（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

TD-LTE農(nóng)村基站覆蓋能力分析

徐德平，鄧安達(dá)，程日濤，張華，焦燕鴻

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

考慮地形對電波傳播的影響，將農(nóng)村分為平原、丘陵和山區(qū)三大場景，并利用理論及模型校正測試分析對比的方法，研究TD-LTE F頻段農(nóng)村基站分場景的覆蓋能力，解決了農(nóng)村覆蓋多樣性和準(zhǔn)確性的問題。

TD-LTE；F頻段；農(nóng)村；覆蓋能力；分場景；模型校正

1 引言

中國移動4G網(wǎng)絡(luò)二期工程完成后，原則上將實現(xiàn)縣城及以上區(qū)域的連續(xù)覆蓋，今后4G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍將快步拓展至鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村區(qū)域。農(nóng)村4G覆蓋主要面臨多樣性、有效性和準(zhǔn)確性的問題。“多樣性”主要指中國東、中、西部廣大農(nóng)村無論從地形地貌、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人員聚集等方面都呈現(xiàn)出多樣性和差異性，需要在工程建設(shè)中找到科學(xué)簡明的農(nóng)村分類方法?！坝行浴敝饕谵r(nóng)村現(xiàn)有2G覆蓋技術(shù)與未來4G技術(shù)的差別，現(xiàn)有2G農(nóng)村基站頻率低（主要是900 MHz頻段）、覆蓋廣、數(shù)量少，4G將采用高頻段（F頻段，1.9 GHz）、覆蓋差，基站數(shù)量需求大，需要思考農(nóng)村的覆蓋標(biāo)準(zhǔn)是否需要適度降低、農(nóng)村基站設(shè)置與業(yè)務(wù)的匹配等有效性問題?！皽?zhǔn)確性”主要由于4G覆蓋（F頻段）從未在農(nóng)村大規(guī)模應(yīng)用，其覆蓋能力未經(jīng)實際驗證，需要采用必要方法和手段分析得出農(nóng)村4G基站的準(zhǔn)確覆蓋能力。

本文主要解決農(nóng)村4G覆蓋“多樣性”和“準(zhǔn)確性”的問題。

通過理論分類的方法，選擇對電波傳播影響較大的因素進(jìn)行分類，將農(nóng)村分為多個場景，解決農(nóng)村“多樣性”的問題；

通過理論及模型校正測試分析對比的方法，研究TD-LTE F頻段農(nóng)村基站分場景覆蓋能力，解決農(nóng)村覆蓋準(zhǔn)確性的問題。

解決農(nóng)村覆蓋“有效性”問題的“農(nóng)村4G覆蓋規(guī)劃設(shè)計指標(biāo)”是準(zhǔn)確測算農(nóng)村基站覆蓋能力的前提，但具體指標(biāo)值如何取定將另文分析，本文只做引用。

本論文所研究之“農(nóng)村”，主要指人口聚集度相對稀疏、建筑物較為低矮與分散的典型農(nóng)村；它與國家現(xiàn)有五級行政區(qū)劃體系(省級、地級、縣級、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、行政村)之“行政村”并無完全對應(yīng)關(guān)系，在中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程中發(fā)展較快的部分東部沿海發(fā)達(dá)的農(nóng)村可能更類似于“一般城區(qū)、縣城城區(qū)或發(fā)達(dá)鄉(xiāng)鎮(zhèn)”等場景，不應(yīng)納入本研究的“農(nóng)村”體系。

表1 農(nóng)村場景劃分表

2 農(nóng)村場景劃分

移動通信的電波傳播環(huán)境較為復(fù)雜，電波傳播與地形、建筑物分布、地面植被狀況等均密切相關(guān)。城市通常位于平原區(qū)域，高層建筑比較密集，造成信號反射、繞射較多，因此，地形因素相對建筑物對信號衰減的作用不明顯。而在農(nóng)村環(huán)境中，建筑物較為低矮及分散，地形高低差異較大，因此，作為場景分類的首要考慮因素。

針對不同地形對電波傳播的影響，將農(nóng)村分為“平原”、“丘陵”、“山區(qū)”三大場景，如表1所示。

3 農(nóng)村TD-LTE基站覆蓋能力理論分析

根據(jù)以前的系列研究成果，一般城區(qū)TD-LTE基站允許的最大路徑損耗約為125 dB左右?？紤]農(nóng)村與一般城區(qū)在建筑物分布、干擾等方面的差異，無線規(guī)劃參數(shù)的主要調(diào)整如表2所示。

