梁景舒　林青群　李俊　黃偉鋒

【摘要】 對(duì)FDD LTE和CDMA2000通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算進(jìn)行分析，得到兩個(gè)系統(tǒng)的最大路徑損耗；并且通過(guò)傳播模型計(jì)算得出其在密集城區(qū)場(chǎng)景下的覆蓋范圍。進(jìn)一步闡述增強(qiáng)FDD LTE覆蓋范圍的各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)；并展望未來(lái)FDD LTE和CDMA2000實(shí)現(xiàn)共覆蓋的方法。

【關(guān)鍵詞】 FDD LTE系統(tǒng) 鏈路預(yù)算 覆蓋對(duì)比 覆蓋增強(qiáng)

一、概述

目前，F(xiàn)DD LTE的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)發(fā)展都領(lǐng)先于TDD LTE，成為世界上最為廣泛采用的4G標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)電信大力支持和建設(shè)FDD LTE模式的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，為了合理節(jié)省建設(shè)成本和提高覆蓋質(zhì)量，常采用FDD LTE與CDMA2000共建站的方式進(jìn)行FDD LTE基站建設(shè)。由于在工作頻率、邊緣速率、鏈路預(yù)算、最大覆蓋半徑等與CDMA2000存在較大差異，引起兩種模式共建站時(shí)共覆蓋的問(wèn)題。

二、鏈路預(yù)算及傳播模型

覆蓋規(guī)劃在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃中是一個(gè)基本環(huán)節(jié)，關(guān)系著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量和建設(shè)成本；其流程示意圖如下。確定覆蓋目標(biāo)的場(chǎng)景和范圍后，首先計(jì)算出允許的最大路徑損耗，然后利用傳播模型得到最大的覆蓋半徑，從而得到覆蓋規(guī)模內(nèi)所需的最少基站數(shù)量，為下一步建設(shè)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。

2.1 鏈路預(yù)算模型及方法

鏈路預(yù)算[1]即是計(jì)算信號(hào)在發(fā)送端和接收端傳播時(shí)所允許的最大路徑損耗（MAPL），該值受發(fā)射端功率、增益、損耗、余量及接收端靈敏度等五大參量的影響；其基本模型如圖1。

通信系統(tǒng)的上行和下行鏈路預(yù)算在原理上相同，基于不同的上下行邊緣速率，部分參數(shù)取值有所調(diào)整；其表達(dá)式為：

其中Pmax為發(fā)射端最大發(fā)射功率；GT、GR、Ghandover分別為發(fā)射端天線增益、接收端天線增益、切換增益；Lcable、Lbody、Lpenetration分別為饋線損耗、人體損耗、穿透損耗； Mshadowfading、Minterference分別為陰影衰落余量和干擾余量；SR為接收端靈敏度。

2.3 傳播模型

最大路徑損耗（MAPL）結(jié)合無(wú)線空間傳播模型即可計(jì)算發(fā)射信號(hào)的最大覆蓋半徑。根據(jù)不同的頻率范圍、天線高度及應(yīng)用環(huán)境（城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村等），常用的傳播模型有Okumura-Hata、COST-231 Hata、CCIR、LEE、COST-231 WI等模型。此處我們選用Okumura-Hata模型對(duì)CDMA2000系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋半徑的計(jì)算，選用COST-231 Hata傳播模型對(duì)LTE系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋半徑的計(jì)算；其計(jì)算公式如下：

其中，f為工作頻率（MHz）；ht為基站有效高度（m）；hr為移動(dòng)終端有效高度（m）；d為基站天線與移動(dòng)終端天線的有效水平距離，約為覆蓋半徑值；α（hr）為接收端天線修正因子；C為應(yīng)用場(chǎng)景的修正因子。對(duì)于2.3GHz及2.6GHz 頻率的LTE網(wǎng)絡(luò)，其工作頻率超過(guò)COST-231 Hata傳播模型的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍（1500MHz～2000MHz），應(yīng)在連續(xù)波測(cè)試（CW測(cè)試）結(jié)果上對(duì)傳播模型校正。

