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

摘要：FuTURE 4G TDD試驗系統(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)、正交頻分復用(OFDM)等一系列關鍵技術，這給FuTURE 4G TDD試驗網(wǎng)的鏈路預算及組網(wǎng)分析等工作帶來了挑戰(zhàn)。文章探討了基于3.5 GHz頻段的實測電波傳播模型以及試驗系統(tǒng)的射頻參數(shù)的鏈路預算，并進一步結合MIMO系統(tǒng)外場實測數(shù)據(jù)進行了試驗系統(tǒng)組網(wǎng)分析及網(wǎng)絡規(guī)劃工作。FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)及試驗網(wǎng)已經(jīng)順利完成并通過鑒定驗收，全面達到了預期指標，試驗系統(tǒng)支持2基站3用戶的配置，支持多用戶，支持移動性，提供高達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。

基金項目：國家自然科學基金重大項目(60496312)；國家“863”計劃項目(2003AA12331004、2006AA01Z260)

針對下一代移動通信系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作得到全世界范圍的關注，如何在下一代移動通信系統(tǒng)中進一步提高頻譜利用率、為用戶提供更好的業(yè)務體驗成為研究者首要關心的目標。

中國于2001年開始了關于下一代移動通信系統(tǒng)的研究工作，依托國家“863”高科技計劃形成了未來移動通信計劃(FuTURE)[1]，負責中國4G移動通信系統(tǒng)的研究以及試驗系統(tǒng)的開發(fā)、測試工作。FuTURE計劃研究與開發(fā)的目標是面向未來10年無線通信領域的發(fā)展趨勢與需求，研究下一代移動通信技術，建立相關關鍵技術驗證系統(tǒng)，支持面向未來的無線通信新業(yè)務，并在4G標準化等方面發(fā)揮積極的作用。

FuTURE計劃包括兩個研究分支，一為頻分雙工(FDD)4G系統(tǒng)，另一分支為時分雙工(TDD)4G系統(tǒng)[2]。其中FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)于2006年6月開發(fā)完成，整套試驗系統(tǒng)共包括2套基站接入點設備(AP)、3套移動終端設備(MT)，提供支持移動性的多小區(qū)組網(wǎng)測試環(huán)境。

FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)采用了一系列先進的技術，包括多入多出技術(MIMO)、正交頻分多址技術(OFDM)、軟分數(shù)頻率復用技術、廣義分布式網(wǎng)絡架構[3]等。

針對FuTURE 4G試驗系統(tǒng)的組網(wǎng)要求，在FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)聯(lián)合調試結束，將要開始進行試驗網(wǎng)搭建以及系統(tǒng)組網(wǎng)測試時，需要提前進行關于FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的鏈路預算以及組網(wǎng)分析工作，以確定試驗網(wǎng)如何搭建、如何規(guī)劃。由于FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)采用3.45 GHz頻段作為載波頻率，而關于3.5 GHz頻段電波的傳播特性國內(nèi)外研究較少，尚缺乏通用的傳播模型；另外，由于FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)采用了MIMO技術，而MIMO技術對天線的架設位置、實際無線傳播環(huán)境等較為敏感。所以針對FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的鏈路預算與組網(wǎng)分析工作成為了試驗網(wǎng)能否成功搭建的關鍵。

本文介紹針對采用3.45 GHz載頻、采用MIMO技術的FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的鏈路預算工作以及基于實際無線環(huán)境的外場測試與試驗網(wǎng)組網(wǎng)分析等工作。

1.試驗系統(tǒng)射頻參數(shù)

在進行FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的鏈路預算工作之前，需要分析該試驗系統(tǒng)的射頻設備的相關參數(shù)，特別是試驗系統(tǒng)的發(fā)射功率、接收機靈敏度、噪聲系數(shù)、天線方向圖、天線高度、天線增益等。針對MIMO技術的采用，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試驗系統(tǒng)的詳細射頻參數(shù)指標參見表1。

2.試驗系統(tǒng)鏈路預算

根據(jù)FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的射頻設備參數(shù)，在進行鏈路預算工作時，需要根據(jù)3.5 GHz左右頻段的電波傳播特性，通過傳播模型進行信號覆蓋范圍的計算，進而得到FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)可以實現(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模型和頻段擴展到2 GHz的Cost231-Hata模型[4-5]等。由于實際無線環(huán)境非常復雜，不可能進行精確的理論建模，在實際應用中，需要針對不同的環(huán)境選擇合適的傳播模型，沒有一個模型可以適用于所有的傳播環(huán)境。

FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)采用的載波頻段為3.45 GHz，所以奧村模型和Hata模型均不再適用。目前關于3.5 GHz左右頻段的電波傳播特性的研究在國內(nèi)外正在逐漸得到重視，由于2 GHz左右頻段的應用目前十分擁擠，未來移動通信系統(tǒng)將有可能采用更高的工作頻段，所以關于3.5 GHz、5 GHz頻段的電波傳播特性的研究已經(jīng)得到開展。

