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

摘要：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。

表2為根據(jù)實(shí)測(cè)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(shè)地點(diǎn)為中心，東西南北4個(gè)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(yàn)系統(tǒng)的鏈路預(yù)算工作將依據(jù)3.5 GHz頻段的實(shí)測(cè)模型進(jìn)行計(jì)算，由于FuTURE 4G TDD試驗(yàn)網(wǎng)搭建將以北京郵電大學(xué)為中心，所以，基于北京郵電大學(xué)環(huán)境的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的該傳播模型具有更加準(zhǔn)確的適用性。

根據(jù)實(shí)測(cè)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(guò)距離d 后的路徑損耗，以公里為單位，λ為波長(zhǎng)，d 0為參考距離，計(jì)算中取10 m。為了保證得到可靠的鏈路預(yù)算，在計(jì)算中需要預(yù)留出一定的余量，所以在實(shí)際計(jì)算中，路徑損耗因子n以最大值(北向)代入。

2.2接收機(jī)靈敏度的計(jì)算

接收機(jī)靈敏度是表征接收機(jī)能夠正確接收并識(shí)別信號(hào)的下限，在鏈路預(yù)算工作中，必須保證發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)空間衰減到達(dá)接收機(jī)時(shí)能夠被接收機(jī)正確識(shí)別。

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

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

根據(jù)FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，當(dāng)誤碼率(BER)指標(biāo)達(dá)到10-6時(shí)，所需的Eb /N0為3 dB，考慮到試驗(yàn)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)的開(kāi)銷(xiāo)，將Eb /N0換算為信噪比(SNR)為12.3 dB(試驗(yàn)系統(tǒng)采用16QAM調(diào)制，1/3編碼)，即輸出的SNR out為12.3 dB。

根據(jù)表1，AP接收機(jī)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(guò)公式N =KTB計(jì)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(guò)如下計(jì)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(hào)功率最小值(接收機(jī)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(jì)算

根據(jù)上節(jié)計(jì)算得到的接收機(jī)靈敏度以及MT最大發(fā)射功率，可以計(jì)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(shí)，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(yàn)系統(tǒng)中的饋線損耗等其他損耗，約為2 dB。

另外，在實(shí)際環(huán)境中，還需要考慮陰影衰落保護(hù)余量以及快衰落保護(hù)余量，參考工程中使用實(shí)際環(huán)境估計(jì)值[8-9]，快衰落保護(hù)余量為3dB，陰影衰落保護(hù)余量為7dB，此時(shí)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(jì)算

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

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

=138.4+10×3.76×lg(dmax)

=118.9dB (7)

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

dmax=0.303 km (8)

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

3.試驗(yàn)系統(tǒng)組網(wǎng)分析

根據(jù)FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)的鏈路預(yù)算計(jì)算結(jié)果，可以進(jìn)一步進(jìn)行FuTURE 4G TDD試驗(yàn)網(wǎng)的組網(wǎng)分析工作。試驗(yàn)網(wǎng)的建設(shè)將以北京郵電大學(xué)為中心，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的目標(biāo)為支持2基站3移動(dòng)終端的試驗(yàn)網(wǎng)，支持多用戶以及用戶移動(dòng)性，并可以提供高達(dá)100 Mb/s的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率。

雖然在鏈路預(yù)算的計(jì)算過(guò)程中采用了根據(jù)北京郵電大學(xué)實(shí)際環(huán)境實(shí)測(cè)得到的3.5 GHz頻段電波傳播模型，但是理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際無(wú)線環(huán)境仍然可能會(huì)有一定的差別。尤其是FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)采用了MIMO技術(shù)，而MIMO技術(shù)對(duì)多天線的布局、架設(shè)以及無(wú)線環(huán)境等因素均較為敏感，所以在鏈路預(yù)算的基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)行實(shí)際無(wú)線環(huán)境的外場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析工作，以確定2個(gè)基站的架設(shè)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(shí)際無(wú)線環(huán)境外場(chǎng)測(cè)試

FuTURE 4G TDD系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際無(wú)線環(huán)境外場(chǎng)測(cè)試的基本射頻參數(shù)如表3所示，由于保證硬件設(shè)備維持正常調(diào)試的需要，在進(jìn)行無(wú)線環(huán)境外場(chǎng)測(cè)試時(shí)，MIMO配置采用了2發(fā)4收的簡(jiǎn)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?yàn)槲飨�，收�?天線采用水平線陣布局，間隔1 m。

實(shí)際無(wú)線環(huán)境的外場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，接收端通過(guò)統(tǒng)計(jì)接收到數(shù)據(jù)的誤塊率(BLER)來(lái)判斷通信質(zhì)量的高低。外場(chǎng)測(cè)試環(huán)境為北京郵電大學(xué)校園環(huán)境，外場(chǎng)測(cè)試的測(cè)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(hào)反射、繞射、散射體較為豐富，樹(shù)木遮擋、樓宇遮擋環(huán)境較多。

通過(guò)使用測(cè)試車(chē)在測(cè)試區(qū)域內(nèi)多次測(cè)量，得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均結(jié)果如圖2所示。

3.2外場(chǎng)測(cè)試實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

外場(chǎng)測(cè)試使用2發(fā)4收的實(shí)際MIMO鏈路進(jìn)行北京郵電大學(xué)校園無(wú)線環(huán)境的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果對(duì)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(jià)值。

在實(shí)際外場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，總體測(cè)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(dá)到0。大部分區(qū)域都可以達(dá)到理想情況的接收，誤塊率保持在5%以下，相對(duì)應(yīng)的誤碼率處于10-5至10-6之間。樹(shù)擋以及樓擋對(duì)2發(fā)4收 MIMO系統(tǒng)的影響較小，當(dāng)無(wú)線環(huán)境中存在散射及繞射時(shí)，MIMO系統(tǒng)工作正常，誤塊率小于5%。

3.32基站3移動(dòng)終端組網(wǎng)分析

根據(jù)FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)鏈路預(yù)算以及實(shí)際無(wú)線環(huán)境外場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果，可以得到北京郵電大學(xué)校園內(nèi)的FuTURE 4G TDD試驗(yàn)網(wǎng)組網(wǎng)方式。

網(wǎng)絡(luò)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(dòng)性管理。其中AP覆蓋半徑達(dá)到200 m，系統(tǒng)達(dá)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(dá)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(yǔ)音(VoIP)等業(yè)務(wù)。

4.結(jié)束語(yǔ)

FuTURE 4G TDD試驗(yàn)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(guān)鍵技術(shù)，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。FuTURE 4G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)網(wǎng)已經(jīng)成功完成并通過(guò)鑒定，其中針對(duì)3.5 GHz頻段的鏈路預(yù)算以及MIMO系統(tǒng)的組網(wǎng)分析等工作對(duì)FuTURE 4G TDD試驗(yàn)網(wǎng)的成功建設(shè)起到了重要作用，相關(guān)的鏈路預(yù)算結(jié)果以及針對(duì)MIMO系統(tǒng)的外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與分析將對(duì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作提供有益的參考。

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