藍(lán)俊鋒，牛沖麗，余國(guó)輝

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近海TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化方法與應(yīng)用

藍(lán)俊鋒，牛沖麗，余國(guó)輝

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630）

海域數(shù)據(jù)通信需求隨著沿海漁業(yè)、海上旅游業(yè)發(fā)展變得日益迫切。對(duì)近海覆蓋的業(yè)務(wù)特點(diǎn)、覆蓋規(guī)劃難點(diǎn)、覆蓋優(yōu)化技術(shù)與方法以及實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析研究，提出綜合采用TD-LTE系統(tǒng)特殊參數(shù)配置、優(yōu)化海面無(wú)線傳播鏈路預(yù)算、優(yōu)化海面覆蓋基站站址規(guī)劃以及覆蓋增強(qiáng)等技術(shù)。提出的優(yōu)化方法在上川島和下川島進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化方法的實(shí)施，明顯提高了網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和通信服務(wù)質(zhì)量。

近海無(wú)線覆蓋；TD-LTE；鏈路預(yù)算；覆蓋增強(qiáng)

1 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷擴(kuò)大深入，沿海漁業(yè)、海上旅游業(yè)也迅速壯大，海域數(shù)據(jù)通信需求日益增多。海面存在輪渡、旅游、水上比賽項(xiàng)目、海面搜救、漁政、海巡、緝私等無(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求。本文對(duì)近海覆蓋的業(yè)務(wù)特點(diǎn)、覆蓋規(guī)劃難點(diǎn)、覆蓋優(yōu)化技術(shù)與方法以及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析研究。

海面覆蓋場(chǎng)景包括近海區(qū)域和遠(yuǎn)海區(qū)域[1]。近海區(qū)域是指距離海岸30 km以內(nèi)的海面區(qū)域，平行于海岸線的近海覆蓋是最常見(jiàn)的一種覆蓋場(chǎng)景。近海區(qū)域的用戶以漁民和貨輪工作人員為主，其次為海上作業(yè)人員（從事海上集裝箱貨運(yùn)、近海海水養(yǎng)殖等）以及客輪旅客。遠(yuǎn)海區(qū)域主要是指距離海岸30 km以外、80 km以內(nèi)的海面區(qū)域，垂直于海岸線的遠(yuǎn)海廣域覆蓋是另外一種常見(jiàn)的海面覆蓋場(chǎng)景。遠(yuǎn)海區(qū)域內(nèi)的用戶群以海中正在作業(yè)的漁民和國(guó)際航運(yùn)旅客為主，另外還包括遠(yuǎn)海海域內(nèi)一些島嶼上的居民。

近海覆蓋特點(diǎn)是地形簡(jiǎn)單、區(qū)域遼闊平坦、無(wú)線傳播環(huán)境較好；業(yè)務(wù)特點(diǎn)是人口分布分散、用戶密度低、ARPU值較低、基站周圍話務(wù)量無(wú)明顯變化、熱點(diǎn)地區(qū)不明顯、對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量要求不高、信號(hào)傳播以視距為主。

2 近海TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃難點(diǎn)

近海網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋范圍取決于多種因素[2]，如基站發(fā)射功率、終端發(fā)射功率、綜合路徑損耗（包括空間傳播損耗、天線增益、饋線損耗、衰落余量）、基站接收靈敏度、終端接收靈敏度等，同時(shí)與無(wú)線傳播環(huán)境（如地理環(huán)境、基站布局）有著密切的關(guān)系。近海網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃的難點(diǎn)在于以下幾點(diǎn)。

（1）海上信道特征復(fù)雜不穩(wěn)定

導(dǎo)致海面LTE信號(hào)的覆蓋質(zhì)量性能指標(biāo)比較難保證。多徑效應(yīng)、“乒乓”效應(yīng)等會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)覆蓋的區(qū)域SINR值變差，下行、上行速率不穩(wěn)定。海面無(wú)線信號(hào)傳輸會(huì)出現(xiàn)慢衰落等現(xiàn)象，信號(hào)穩(wěn)定性也會(huì)降低。另外，還有地球曲率和海浪、船只遮擋等問(wèn)題的影響。綜合來(lái)說(shuō)是電波在傳播過(guò)程中所產(chǎn)生的反射效應(yīng)、大氣中水蒸氣和氧氣對(duì)電波的損耗及船只的電波消耗。這些問(wèn)題在進(jìn)行鏈路預(yù)算時(shí)都必須考慮。