北京郵電大學無線新技術研究所在3.5 GHz頻段的電波傳播特性方面做了比較深入的研究，在以北京郵電大學為中心的市區(qū)環(huán)境進行了大量電波傳播特性的測試測量工作，在對大量的測試數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析后，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為中心的3.5 GHz頻段電波傳播特性的實測區(qū)域，圖1中心圓點位置為天線架設地點，位于北京郵電大學的主樓樓頂，測試天線配置為1發(fā)2收，測試區(qū)域的半徑達到2 km以上，最大移動速度100 km/h。

表2為根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析得到的路徑損耗因子數(shù)值，分別給出了以天線架設地點為中心，東西南北4個朝向的路徑損耗因子數(shù)值以及平均路徑損耗因子。

FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的鏈路預算工作將依據(jù)3.5 GHz頻段的實測模型進行計算，由于FuTURE 4G TDD試驗網(wǎng)搭建將以北京郵電大學為中心，所以，基于北京郵電大學環(huán)境的實測數(shù)據(jù)得到的該傳播模型具有更加準確的適用性。

根據(jù)實測模型，3.5GHz頻段的路徑損耗模型如式(1)所示：

其中PL(d )為電波傳輸經(jīng)過距離d 后的路徑損耗，以公里為單位，λ為波長，d 0為參考距離，計算中取10 m。為了保證得到可靠的鏈路預算，在計算中需要預留出一定的余量，所以在實際計算中，路徑損耗因子n以最大值(北向)代入。

2.2接收機靈敏度的計算

接收機靈敏度是表征接收機能夠正確接收并識別信號的下限，在鏈路預算工作中，必須保證發(fā)射信號經(jīng)過空間衰減到達接收機時能夠被接收機正確識別。

FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)中，由于上行移動終端(MT)最大發(fā)射功率小于基站接入點(AP)端的發(fā)射功率，所以整個試驗系統(tǒng)是上行受限的，因此需要以上行為例來計算系統(tǒng)的覆蓋范圍。

根據(jù)試驗系統(tǒng)的性能指標要求以及射頻參數(shù)，AP端的接收靈敏度計算如下：

根據(jù)FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的性能指標，當誤碼率(BER)指標達到10-6時，所需的Eb /N0為3 dB，考慮到試驗系統(tǒng)硬件實現(xiàn)時的開銷，將Eb /N0換算為信噪比(SNR)為12.3 dB(試驗系統(tǒng)采用16QAM調制，1/3編碼)，即輸出的SNR out為12.3 dB。

根據(jù)表1，AP接收機噪聲系數(shù)F =5 dB。所以AP接收端所需要的輸入信噪比為：

SNRin=SNRout+F=17.3 dB (2)

熱噪聲可以通過公式N =KTB計算得到。其中K為波爾茲曼常數(shù)，值為1.381×10-23 W/Hz/K，T為室溫(290 K)，B為帶寬(20 MHz)，噪聲功率可以通過如下計算得到：

N=KTB=10lg(1.381×10-23×290×20×106)=-131.9dBW=-101.9 dBm (3)

AP端天線增益GAP =14 dBi。所以AP所能接收到的信號功率最小值(接收機靈敏度)為：

Prmin=SNRout+F-GAP +N =-98.9 dBm (4)

2.3系統(tǒng)最大可承受鏈路損耗參數(shù)的計算

根據(jù)上節(jié)計算得到的接收機靈敏度以及MT最大發(fā)射功率，可以計算得系統(tǒng)最大可承受的鏈路損耗值。

發(fā)送端天線增益為G MT =5 dBi。在BER要求為10-6時，MT采用27 dBm的最大發(fā)射功率，系統(tǒng)可承受的鏈路總損耗最大為：

PLmax=Ptmax-P min +G MT -L other

=27+98.9+5-2

=128.9dB (5)

其中L other為FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)中的饋線損耗等其他損耗，約為2 dB。

另外，在實際環(huán)境中，還需要考慮陰影衰落保護余量以及快衰落保護余量，參考工程中使用實際環(huán)境估計值[8-9]，快衰落保護余量為3dB，陰影衰落保護余量為7dB，此時系統(tǒng)最大可承受的路徑損耗可以得到為：

PL’max=128.9dB-3 dB -7 dB = 118.9 dB (6)

2.4系統(tǒng)最大可覆蓋區(qū)域的計算

基于式(1)給出的3.5 GHz頻段實測模型鏈路損耗計算公式，在PL(d )=118.9 dB時，代入式(1)：

PL(dmax)=PL(d0)+10nlg( )

=138.4+10×3.76×lg(dmax)

=118.9dB (7)

可以計算得到FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)上行最大覆蓋半徑為：

dmax=0.303 km (8)