三、FDD LTE和CDMA2000鏈路預(yù)算與覆蓋對(duì)比

由于LTE是上行受限系統(tǒng)，因此采用上行覆蓋對(duì)比進(jìn)行分析。選擇密集市區(qū)作為應(yīng)用場(chǎng)景，取1800MHz FDD LTE、2100MHz FDD LTE、CDMA2000 1X語(yǔ)音及CDMA2000 EVDO數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上行鏈路的邊緣速率分別為256kbit/s、256kbit/s、9.6kbit/s、9.6kbit/s；其工作頻率為1770MHz、1970MHz、835MHz、835MHz；其接收機(jī)靈敏度為-112.1dBm、-112.1dBm、-125.78dBm、-124.2dBm；其接收機(jī)天線增益為18dBi、18dBi、15.7dBi、15.7dBi；其陰影衰落余量為11.7dB、11.7dB、5.4dB、5.4dB；其干擾余量為2dB、2dB、3dB、5.5dB；切換增益為4.5dB、4.5dB、3.7dB、3.7dB；取實(shí)際發(fā)射功率為23dB，發(fā)射天線高度為1.5m、發(fā)射端增益為0dBi、接收端天線高度為30m、穿透損耗為20dB、饋線損耗為3dB、人體損耗為0dB（CDMA2000 1X語(yǔ)音上行鏈路取3dB）。將各系統(tǒng)上行鏈路的各個(gè)參數(shù)代入鏈路預(yù)算模型得到其室內(nèi)外最大路徑損耗值如圖2；代入傳播模型可以計(jì)算得到相應(yīng)的最大室外和室內(nèi)覆蓋半徑如圖3。在上行鏈路，兩個(gè)頻段的LTE室內(nèi)外覆蓋范圍接近，約是CDMA2000 EVDO和CDMA2000 1X語(yǔ)音業(yè)務(wù)覆蓋范圍的1/3?？梢?jiàn)FDD LTE系統(tǒng)和CDMA2000系統(tǒng)的覆蓋范圍存在較大差異，在進(jìn)行兩個(gè)系統(tǒng)共站建設(shè)時(shí)，必須增大FDD LTE系統(tǒng)的覆蓋范圍，達(dá)到減少建設(shè)FDD LTE基站的目的。

針對(duì)FDD LTE系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)可以提高其覆蓋能力[2]。（1）IRC指干擾擬制合并，它利用多天線獲得來(lái)自鄰區(qū)的干擾統(tǒng)計(jì)特性來(lái)降低或消除干擾。一般干擾終端地理位置越相近，經(jīng)歷的物理信道越相關(guān)時(shí)，IRC效果越好；同時(shí)要控制天線分支間的相關(guān)性不能太高，否則IRC性能也變差。對(duì)于上行鏈路，IRC能提升1～7dB的解調(diào)性能。（2）MIMO技術(shù)將數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)為多個(gè)并行的數(shù)據(jù)流，在指定的帶寬內(nèi)由多個(gè)天線發(fā)射/接收。當(dāng)前LTE網(wǎng)絡(luò)配備上行1×2天線，由于上行受限的特點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)使用上行1×4單發(fā)四收的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)。（3）ICIC（Inter-Cell Interference Coordination）指小區(qū)干擾協(xié)調(diào)，是另一種控制鄰區(qū)間干擾的技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)小區(qū)可用資源的協(xié)調(diào)和限制來(lái)提高鄰區(qū)在這些資源上的信噪比及小區(qū)的邊緣速率，最終實(shí)現(xiàn)提高覆蓋的目的。ICIC技術(shù)分為部分頻率復(fù)用（FFR）和軟頻率復(fù)用（SFR）2種。其中，F(xiàn)FR方案可改善1～5dB的SINR，SFR方案可改善1～3dB的SINR[2]。（4）TTI（Transmission Time Interval）指?jìng)鬏敃r(shí)間間隔，是LTE系統(tǒng)無(wú)線鏈路中一個(gè)獨(dú)立解碼傳輸?shù)拈L(zhǎng)度。TTI Bunding是將幾個(gè)TTI綁定在一起使用，把一個(gè)數(shù)據(jù)包在連續(xù)多個(gè)TTI資源上重復(fù)傳輸，增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴Ｔ摷夹g(shù)可在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和VoIP業(yè)務(wù)上應(yīng)用，目前設(shè)備只開(kāi)啟針對(duì)VoIP業(yè)務(wù)的使用。綁定多個(gè)TTI進(jìn)行上行傳輸，能夠有效提高上行覆蓋范圍，缺點(diǎn)是要犧牲系統(tǒng)資源。研究表明[2]，利用4時(shí)隙綁定可提供上行1～2dB的解調(diào)性能增益，而利用8時(shí)隙可達(dá)到1～3dB的增益。（5）CoMP（Coordinated Multiple Points）協(xié)同多點(diǎn)傳輸，是指地理位置上分離的多個(gè)傳輸點(diǎn)，協(xié)同參與為一個(gè)終端的數(shù)據(jù)傳輸或者聯(lián)合接收一個(gè)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)高負(fù)荷時(shí)，可以與ICIC聯(lián)合使用，此時(shí)ICIC有助于小區(qū)間負(fù)荷均衡。使用CoMP可以帶來(lái)1～2dB的系統(tǒng)增益。（6）利用RRU與天線一體化能降低饋線損耗2～3dB；另外使用高增益天線可提高3～4dB增益。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，靈活組合采用各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)能帶來(lái)不同數(shù)值的增益，仍以上行邊緣速率256kbit/s時(shí)的各參數(shù)為基準(zhǔn)計(jì)算，得到FDD LTE系統(tǒng)采用覆蓋增強(qiáng)技術(shù)前、后與CDMA2000系統(tǒng)室內(nèi)外覆蓋范圍的對(duì)比如圖3。