（2）海岸線地貌、島嶼與航線的因素

海岸線的地形對(duì)基站的布局有較大影響，同時(shí)海岸線地形是隨著時(shí)間不斷發(fā)生變化的。由于船只是近海領(lǐng)域中運(yùn)行的主體，航道線路對(duì)于基站的布局也起著至關(guān)重要的作用，航線距離過(guò)遠(yuǎn)，基站覆蓋難度較大。島嶼是除海岸之外布局基站最多的地方，島嶼的位置給基站的布局造成很大的限制。以上均為近海水域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的特殊性體現(xiàn)。

3 近海TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃優(yōu)化技術(shù)與方法

對(duì)于近海TD-LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃覆蓋的難點(diǎn)，相對(duì)應(yīng)的具體解決措施有：TD-LTE系統(tǒng)特殊參數(shù)配置；海面無(wú)線傳播信道模型分析及鏈路預(yù)算；海面覆蓋的基站站址規(guī)劃；頻段、天線選擇及覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的使用。

3.1 TD-LTE系統(tǒng)特殊參數(shù)配置

（1）循環(huán)前綴配置

TD-LTE系統(tǒng)為消除多徑時(shí)延，在每個(gè)OFDM符號(hào)之前加入循環(huán)前綴（CP）。CP長(zhǎng)度大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，即可消除多徑帶來(lái)的符號(hào)間干擾（ISI）。CP的類型、特點(diǎn)見(jiàn)表1。

（2）保護(hù)間隔配置

由TD-LTE無(wú)線幀結(jié)構(gòu)可知[3]，DwPTS、保護(hù)間隔（GP）和UpPTS 3個(gè)特殊時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)TD-LTE特殊子幀，三者總長(zhǎng)度保持1 ms不變。TD-LTE系統(tǒng)是依靠時(shí)間上的間隔完成雙工轉(zhuǎn)換的，GP即為規(guī)避干擾而預(yù)留的保護(hù)間隔，GP的大小與系統(tǒng)覆蓋距離有關(guān)，GP越大覆蓋距離也越大，同時(shí)DwPTS越小，系統(tǒng)容量下降。

表1 CP的類型、特點(diǎn)

由于GP=2×傳輸時(shí)延+轉(zhuǎn)換時(shí)延，故最大覆蓋距離=傳輸時(shí)延×c=（GP-轉(zhuǎn)換時(shí)延）×c/2。其中，c為光速，轉(zhuǎn)換時(shí)延為UE從下行接收到上行發(fā)送的轉(zhuǎn)換時(shí)間，其典型值是10~40 μs，此處假定為20 μs。不同的特殊子幀配置對(duì)應(yīng)不同的TD-LTE覆蓋距離，具體見(jiàn)表2。

（3）隨機(jī)接入突發(fā)信號(hào)格式

在TS26.211[4]中定義了5種隨機(jī)接入突發(fā)信號(hào)格式。物理層隨機(jī)接入突發(fā)信號(hào)由3部分組成：CP、前導(dǎo)序列和GT保護(hù)時(shí)間。由于接入時(shí)隙需要克服上行鏈路的傳播時(shí)延以及用戶上行鏈路帶來(lái)的干擾，因此需要在時(shí)隙設(shè)計(jì)需預(yù)留足夠的保護(hù)時(shí)間（GT）。GT長(zhǎng)度決定了能夠支持的接入半徑，因?yàn)轭A(yù)留的GT需要支持傳輸距離為小區(qū)半徑的兩倍，以保證小區(qū)邊緣的用戶獲得下行同步后，能夠有足夠多的時(shí)間提前發(fā)送。隨機(jī)接入前導(dǎo)信號(hào)格式和覆蓋距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3。

3.2 海面無(wú)線傳播信道分析及鏈路預(yù)算

無(wú)線電波在海面?zhèn)鞑r(shí)，收發(fā)端在可視距離以內(nèi)，接收端接收到的信號(hào)包括直達(dá)波和經(jīng)海面反射的反射波。在計(jì)算海面電波傳播損耗的時(shí)候應(yīng)該分別考慮直射路徑和反射路徑的信號(hào)損耗（PL1），同時(shí)也不能忽略大氣吸收損耗（PL2）這一因素，最后需要加上電波穿透船體的損耗（PL3）。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]可得到自由空間的傳播損耗PL0為：

其中，是載波的工作頻率，是收發(fā)天線之間的距離。根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]可得到PL1、PL2：

借鑒大連進(jìn)行的海上移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)[7]，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可得：

綜上可知近海領(lǐng)域通信的路徑損耗的總計(jì)算式為：