表2 農(nóng)村與一般城區(qū)無線規(guī)劃參數(shù)調(diào)整表

綜合考慮農(nóng)村相比一般城區(qū)在陰影衰落余量、干擾預(yù)留及穿透損耗方面的區(qū)別，農(nóng)村允許的最大路徑損耗比一般城區(qū)多8.6～10.6 dB，因此農(nóng)村允許的最大路徑損耗范圍為133.6～135.6 dB。

根據(jù)COST231-Hata模型計算公式：

取頻率f=1890 MHz，手機(jī)高度hm=1.5 m（此時A(hm)=0），農(nóng)村平原場景按郊區(qū)模型取修正因子2[lg(f/28)]2-5.4=-12.09 dB（Cm=0），農(nóng)村丘陵場景在農(nóng)村平原場景基礎(chǔ)上增加丘陵校正因子Cm=5 dB，理論計算出農(nóng)村不同天線掛高條件下的TD-LTE基站覆蓋半徑如表3所示。

表3 分場景農(nóng)村TD-LTE基站理論覆蓋能力表

4 農(nóng)村模型校正測試

農(nóng)村TD-LTE基站覆蓋能力理論分析的結(jié)果需要在實際測試中驗證。驗證方法有多種，其優(yōu)劣性對比如表4所示。

表4 實測驗證方法優(yōu)劣性對比表

為了使測試結(jié)論具有更廣泛的適用性，選擇采用方法3“F頻段多地模型校正測試”對我國各地典型農(nóng)村場景的傳播模型進(jìn)行校正測試。省份和場景選擇時考慮了充分選取國內(nèi)東、中、西不同地形及經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的典型農(nóng)村來進(jìn)行測試，如表5所示。

表5 農(nóng)村模型校正測試省份表

模型校正采用固定發(fā)射功率40 dBm，全向天線增益2 dBi。在測試前讀取天線文件，測試時采用通過式功率計以保證輸出功率恒定。為使模型校正的結(jié)論更準(zhǔn)確并接近實際，對現(xiàn)場測試操作的要求如下：

測試區(qū)域內(nèi)盡量遍歷，近場和遠(yuǎn)場測試點分布比例盡量均勻；

在農(nóng)村平原場景應(yīng)盡量測到站點外第三層小區(qū)位置的信號強度（測試點外圍應(yīng)距站點大于2.5倍覆蓋半徑）；

山區(qū)丘陵地帶的測試路線較少時，應(yīng)盡可能多遍歷測試路線直至功率降低為-100 dBm。

山區(qū)場景由于有山峰阻擋存在，且通常為單條道路，不具備“之”字或“井”字遍歷要求，因此，不建議進(jìn)行模型校正，山區(qū)測試主要作為典型性案例，選擇代表性測試區(qū)域，記錄測試位置及高度、與發(fā)射機(jī)之間的距離，周圍的地形起伏情況、信號強度和空間傳輸損耗。

對后期處理的要求如下：每處農(nóng)村應(yīng)至少選2個站點進(jìn)行模測聯(lián)合校正。

4.1 農(nóng)村平原場景模型校正

農(nóng)村平原測試主要在河北、河南、山東、湖南及安徽的典型農(nóng)村平原站點展開，測試數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn)河北、河南、山東等測試結(jié)果與湖南、安徽測試結(jié)果有一定差異，分析原因為旱地環(huán)境與水稻田環(huán)境的差別（大面積的水面漫反射造成水稻田環(huán)境下的路徑損耗較小），如圖1所示。

根據(jù)模型校正擬合曲線分析，實際測試與COST231-Hata標(biāo)準(zhǔn)模型理論值路徑損耗存在一定差異：

北方農(nóng)村旱地平原場景與COST231-Hata標(biāo)準(zhǔn)模型相比路損約減少10.5 dB，但比郊區(qū)模型增加約1.5 dB。

南方農(nóng)村水稻田場景與標(biāo)準(zhǔn)COST231-Hata標(biāo)準(zhǔn)模型相比路損減少約18.5 dB，比郊區(qū)模型減少約6.5 dB。

4.2 農(nóng)村丘陵場景模型校正

農(nóng)村丘陵測試主要在河北、湖南、山東的典型農(nóng)村丘陵站點展開，測試點選取時主要考慮了測試站點有效高度與丘陵起伏度之間的關(guān)系，分別選取了天線有效掛高明顯高于丘陵起伏度（山東測試點）、天線有效掛高與丘陵起伏度相當(dāng)（湖南測試點）及天線有效掛高明顯低于丘陵起伏度（河北測試點）三種典型子場景。