由圖3可見(jiàn)，通過(guò)12dB增益的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)后，LTE系統(tǒng)的上行覆蓋半徑不管是室內(nèi)還是室外都擴(kuò)大將近一倍；但與CDMA2000的上行覆蓋半徑仍有約一倍的差距。理想地把各項(xiàng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的增益的最大值相加可以達(dá)到24dB，此時(shí)才可能實(shí)現(xiàn)與CDMA2000相近的覆蓋半徑，但實(shí)際上這幾乎不可能達(dá)到。在FDD LTE與CDMA2000共建站的建設(shè)規(guī)劃中，針對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)可以適當(dāng)利用覆蓋增強(qiáng)技術(shù)擴(kuò)大FDD LTE覆蓋范圍；但隨著用戶的增多和網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容需要，連片覆蓋是必然趨勢(shì)，增大LTE的基站規(guī)模也無(wú)法避免。

四、結(jié)論與展望

本文通過(guò)鏈路預(yù)算分析和傳播模型的計(jì)算得到FDD LTE系統(tǒng)和CDMA2000系統(tǒng)的最大路徑損耗及最大覆蓋半徑，介紹了各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，對(duì)比在覆蓋增強(qiáng)技術(shù)前后兩個(gè)系統(tǒng)室內(nèi)外覆蓋范圍變化。在上行鏈路中可采用IRC、ICIC、TTI Bounding、1×4 MIMO天線、CoMP等技術(shù)增強(qiáng)FDD LTE系統(tǒng)在熱點(diǎn)的覆蓋能力。但兩個(gè)系統(tǒng)的覆蓋能力依然差距較大，因此一方面要加強(qiáng)LTE基站的站址儲(chǔ)備；另一方面要加快FDD LTE系統(tǒng)新覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，如2T×4R的天線技術(shù)、多?；?、Cloud Radio干擾擬制、中繼（Relay）等技術(shù)。另外在MIMO技術(shù)特點(diǎn)下多頻段天線、超寬頻高性能天線也是研發(fā)和應(yīng)用的重點(diǎn)。endprint

【摘要】 對(duì)FDD LTE和CDMA2000通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算進(jìn)行分析，得到兩個(gè)系統(tǒng)的最大路徑損耗；并且通過(guò)傳播模型計(jì)算得出其在密集城區(qū)場(chǎng)景下的覆蓋范圍。進(jìn)一步闡述增強(qiáng)FDD LTE覆蓋范圍的各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)；并展望未來(lái)FDD LTE和CDMA2000實(shí)現(xiàn)共覆蓋的方法。

【關(guān)鍵詞】 FDD LTE系統(tǒng) 鏈路預(yù)算 覆蓋對(duì)比 覆蓋增強(qiáng)

一、概述

目前，F(xiàn)DD LTE的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)發(fā)展都領(lǐng)先于TDD LTE，成為世界上最為廣泛采用的4G標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)電信大力支持和建設(shè)FDD LTE模式的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，為了合理節(jié)省建設(shè)成本和提高覆蓋質(zhì)量，常采用FDD LTE與CDMA2000共建站的方式進(jìn)行FDD LTE基站建設(shè)。由于在工作頻率、邊緣速率、鏈路預(yù)算、最大覆蓋半徑等與CDMA2000存在較大差異，引起兩種模式共建站時(shí)共覆蓋的問(wèn)題。

