP配置等。
（1）工作频段的影响
TD-LTE的工作频段主要为2.3GHz和2.6GHz，相对于2G、3G频段，空间传输过程衰减更大，穿透能力更差，会严重影响到其覆盖距离；高频在馈线中的传输衰减也更大。
（2）天线类型的影响
TD-LTE采用了多天线的MINO技术，采用SFBC发射分集及波束赋形均可带来下行分集增益；接收分集提升上行链路的接收增益，可提升上行信号的覆盖距离和性能。天线在下倾角一定的条件下，天线挂高与覆盖范围成正比。
（3）发射功率的影响
在同等条件下，因下行发射功率是在整个系统带宽100个RB上（以20MHz带宽为例）均匀分配的，下行RB配置的增加，对下行覆盖的影响不大；对于上行信道，若UE已工作在最大发射功率下，RB资源配置的增大会引起底噪抬升，基站上行覆盖性能下降。随着小区内用户数的增加，系统负荷升高，系统干扰水平上升，所需的干扰余量越大，基站覆盖半径越小。
（4）频率复用的影响
频率复用系数越大，小区间干扰越小，覆盖半径应该增加，有助于改善覆盖性能。
频率复用系数为3，即异频组网的情况，影响覆盖性能的主要是系统功率；频率复用系数为1，即同频组网的情况，此时影响覆盖性能的主要是C/I，即干扰受限。
（5）CP配置的影响
OFDM技术能有效对抗多径衰落及窄带干扰，但无法克服ICI（信道间干扰）及ISI（符号间干扰）；为此，在每个OFDM符号之前引入CP对抗，只要各径的多径时延与定时误差之和不超过CP长度，就能保证接收机积分区间内包含的各子载波在各径下的整数波形，从而消除多径带来的ISI和ICI。
正常CP的保护距离 = 144TS * C = 144 * 0.03255 * C = 1.4km；
扩展CP的保护距离 = 512TS * C = 512 * 0.03255 * C = 5km；
正常CP和扩展CP分别可以在1.4km和5km的时延扩展范围内提供抗多径保护能力。
（6）GP配置的影响
GP主要由传输时延和设备收发转换时延构成，一般设备收发转换时延是固定的，GP的设定值代表了系统可容忍的传输延时，决定了eNB到最远UE的距离，GP越大，覆盖距离也越大。
3.TD-LTE链路预算模型
建立TD-LTE链路预算模型如公式（1）所示。
最大允许路径损耗 = ERIP - 余量 - 穿透损耗 - 人体损耗 - 接收机灵敏度 （1）
其中：
ERIP = 设备最大发射功率 - 线缆损耗 + 天线增益；
余量 = 阴影衰落余量 + 干扰余量；
穿透损耗 = 墙体损耗（室内） 或 车体损耗（室外）；
天线增益包括发射天线增益、接收天线增益及其他增益（如上行塔放增益）。
4.TD-LTE链路预算
通过对TD-LTE覆盖距离影响因素分析可知，对TD-LTE的链路预算需要确定相关区域的覆盖、容量、干扰需求及由此配置的一系列关键参数。
4.1 链路预算关键参数
TD-LTE的链路预算关键参数主要包括以下部分。
（1） 所要承载业务的边缘速率或边缘场强；
（2） 宽带参数（系统总带宽、边缘单用户分配的RB个数、时隙配比、特殊子帧配置）；
（3） 天线数量及发射模式（如发射分集或波束赋形）；
（4） 收发信机参数（天线增益、发射功率、馈线损耗、接收灵敏度、SINR)；
（5） 其他损耗（穿透损耗、人体损耗、干扰余量、阴影衰落余量）等。
为此，链路预算关键参数取定如下，进行链路预算分析。
（1） 系统总带宽20MHz、RB总数100个、常规CP配置；
（2） 基站采用2天线收发（分集增益、赋形增益）；
（3） 目标SINR的取定限于满足一定边缘速率的用户需要。
4.2 上行链路预算
TD-LTE上行链路预算包括业务信道和控制信道的链路预算。
4.2.1 上行业务信道链路预算
通过对与上行链路预算相关关键参数进一步取定，可以得出不同速率数据业务下的最大允许链路损耗。
取定UE的发射功率23dBm，人体损耗2dB，天线增益0dB，上行塔放增益3dB，插损和馈线损耗3dB，接收端噪声系数2dB，接收端多天线增益3dB，控制信道开销1dB，穿透损耗22dB，干扰余量4.5dB，阴影衰落余量7dB。
计算基站接收机底噪声功率及接收机灵敏度方法如公式（4）、（5）所示。
基站接收机底噪声功率 = 热噪声密度KT+带宽B+接收机噪声系数 （4）
带宽B = 10lg(RB×180000)；
基站接收机灵敏度 = 基站接收机底噪声功率 + SINR- (上行接收天线增益+多天线
增益+上行塔放增益-馈线损耗) （5）
表1为上行业务信道的链路预算。
表1 上行业务信道链路预算
序号 项目 单位 值 公式
1 数据速率 kbps 64 250 500 1000
2 RB配置 RB 6 24 48 48
3 EIRP dBm 21 21 21 21
4 接收机底噪声功率 dB -111.56 -105.54 -102.53 -102.53 （4）
5 SINR dB -5.5 -6.2 -6.3 -4.4
6 接收机灵敏度 dBm -138.06 -132.74 -129.83 -127.93 （5）
7 链路预算（室内） dB 125.56 120.24 117.33 115.43 （3）