丘陵模型校正擬合曲線如圖2所示。

圖1 農(nóng)村平原場景模型校正擬合曲線

農(nóng)村丘陵場景相對于農(nóng)村平原（北方旱地）場景的路徑損耗有一定增加，其增加值并非定值，由于丘陵的起伏，站點高于接收點的概率越大（即天線有效掛高高于丘陵起伏度時），較平原場景增加的路損越少（這與電波傳播的理論分析較為契合）。在工程規(guī)劃建設(shè)中，可按表6所示取值。

表6 農(nóng)村丘陵場景工程規(guī)劃路損差異表

4.3 農(nóng)村山區(qū)場景典型案例分析

考慮到農(nóng)村山區(qū)建站的實際應(yīng)用環(huán)境，山區(qū)場景測試包含以下典型子場景。

山區(qū)場景1（全遮擋）：發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間間隔大山，信號被全部遮擋住。

山區(qū)場景2（半遮擋）：發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間有一個山體不完全阻擋，信號可能繞射到山后并接收到。

山區(qū)場景3（視距傳播且存在高差）：發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間無阻擋，兩者高差相對平原場景更大。

在湖南和重慶選擇的2個山區(qū)測試基站，在其測試路線上經(jīng)歷上山、下山、盤山、山后等各種被山地阻擋的無線環(huán)境，能符合上述測試場景要求。

對比湖南與重慶的山區(qū)測試，路徑損耗與基站、山體及接收點的位置直接相關(guān)，路徑損耗與傳播距離無一定關(guān)系。對比測試路線上的山區(qū)及信號收發(fā)點位置，得出全遮擋損耗至少40～50 dB，半遮擋損耗約20～30 dB。

4.4 農(nóng)村模型校正測試小結(jié)

對農(nóng)村不同場景的模型校正擬合曲線進(jìn)行分析，選取路徑損耗133～136 dB所對應(yīng)的距離作為基站的覆蓋半徑建議值如表7所示。

圖2 農(nóng)村丘陵場景模型校正擬合曲線

表7 農(nóng)村分場景TD-LTE基站山覆蓋半徑建議表

特殊情況說明：表7是針對農(nóng)村普通一兩層民宅淺層覆蓋給出的建議。當(dāng)室內(nèi)覆蓋要求嚴(yán)格時（例如墻體更厚、室內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜隔斷多），建議按照1堵墻5～7 dB進(jìn)行核算（損耗增加1 dB覆蓋縮減約5%）。

表7考慮了農(nóng)村區(qū)域有一定樹木植被分布，但當(dāng)樹木茂密、對信號有明顯遮擋時，覆蓋半徑可按縮減5～10%考慮。

5 總結(jié)

本論文將農(nóng)村分為平原、丘陵、山區(qū)三大場景，并根據(jù)測試中的收發(fā)信機(jī)與地形的相對關(guān)系再細(xì)分為若干子場景，通過模型校正測試，掌握了F頻段信號在農(nóng)村不同場景的路徑損耗情況，由此推算出TD-LTE的基站覆蓋半徑。模型校正測試推算出的農(nóng)村平原旱地基站覆蓋半徑比理論分析更小一些；農(nóng)村丘陵基站的覆蓋半徑隨天線有效掛高與丘陵起伏度的關(guān)系而變化，比理論分析結(jié)果范圍廣一些，且有所細(xì)分；農(nóng)村山區(qū)通過測試列舉了典型案例。經(jīng)農(nóng)村模型校正測試推算的基站覆蓋半徑建議值，可以為今后的農(nóng)村TD-LTE規(guī)劃設(shè)計提供參考。

[1] 謝益溪． 無線電波傳播——原理與應(yīng)用[M]． 北京：人民郵電出版社，2008．

[2] 張業(yè)榮， 竺南直， 程勇． 蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003．

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Analysis on coverage ability of TD-LTE rural base station at band39

XU De-ping, DENG An-da, CHENG Ri-tao, ZHANG Hua, JIAO Yan-hong
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

In this paper, firstly, regarding to the influence of topography on radio wave propagation, we differentiate the rural areas into three main scenes. Then, by theory analysis and model correction tests, we provide the coverage capability of the TD-LTE base station at band39.

TD-LTE; band39; rural area; coverage ability; scene-based; model correction

TN929.5

A

1008-5599（2014）10-0006-05

2014-10-08