二、鏈路預(yù)算及傳播模型

覆蓋規(guī)劃在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃中是一個(gè)基本環(huán)節(jié)，關(guān)系著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量和建設(shè)成本；其流程示意圖如下。確定覆蓋目標(biāo)的場(chǎng)景和范圍后，首先計(jì)算出允許的最大路徑損耗，然后利用傳播模型得到最大的覆蓋半徑，從而得到覆蓋規(guī)模內(nèi)所需的最少基站數(shù)量，為下一步建設(shè)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。

2.1 鏈路預(yù)算模型及方法

鏈路預(yù)算[1]即是計(jì)算信號(hào)在發(fā)送端和接收端傳播時(shí)所允許的最大路徑損耗（MAPL），該值受發(fā)射端功率、增益、損耗、余量及接收端靈敏度等五大參量的影響；其基本模型如圖1。

通信系統(tǒng)的上行和下行鏈路預(yù)算在原理上相同，基于不同的上下行邊緣速率，部分參數(shù)取值有所調(diào)整；其表達(dá)式為：

其中Pmax為發(fā)射端最大發(fā)射功率；GT、GR、Ghandover分別為發(fā)射端天線增益、接收端天線增益、切換增益；Lcable、Lbody、Lpenetration分別為饋線損耗、人體損耗、穿透損耗； Mshadowfading、Minterference分別為陰影衰落余量和干擾余量；SR為接收端靈敏度。

2.3 傳播模型

最大路徑損耗（MAPL）結(jié)合無(wú)線空間傳播模型即可計(jì)算發(fā)射信號(hào)的最大覆蓋半徑。根據(jù)不同的頻率范圍、天線高度及應(yīng)用環(huán)境（城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村等），常用的傳播模型有Okumura-Hata、COST-231 Hata、CCIR、LEE、COST-231 WI等模型。此處我們選用Okumura-Hata模型對(duì)CDMA2000系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋半徑的計(jì)算，選用COST-231 Hata傳播模型對(duì)LTE系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋半徑的計(jì)算；其計(jì)算公式如下：

其中，f為工作頻率（MHz）；ht為基站有效高度（m）；hr為移動(dòng)終端有效高度（m）；d為基站天線與移動(dòng)終端天線的有效水平距離，約為覆蓋半徑值；α（hr）為接收端天線修正因子；C為應(yīng)用場(chǎng)景的修正因子。對(duì)于2.3GHz及2.6GHz 頻率的LTE網(wǎng)絡(luò)，其工作頻率超過(guò)COST-231 Hata傳播模型的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍（1500MHz～2000MHz），應(yīng)在連續(xù)波測(cè)試（CW測(cè)試）結(jié)果上對(duì)傳播模型校正。

三、FDD LTE和CDMA2000鏈路預(yù)算與覆蓋對(duì)比

由于LTE是上行受限系統(tǒng)，因此采用上行覆蓋對(duì)比進(jìn)行分析。選擇密集市區(qū)作為應(yīng)用場(chǎng)景，取1800MHz FDD LTE、2100MHz FDD LTE、CDMA2000 1X語(yǔ)音及CDMA2000 EVDO數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上行鏈路的邊緣速率分別為256kbit/s、256kbit/s、9.6kbit/s、9.6kbit/s；其工作頻率為1770MHz、1970MHz、835MHz、835MHz；其接收機(jī)靈敏度為-112.1dBm、-112.1dBm、-125.78dBm、-124.2dBm；其接收機(jī)天線增益為18dBi、18dBi、15.7dBi、15.7dBi；其陰影衰落余量為11.7dB、11.7dB、5.4dB、5.4dB；其干擾余量為2dB、2dB、3dB、5.5dB；切換增益為4.5dB、4.5dB、3.7dB、3.7dB；取實(shí)際發(fā)射功率為23dB，發(fā)射天線高度為1.5m、發(fā)射端增益為0dBi、接收端天線高度為30m、穿透損耗為20dB、饋線損耗為3dB、人體損耗為0dB（CDMA2000 1X語(yǔ)音上行鏈路取3dB）。將各系統(tǒng)上行鏈路的各個(gè)參數(shù)代入鏈路預(yù)算模型得到其室內(nèi)外最大路徑損耗值如圖2；代入傳播模型可以計(jì)算得到相應(yīng)的最大室外和室內(nèi)覆蓋半徑如圖3。在上行鏈路，兩個(gè)頻段的LTE室內(nèi)外覆蓋范圍接近，約是CDMA2000 EVDO和CDMA2000 1X語(yǔ)音業(yè)務(wù)覆蓋范圍的1/3?？梢?jiàn)FDD LTE系統(tǒng)和CDMA2000系統(tǒng)的覆蓋范圍存在較大差異，在進(jìn)行兩個(gè)系統(tǒng)共站建設(shè)時(shí)，必須增大FDD LTE系統(tǒng)的覆蓋范圍，達(dá)到減少建設(shè)FDD LTE基站的目的。