由上表可看出，上行链路预算接收机底噪声功率与业务本身的RB配置有关。
4.2.2上行控制信道链路预算
上行控制信道主要是指PUCCH信道，相关参数取定与业务信道基本同。表2为Format2系列格式下的链路预算。
表2 上行控制信道链路预算
序号 项目 单位 PUCCH
Format2 Format2a Format2b
1 RB配置 RB 1 1 1
2 接收机底噪声功率 dBm -119.34 -119.34 -119.34
3 SINR dB -3.51 -5.21 -2.21
4 接收机灵敏度 dBm -143.85 -145.55 -142.55
5 链路预算（室内） dB 131.35 133.05 130.05
4.3下行链路预算
TD-LTE下行链路预算包括业务信道和控制信道的链路预算。
4.3.1下行业务信道链路预算
通过对TD-LTE的下行链路预算关键参数进一步取定，可以得出不同速率数据业务下的最大允许链路损耗。
计算设备最大发射功率、UE接收机底噪声功率及UE接收机灵敏度方法如公式（6）、（7）、（8）所示。
设备最大发射功率 = 基站发射功率 + 10lg（RB/100） （6）
UE接收机底噪声功率 = 热噪声密度KT+带宽B+UE接收机噪声系数 （7）
UE接收机灵敏度 = UE接收机底噪声功率 + SINR （8）
取定基站发射功率46dBm，发射天线增益18dBi，线缆损耗2dB，UE噪声系数7dB，控制信道开销1dB，穿透损耗22dB，干扰余量4.5dB，阴影衰落余量7dB。
表3为下行业务信道的链路预算。
表3 下行业务信道链路预算
序号 项目 单位 值 公式
1 数据速率 kbps 64 250 500 1000 2000
2 RB配置 RB 6 24 48 48 48
3 EIRP dBm 49.78 55.8 58.81 58.81 58.81
4 UE热噪声功率 dBm -113.56 -107.54 -104.53 -104.53 -104.53
5 UE接收机底噪声功率 dBm -106.56 -100.54 -97.53 -97.53 -97.53 （7）
6 SINR dB -5.5 -6.2 -6.3 -4.4 4.75
7 接收机灵敏度 dBm -112.06 -106.74 -103.83 -101.93 -92.78 （8）
8 链路预算（室内） dB 127.34 128.04 128.14 126.24 117.09 （3）
由上表可看出，下行链路业务信道的发射功率与RB配置有关。
4.3.2 下行控制信道链路预算
下行控制信道包括PBCH，PDCCH，PCFICH，PHICH等，表4为下行控制信道的链路预算。
表4 下行控制信道链路预算
序号 项目 单位 下行控制信道
PBCH PDCCH PCFICH PHICH
1 RB分配 RB 6 84CCE NA NA
2 EIRP dBm 49.78 54.04 42.00 42.00
3 UC热噪声功率 dBm -113.56 -109.30 -121.34 -121.34
4 UE接收机底噪声功率 dBm -106.56 -102.30 -114.34 -114.34
5 SINR dB -0.50 4.00 -2.30 0.70
6 接收机灵敏度 dBm -107.06 -98.30 -116.64 -113.64
7 链路预算（室内） dB 123.34 118.84 125.14 122.14
PDCCH最大链路损耗 = EIRP - 接收机灵敏度 -（干扰余量+穿墙损耗+阴影衰落余量）
4.4 TD-LTE覆盖距离预算
计算出TD-LTE下行不同速率下的业务信道最大允许链路损耗，按现场TD-LTE工作频段2.6GHz、基站天线挂高35米、UE有效高度1.5米的取定，通过Cost-231.HaTa传播模型可以计算出小区的覆盖半径。
表5是下行64kbps业务速率下的小区覆盖距离预算分析。
表5 小区覆盖距离预算
序号 相关参数名称 数值
1 边缘覆盖概率（%） 78
2 传播模型 Cost-231.HaTa
3 边缘覆盖概率（%） 78
4 室内建筑物穿透损耗（dB） 22
5 室外车体损耗（dB） 8
6 室内最大覆盖距离（米） 380
7 室外最大允许覆盖距离（米） 780
5.结语
TD-LTE网络特点决定了影响TD-LTE链路预算的因素很多，链路预算更加复杂，本文通过对影响TD-LTE的覆盖距离的多种因素进行分析，根据无线网络环境、RB配置及各种参数的综合取定，对TD-LTE无线网络链路预算及覆盖距离预算进行路演和考证，明晰了TD-LTE网络链路预算需综合考量网络覆盖、网络容量、网络性能及建网成本，以期对TD-LTE无线网络规划提供参考。
参考文献:
[1] 戴源,朱晨鸣.TD-LTE无线网络规划与设计[M].北京：人民邮电出版社，2012
[2] 韩斌.LTE链路预算研究[J].数据通信，2011:39-42
[3] 王映民,孙邵辉. TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2010