FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)鏈路預(yù)算與組網(wǎng)分析

FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)采用了3.5GHz頻段作為載波頻率，使用了寬帶多輸入多輸出(MIMO)、正交頻分復(fù)用(OFDM)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，這給FuTURE 4G TDD試驗(yàn)網(wǎng)的鏈路預(yù)算及組網(wǎng)分析等工作帶來(lái)了挑戰(zhàn)。文章探討了基于3.5 GHz頻段的實(shí)測(cè)電波傳播模型以及試驗(yàn)系統(tǒng)的射頻參數(shù)的鏈路預(yù)算，并進(jìn)一步結(jié)合MIMO系統(tǒng)外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)系統(tǒng)組網(wǎng)分析及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作。FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)網(wǎng)已經(jīng)順利完成并通過(guò)鑒定驗(yàn)收，全面達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)，試驗(yàn)系統(tǒng)支持2基站3用戶的配置，支持多用戶，支持移動(dòng)性，提供高達(dá)100 Mb/s的峰值數(shù)據(jù)速率，支持高清晰數(shù)字電視、高速數(shù)據(jù)下載、IP電話等業(yè)務(wù)。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(60496312)；國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2003AA12331004、2006AA01Z260)

針對(duì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)工作得到全世界范圍的關(guān)注，如何在下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中進(jìn)一步提高頻譜利用率、為用戶提供更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)成為研究者首要關(guān)心的目標(biāo)。

中國(guó)于2001年開(kāi)始了關(guān)于下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究工作，依托國(guó)家“863”高科技計(jì)劃形成了未來(lái)移動(dòng)通信計(jì)劃(FuTURE)[1]，負(fù)責(zé)中國(guó)4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究以及試驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、測(cè)試工作。FuTURE計(jì)劃研究與開(kāi)發(fā)的目標(biāo)是面向未來(lái)10年無(wú)線通信領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)與需求，研究下一代移動(dòng)通信技術(shù)，建立相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)，支持面向未來(lái)的無(wú)線通信新業(yè)務(wù)，并在4G標(biāo)準(zhǔn)化等方面發(fā)揮積極的作用。

FuTURE計(jì)劃包括兩個(gè)研究分支，一為頻分雙工(FDD)4G系統(tǒng)，另一分支為時(shí)分雙工(TDD)4G系統(tǒng)[2]。其中FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)于2006年6月開(kāi)發(fā)完成，整套試驗(yàn)系統(tǒng)共包括2套基站接入點(diǎn)設(shè)備(AP)、3套移動(dòng)終端設(shè)備(MT)，提供支持移動(dòng)性的多小區(qū)組網(wǎng)測(cè)試環(huán)境。

FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)采用了一系列先進(jìn)的技術(shù)，包括多入多出技術(shù)(MIMO)、正交頻分多址技術(shù)(OFDM)、軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用技術(shù)、廣義分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[3]等。

針對(duì)FuTURE 4G試驗(yàn)系統(tǒng)的組網(wǎng)要求，在FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試結(jié)束，將要開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)網(wǎng)搭建以及系統(tǒng)組網(wǎng)測(cè)試時(shí)，需要提前進(jìn)行關(guān)于FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)的鏈路預(yù)算以及組網(wǎng)分析工作，以確定試驗(yàn)網(wǎng)如何搭建、如何規(guī)劃。由于FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)采用3.45 GHz頻段作為載波頻率，而關(guān)于3.5 GHz頻段電波的傳播特性國(guó)內(nèi)外研究較少，尚缺乏通用的傳播模型；另外，由于FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)采用了MIMO技術(shù)，而MIMO技術(shù)對(duì)天線的架設(shè)位置、實(shí)際無(wú)線傳播環(huán)境等較為敏感。所以針對(duì)FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)的鏈路預(yù)算與組網(wǎng)分析工作成為了試驗(yàn)網(wǎng)能否成功搭建的關(guān)鍵。

本文介紹針對(duì)采用3.45 GHz載頻、采用MIMO技術(shù)的FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)的鏈路預(yù)算工作以及基于實(shí)際無(wú)線環(huán)境的外場(chǎng)測(cè)試與試驗(yàn)網(wǎng)組網(wǎng)分析等工作。

1.試驗(yàn)系統(tǒng)射頻參數(shù)

在進(jìn)行FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)的鏈路預(yù)算工作之前，需要分析該試驗(yàn)系統(tǒng)的射頻設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，特別是試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)射功率、接收機(jī)靈敏度、噪聲系數(shù)、天線方向圖、天線高度、天線增益等。針對(duì)MIMO技術(shù)的采用，還需要特別考慮多天線的配置情況以及多天線之間的幾何分布等。

FuTURE4GTDD試驗(yàn)系統(tǒng)的詳細(xì)射頻參數(shù)指標(biāo)參見(jiàn)表1。

2.試驗(yàn)系統(tǒng)鏈路預(yù)算

根據(jù)FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)的射頻設(shè)備參數(shù)，在進(jìn)行鏈路預(yù)算工作時(shí)，需要根據(jù)3.5 GHz左右頻段的電波傳播特性，通過(guò)傳播模型進(jìn)行信號(hào)覆蓋范圍的計(jì)算，進(jìn)而得到FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的覆蓋范圍參考值。

2.13.5GHz頻段電波傳播特性

FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)采用了3.5 GHz頻段的載頻，中心工作頻率為3.45 GHz，頻帶寬度為20 MHz。目前，針對(duì)電波傳播特性的研究，比較常用的傳播模型包括奧村(Okumura)模型和Hata模型，其中Hata模型又可以分為適用于頻率范圍為150～1 500 MHz頻段的Okumura-Hata模型和頻段擴(kuò)展到2 GHz的Cost231-Hata模型[4-5]等。由于實(shí)際無(wú)線環(huán)境非常復(fù)雜，不可能進(jìn)行精確的理論建模，在實(shí)際應(yīng)用中，需要針對(duì)不同的環(huán)境選擇合適的傳播模型，沒(méi)有一個(gè)模型可以適用于所有的傳播環(huán)境。

FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)采用的載波頻段為3.45 GHz，所以?shī)W村模型和Hata模型均不再適用。目前關(guān)于3.5 GHz左右頻段的電波傳播特性的研究在國(guó)內(nèi)外正在逐漸得到重視，由于2 GHz左右頻段的應(yīng)用目前十分擁擠，未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)將有可能采用更高的工作頻段，所以關(guān)于3.5 GHz、5 GHz頻段的電波傳播特性的研究已經(jīng)得到開(kāi)展。

北京郵電大學(xué)無(wú)線新技術(shù)研究所在3.5 GHz頻段的電波傳播特性方面做了比較深入的研究，在以北京郵電大學(xué)為中心的市區(qū)環(huán)境進(jìn)行了大量電波傳播特性的測(cè)試測(cè)量工作，在對(duì)大量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析后，得到了3.5 GHz頻段的電波傳播特性的傳播模型[6-7]。

圖1表示了以北京郵電大學(xué)為中心的3.5 GHz頻段電波傳播特性的實(shí)測(cè)區(qū)域，圖1中心圓點(diǎn)位置為天線架設(shè)地點(diǎn)，位于北京郵電大學(xué)的主樓樓頂，測(cè)試天線配置為1發(fā)2收，測(cè)試區(qū)域的半徑達(dá)到2 km以上，最大移動(dòng)速度100 km/h。