針對(duì)FDD LTE系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)可以提高其覆蓋能力[2]。（1）IRC指干擾擬制合并，它利用多天線獲得來(lái)自鄰區(qū)的干擾統(tǒng)計(jì)特性來(lái)降低或消除干擾。一般干擾終端地理位置越相近，經(jīng)歷的物理信道越相關(guān)時(shí)，IRC效果越好；同時(shí)要控制天線分支間的相關(guān)性不能太高，否則IRC性能也變差。對(duì)于上行鏈路，IRC能提升1～7dB的解調(diào)性能。（2）MIMO技術(shù)將數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)為多個(gè)并行的數(shù)據(jù)流，在指定的帶寬內(nèi)由多個(gè)天線發(fā)射/接收。當(dāng)前LTE網(wǎng)絡(luò)配備上行1×2天線，由于上行受限的特點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)使用上行1×4單發(fā)四收的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)。（3）ICIC（Inter-Cell Interference Coordination）指小區(qū)干擾協(xié)調(diào)，是另一種控制鄰區(qū)間干擾的技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)小區(qū)可用資源的協(xié)調(diào)和限制來(lái)提高鄰區(qū)在這些資源上的信噪比及小區(qū)的邊緣速率，最終實(shí)現(xiàn)提高覆蓋的目的。ICIC技術(shù)分為部分頻率復(fù)用（FFR）和軟頻率復(fù)用（SFR）2種。其中，F(xiàn)FR方案可改善1～5dB的SINR，SFR方案可改善1～3dB的SINR[2]。（4）TTI（Transmission Time Interval）指?jìng)鬏敃r(shí)間間隔，是LTE系統(tǒng)無(wú)線鏈路中一個(gè)獨(dú)立解碼傳輸?shù)拈L(zhǎng)度。TTI Bunding是將幾個(gè)TTI綁定在一起使用，把一個(gè)數(shù)據(jù)包在連續(xù)多個(gè)TTI資源上重復(fù)傳輸，增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴Ｔ摷夹g(shù)可在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和VoIP業(yè)務(wù)上應(yīng)用，目前設(shè)備只開(kāi)啟針對(duì)VoIP業(yè)務(wù)的使用。綁定多個(gè)TTI進(jìn)行上行傳輸，能夠有效提高上行覆蓋范圍，缺點(diǎn)是要犧牲系統(tǒng)資源。研究表明[2]，利用4時(shí)隙綁定可提供上行1～2dB的解調(diào)性能增益，而利用8時(shí)隙可達(dá)到1～3dB的增益。（5）CoMP（Coordinated Multiple Points）協(xié)同多點(diǎn)傳輸，是指地理位置上分離的多個(gè)傳輸點(diǎn)，協(xié)同參與為一個(gè)終端的數(shù)據(jù)傳輸或者聯(lián)合接收一個(gè)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)高負(fù)荷時(shí)，可以與ICIC聯(lián)合使用，此時(shí)ICIC有助于小區(qū)間負(fù)荷均衡。使用CoMP可以帶來(lái)1～2dB的系統(tǒng)增益。（6）利用RRU與天線一體化能降低饋線損耗2～3dB；另外使用高增益天線可提高3～4dB增益。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，靈活組合采用各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)能帶來(lái)不同數(shù)值的增益，仍以上行邊緣速率256kbit/s時(shí)的各參數(shù)為基準(zhǔn)計(jì)算，得到FDD LTE系統(tǒng)采用覆蓋增強(qiáng)技術(shù)前、后與CDMA2000系統(tǒng)室內(nèi)外覆蓋范圍的對(duì)比如圖3。

由圖3可見(jiàn)，通過(guò)12dB增益的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)后，LTE系統(tǒng)的上行覆蓋半徑不管是室內(nèi)還是室外都擴(kuò)大將近一倍；但與CDMA2000的上行覆蓋半徑仍有約一倍的差距。理想地把各項(xiàng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的增益的最大值相加可以達(dá)到24dB，此時(shí)才可能實(shí)現(xiàn)與CDMA2000相近的覆蓋半徑，但實(shí)際上這幾乎不可能達(dá)到。在FDD LTE與CDMA2000共建站的建設(shè)規(guī)劃中，針對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)可以適當(dāng)利用覆蓋增強(qiáng)技術(shù)擴(kuò)大FDD LTE覆蓋范圍；但隨著用戶的增多和網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容需要，連片覆蓋是必然趨勢(shì)，增大LTE的基站規(guī)模也無(wú)法避免。