為了使移動終端可以在2個AP之間進行切換，保證業(yè)務的連續(xù)性，F(xiàn)uTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的覆蓋范圍應該小于上行最大覆蓋半徑。

3.試驗系統(tǒng)組網(wǎng)分析

根據(jù)FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)的鏈路預算計算結果，可以進一步進行FuTURE 4G TDD試驗網(wǎng)的組網(wǎng)分析工作。試驗網(wǎng)的建設將以北京郵電大學為中心，網(wǎng)絡建設的目標為支持2基站3移動終端的試驗網(wǎng)，支持多用戶以及用戶移動性，并可以提供高達100 Mb/s的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率。

雖然在鏈路預算的計算過程中采用了根據(jù)北京郵電大學實際環(huán)境實測得到的3.5 GHz頻段電波傳播模型，但是理論計算結果與實際無線環(huán)境仍然可能會有一定的差別。尤其是FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)采用了MIMO技術，而MIMO技術對多天線的布局、架設以及無線環(huán)境等因素均較為敏感，所以在鏈路預算的基礎上，還需要進行實際無線環(huán)境的外場實測與分析工作，以確定2個基站的架設位置、基站間距以及切換區(qū)域的規(guī)劃等組網(wǎng)分析工作。

3.1實際無線環(huán)境外場測試

FuTURE 4G TDD系統(tǒng)進行實際無線環(huán)境外場測試的基本射頻參數(shù)如表3所示，由于保證硬件設備維持正常調試的需要，在進行無線環(huán)境外場測試時，MIMO配置采用了2發(fā)4收的簡化配置，即發(fā)送天線采用2根120度方向性天線，以保證較高的天線增益，最大發(fā)射功率為27 dBm，接收天線采用4根全向天線。發(fā)送端多天線布局為水平線陣布局，間隔1.5 m，傾角小于15度，天線朝向為西向，收端4天線采用水平線陣布局，間隔1 m。

實際無線環(huán)境的外場測試過程中，接收端通過統(tǒng)計接收到數(shù)據(jù)的誤塊率(BLER)來判斷通信質量的高低。外場測試環(huán)境為北京郵電大學校園環(huán)境，外場測試的測量范圍覆蓋大約為350 m×200 m的矩形區(qū)域，屬于建筑密集區(qū)域，信號反射、繞射、散射體較為豐富，樹木遮擋、樓宇遮擋環(huán)境較多。

通過使用測試車在測試區(qū)域內(nèi)多次測量，得到實測數(shù)據(jù)的平均結果如圖2所示。

3.2外場測試實測數(shù)據(jù)分析

外場測試使用2發(fā)4收的實際MIMO鏈路進行北京郵電大學校園無線環(huán)境的測量，測量結果對于MIMO系統(tǒng)的覆蓋性能、天線布局的影響等方面具有較大的參考價值。

在實際外場測試過程中，總體測試情況較好，在27 dBm的發(fā)射功率下，可以覆蓋200 m左右的范圍，誤塊率最好可以達到0。大部分區(qū)域都可以達到理想情況的接收，誤塊率保持在5%以下，相對應的誤碼率處于10-5至10-6之間。樹擋以及樓擋對2發(fā)4收 MIMO系統(tǒng)的影響較小，當無線環(huán)境中存在散射及繞射時，MIMO系統(tǒng)工作正常，誤塊率小于5%。

3.32基站3移動終端組網(wǎng)分析

根據(jù)FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)鏈路預算以及實際無線環(huán)境外場實測的結果，可以得到北京郵電大學校園內(nèi)的FuTURE 4G TDD試驗網(wǎng)組網(wǎng)方式。

網(wǎng)絡元素共包括1套控制單元(CU)、2套AP、3套MT，支持多用戶、支持越區(qū)切換等移動性管理。其中AP覆蓋半徑達到200 m，系統(tǒng)達到的誤碼率為10-6，誤塊率保持在平均5%以下，峰值數(shù)據(jù)傳輸速率達到122 Mb/s，可以支持高清晰度電視(HDTV)、高速數(shù)據(jù)下載、IP語音(VoIP)等業(yè)務。

4.結束語

FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)采用了3.5 GHz頻段作為載波頻率，使用了寬帶MIMO、OFDM等一系列關鍵技術，試驗系統(tǒng)支持2基站3用戶的配置，支持多用戶，支持移動性，提供高達100 Mb/s的峰值數(shù)據(jù)速率。FuTURE 4G TDD試驗系統(tǒng)及試驗網(wǎng)已經(jīng)成功完成并通過鑒定，其中針對3.5 GHz頻段的鏈路預算以及MIMO系統(tǒng)的組網(wǎng)分析等工作對FuTURE 4G TDD試驗網(wǎng)的成功建設起到了重要作用，相關的鏈路預算結果以及針對MIMO系統(tǒng)的外場實測數(shù)據(jù)與分析將對下一代移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡建設工作提供有益的參考。

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