四、結(jié)論與展望

本文通過(guò)鏈路預(yù)算分析和傳播模型的計(jì)算得到FDD LTE系統(tǒng)和CDMA2000系統(tǒng)的最大路徑損耗及最大覆蓋半徑，介紹了各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，對(duì)比在覆蓋增強(qiáng)技術(shù)前后兩個(gè)系統(tǒng)室內(nèi)外覆蓋范圍變化。在上行鏈路中可采用IRC、ICIC、TTI Bounding、1×4 MIMO天線、CoMP等技術(shù)增強(qiáng)FDD LTE系統(tǒng)在熱點(diǎn)的覆蓋能力。但兩個(gè)系統(tǒng)的覆蓋能力依然差距較大，因此一方面要加強(qiáng)LTE基站的站址儲(chǔ)備；另一方面要加快FDD LTE系統(tǒng)新覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，如2T×4R的天線技術(shù)、多?；尽loud Radio干擾擬制、中繼（Relay）等技術(shù)。另外在MIMO技術(shù)特點(diǎn)下多頻段天線、超寬頻高性能天線也是研發(fā)和應(yīng)用的重點(diǎn)。endprint

【摘要】 對(duì)FDD LTE和CDMA2000通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算進(jìn)行分析，得到兩個(gè)系統(tǒng)的最大路徑損耗；并且通過(guò)傳播模型計(jì)算得出其在密集城區(qū)場(chǎng)景下的覆蓋范圍。進(jìn)一步闡述增強(qiáng)FDD LTE覆蓋范圍的各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)；并展望未來(lái)FDD LTE和CDMA2000實(shí)現(xiàn)共覆蓋的方法。

【關(guān)鍵詞】 FDD LTE系統(tǒng) 鏈路預(yù)算 覆蓋對(duì)比 覆蓋增強(qiáng)

一、概述

目前，F(xiàn)DD LTE的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)發(fā)展都領(lǐng)先于TDD LTE，成為世界上最為廣泛采用的4G標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)電信大力支持和建設(shè)FDD LTE模式的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，為了合理節(jié)省建設(shè)成本和提高覆蓋質(zhì)量，常采用FDD LTE與CDMA2000共建站的方式進(jìn)行FDD LTE基站建設(shè)。由于在工作頻率、邊緣速率、鏈路預(yù)算、最大覆蓋半徑等與CDMA2000存在較大差異，引起兩種模式共建站時(shí)共覆蓋的問(wèn)題。

二、鏈路預(yù)算及傳播模型

覆蓋規(guī)劃在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃中是一個(gè)基本環(huán)節(jié)，關(guān)系著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量和建設(shè)成本；其流程示意圖如下。確定覆蓋目標(biāo)的場(chǎng)景和范圍后，首先計(jì)算出允許的最大路徑損耗，然后利用傳播模型得到最大的覆蓋半徑，從而得到覆蓋規(guī)模內(nèi)所需的最少基站數(shù)量，為下一步建設(shè)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。

2.1 鏈路預(yù)算模型及方法

鏈路預(yù)算[1]即是計(jì)算信號(hào)在發(fā)送端和接收端傳播時(shí)所允許的最大路徑損耗（MAPL），該值受發(fā)射端功率、增益、損耗、余量及接收端靈敏度等五大參量的影響；其基本模型如圖1。

通信系統(tǒng)的上行和下行鏈路預(yù)算在原理上相同，基于不同的上下行邊緣速率，部分參數(shù)取值有所調(diào)整；其表達(dá)式為：

其中Pmax為發(fā)射端最大發(fā)射功率；GT、GR、Ghandover分別為發(fā)射端天線增益、接收端天線增益、切換增益；Lcable、Lbody、Lpenetration分別為饋線損耗、人體損耗、穿透損耗； Mshadowfading、Minterference分別為陰影衰落余量和干擾余量；SR為接收端靈敏度。

2.3 傳播模型

最大路徑損耗（MAPL）結(jié)合無(wú)線空間傳播模型即可計(jì)算發(fā)射信號(hào)的最大覆蓋半徑。根據(jù)不同的頻率范圍、天線高度及應(yīng)用環(huán)境（城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村等），常用的傳播模型有Okumura-Hata、COST-231 Hata、CCIR、LEE、COST-231 WI等模型。此處我們選用Okumura-Hata模型對(duì)CDMA2000系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋半徑的計(jì)算，選用COST-231 Hata傳播模型對(duì)LTE系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋半徑的計(jì)算；其計(jì)算公式如下：

其中，f為工作頻率（MHz）；ht為基站有效高度（m）；hr為移動(dòng)終端有效高度（m）；d為基站天線與移動(dòng)終端天線的有效水平距離，約為覆蓋半徑值；α（hr）為接收端天線修正因子；C為應(yīng)用場(chǎng)景的修正因子。對(duì)于2.3GHz及2.6GHz 頻率的LTE網(wǎng)絡(luò)，其工作頻率超過(guò)COST-231 Hata傳播模型的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍（1500MHz～2000MHz），應(yīng)在連續(xù)波測(cè)試（CW測(cè)試）結(jié)果上對(duì)傳播模型校正。

三、FDD LTE和CDMA2000鏈路預(yù)算與覆蓋對(duì)比

由于LTE是上行受限系統(tǒng)，因此采用上行覆蓋對(duì)比進(jìn)行分析。選擇密集市區(qū)作為應(yīng)用場(chǎng)景，取1800MHz FDD LTE、2100MHz FDD LTE、CDMA2000 1X語(yǔ)音及CDMA2000 EVDO數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上行鏈路的邊緣速率分別為256kbit/s、256kbit/s、9.6kbit/s、9.6kbit/s；其工作頻率為1770MHz、1970MHz、835MHz、835MHz；其接收機(jī)靈敏度為-112.1dBm、-112.1dBm、-125.78dBm、-124.2dBm；其接收機(jī)天線增益為18dBi、18dBi、15.7dBi、15.7dBi；其陰影衰落余量為11.7dB、11.7dB、5.4dB、5.4dB；其干擾余量為2dB、2dB、3dB、5.5dB；切換增益為4.5dB、4.5dB、3.7dB、3.7dB；取實(shí)際發(fā)射功率為23dB，發(fā)射天線高度為1.5m、發(fā)射端增益為0dBi、接收端天線高度為30m、穿透損耗為20dB、饋線損耗為3dB、人體損耗為0dB（CDMA2000 1X語(yǔ)音上行鏈路取3dB）。將各系統(tǒng)上行鏈路的各個(gè)參數(shù)代入鏈路預(yù)算模型得到其室內(nèi)外最大路徑損耗值如圖2；代入傳播模型可以計(jì)算得到相應(yīng)的最大室外和室內(nèi)覆蓋半徑如圖3。在上行鏈路，兩個(gè)頻段的LTE室內(nèi)外覆蓋范圍接近，約是CDMA2000 EVDO和CDMA2000 1X語(yǔ)音業(yè)務(wù)覆蓋范圍的1/3。可見(jiàn)FDD LTE系統(tǒng)和CDMA2000系統(tǒng)的覆蓋范圍存在較大差異，在進(jìn)行兩個(gè)系統(tǒng)共站建設(shè)時(shí)，必須增大FDD LTE系統(tǒng)的覆蓋范圍，達(dá)到減少建設(shè)FDD LTE基站的目的。

針對(duì)FDD LTE系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)可以提高其覆蓋能力[2]。（1）IRC指干擾擬制合并，它利用多天線獲得來(lái)自鄰區(qū)的干擾統(tǒng)計(jì)特性來(lái)降低或消除干擾。一般干擾終端地理位置越相近，經(jīng)歷的物理信道越相關(guān)時(shí)，IRC效果越好；同時(shí)要控制天線分支間的相關(guān)性不能太高，否則IRC性能也變差。對(duì)于上行鏈路，IRC能提升1～7dB的解調(diào)性能。（2）MIMO技術(shù)將數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)為多個(gè)并行的數(shù)據(jù)流，在指定的帶寬內(nèi)由多個(gè)天線發(fā)射/接收。當(dāng)前LTE網(wǎng)絡(luò)配備上行1×2天線，由于上行受限的特點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)使用上行1×4單發(fā)四收的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)。（3）ICIC（Inter-Cell Interference Coordination）指小區(qū)干擾協(xié)調(diào)，是另一種控制鄰區(qū)間干擾的技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)小區(qū)可用資源的協(xié)調(diào)和限制來(lái)提高鄰區(qū)在這些資源上的信噪比及小區(qū)的邊緣速率，最終實(shí)現(xiàn)提高覆蓋的目的。ICIC技術(shù)分為部分頻率復(fù)用（FFR）和軟頻率復(fù)用（SFR）2種。其中，F(xiàn)FR方案可改善1～5dB的SINR，SFR方案可改善1～3dB的SINR[2]。（4）TTI（Transmission Time Interval）指?jìng)鬏敃r(shí)間間隔，是LTE系統(tǒng)無(wú)線鏈路中一個(gè)獨(dú)立解碼傳輸?shù)拈L(zhǎng)度。TTI Bunding是將幾個(gè)TTI綁定在一起使用，把一個(gè)數(shù)據(jù)包在連續(xù)多個(gè)TTI資源上重復(fù)傳輸，增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?。該技術(shù)可在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和VoIP業(yè)務(wù)上應(yīng)用，目前設(shè)備只開(kāi)啟針對(duì)VoIP業(yè)務(wù)的使用。綁定多個(gè)TTI進(jìn)行上行傳輸，能夠有效提高上行覆蓋范圍，缺點(diǎn)是要犧牲系統(tǒng)資源。研究表明[2]，利用4時(shí)隙綁定可提供上行1～2dB的解調(diào)性能增益，而利用8時(shí)隙可達(dá)到1～3dB的增益。（5）CoMP（Coordinated Multiple Points）協(xié)同多點(diǎn)傳輸，是指地理位置上分離的多個(gè)傳輸點(diǎn)，協(xié)同參與為一個(gè)終端的數(shù)據(jù)傳輸或者聯(lián)合接收一個(gè)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)高負(fù)荷時(shí)，可以與ICIC聯(lián)合使用，此時(shí)ICIC有助于小區(qū)間負(fù)荷均衡。使用CoMP可以帶來(lái)1～2dB的系統(tǒng)增益。（6）利用RRU與天線一體化能降低饋線損耗2～3dB；另外使用高增益天線可提高3～4dB增益。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，靈活組合采用各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)能帶來(lái)不同數(shù)值的增益，仍以上行邊緣速率256kbit/s時(shí)的各參數(shù)為基準(zhǔn)計(jì)算，得到FDD LTE系統(tǒng)采用覆蓋增強(qiáng)技術(shù)前、后與CDMA2000系統(tǒng)室內(nèi)外覆蓋范圍的對(duì)比如圖3。

由圖3可見(jiàn)，通過(guò)12dB增益的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)后，LTE系統(tǒng)的上行覆蓋半徑不管是室內(nèi)還是室外都擴(kuò)大將近一倍；但與CDMA2000的上行覆蓋半徑仍有約一倍的差距。理想地把各項(xiàng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的增益的最大值相加可以達(dá)到24dB，此時(shí)才可能實(shí)現(xiàn)與CDMA2000相近的覆蓋半徑，但實(shí)際上這幾乎不可能達(dá)到。在FDD LTE與CDMA2000共建站的建設(shè)規(guī)劃中，針對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)可以適當(dāng)利用覆蓋增強(qiáng)技術(shù)擴(kuò)大FDD LTE覆蓋范圍；但隨著用戶的增多和網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容需要，連片覆蓋是必然趨勢(shì)，增大LTE的基站規(guī)模也無(wú)法避免。

四、結(jié)論與展望

本文通過(guò)鏈路預(yù)算分析和傳播模型的計(jì)算得到FDD LTE系統(tǒng)和CDMA2000系統(tǒng)的最大路徑損耗及最大覆蓋半徑，介紹了各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，對(duì)比在覆蓋增強(qiáng)技術(shù)前后兩個(gè)系統(tǒng)室內(nèi)外覆蓋范圍變化。在上行鏈路中可采用IRC、ICIC、TTI Bounding、1×4 MIMO天線、CoMP等技術(shù)增強(qiáng)FDD LTE系統(tǒng)在熱點(diǎn)的覆蓋能力。但兩個(gè)系統(tǒng)的覆蓋能力依然差距較大，因此一方面要加強(qiáng)LTE基站的站址儲(chǔ)備；另一方面要加快FDD LTE系統(tǒng)新覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，如2T×4R的天線技術(shù)、多?；?、Cloud Radio干擾擬制、中繼（Relay）等技術(shù)。另外在MIMO技術(shù)特點(diǎn)下多頻段天線、超寬頻高性能天線也是研發(fā)和應(yīng)用的重點(diǎn)。endprint