李 雪，徐益華，黃 彬

(1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070;2.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司,北京 100860)

1 概述

目前，中國(guó)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)正面臨著向下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的演進(jìn)。LTE-R系統(tǒng)以LTE技術(shù)為基礎(chǔ)，并增加適應(yīng)于鐵路的特殊功能，能提升小區(qū)吞吐量和降低系統(tǒng)時(shí)延，適應(yīng)鐵路移動(dòng)寬帶通信業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，是鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的可選技術(shù)。LTE-R作為全新的網(wǎng)絡(luò)，在大規(guī)模建設(shè)時(shí)，最基本的考量是基于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求的網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果和建設(shè)成本，因此覆蓋設(shè)計(jì)是網(wǎng)絡(luò)部署過(guò)程中既關(guān)鍵又復(fù)雜的問(wèn)題。鏈路預(yù)算是無(wú)線覆蓋設(shè)計(jì)的前提，可以初步測(cè)算小區(qū)半徑和站址分布，鏈路預(yù)算的準(zhǔn)確性關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量和建設(shè)成本。

2 LTE-R無(wú)線覆蓋設(shè)計(jì)方法

LTE-R采用了正交頻分復(fù)用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）以及高階調(diào)制編碼方式等技術(shù)提高頻譜利用率，使網(wǎng)絡(luò)容量得以提升。LTE-R因其使用專用頻段，頻譜資源有限，只能采用同頻組網(wǎng)，自干擾嚴(yán)重。站址越密，容量越大，但干擾也隨之增強(qiáng)，容量和干擾是相互關(guān)聯(lián)、相互矛盾的。因此，其無(wú)線覆蓋設(shè)計(jì)方法與GSM-R系統(tǒng)有所不同。LTE-R鏈路預(yù)算的關(guān)鍵在于需求分析，即邊緣速率的選取。LTE-R與GSM-R無(wú)線覆蓋規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)比如圖1所示。

圖1 LTE-R與GSM-R無(wú)線覆蓋規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)比圖Fig.1 Comparison of LTE-R and GSM-R wireless coverage planning and design

3 LTE-R鏈路預(yù)算

鏈路預(yù)算是通信系統(tǒng)用來(lái)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)覆蓋的主要手段，通過(guò)對(duì)搜集到的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的設(shè)備參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)及各種余量進(jìn)行處理，得到滿足系統(tǒng)性能要求時(shí)允許的最大允許路徑損耗。鏈路預(yù)算是對(duì)一條通信鏈路上的各種損耗和增益的核算，利用鏈路預(yù)算得出的最大路徑損耗和相應(yīng)的傳播模型可以計(jì)算出特定區(qū)域下的覆蓋半徑，從而初步估算出網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。LTE-R鏈路預(yù)算分為上行鏈路預(yù)算和下行鏈路預(yù)算，兩者在計(jì)算原理上一致。

計(jì)算用戶設(shè)備UE和eNodeB天線之間的最大允許路徑損耗是鏈路預(yù)算最關(guān)鍵的步驟，其計(jì)算方法如下：

MAPL =發(fā)射端EIRP-最小接收信號(hào)電平-保護(hù)余量

LTE-R的可能頻段為452.5 ～457.5 MHz，462.5 ～467.5 MHz。本 文 以450 MHz頻 段，2×5 MHz系統(tǒng)帶寬為例進(jìn)行分析。基站天線2T2R，終端天線1T2R。

3.1 發(fā)射EIRP

EIRP=發(fā)射端發(fā)射功率-饋線及接頭損耗+發(fā)射天線增益

發(fā)射端發(fā)射功率：LTE-R下行基站發(fā)射功率平均分配給所有 RB，分配的RB數(shù)越多覆蓋距離越遠(yuǎn)，根據(jù)用戶對(duì)頻率資源的占用情況計(jì)算最大發(fā)射功率?；締瓮ǖ?0 W發(fā)射功率，基站總發(fā)射功率計(jì)算公式為10×lg（20×1 000），約為43 dBm，5 M系統(tǒng)帶寬共計(jì)25個(gè)RB，子載波發(fā)射功率計(jì)算公式為10×lg（20/25/12×1 000），約為18.23 dBm；LTE-R上行終端功率完全分配給用戶使用，無(wú)論終端占用頻率資源多與少，終端都是滿功率發(fā)射，終端發(fā)射功率200 mW，終端總發(fā)射功率計(jì)算公式為10×lg（200），約為23 dBm。

接頭和饋線損耗：主要包括功分器、饋線、接頭、合路器等插入損耗。鐵路呈線性覆蓋，一個(gè)小區(qū)覆蓋鐵路沿線的上、下行兩個(gè)方向，LTE-R基站側(cè)2T2R，終端側(cè)1T2R，基站有2個(gè)天線端口用于收發(fā)，天線采用雙極化天線時(shí)，基站與天線之間需要增加功分器，考慮3 dB的功分器損耗。饋線損耗與饋線長(zhǎng)度有關(guān)，7/8英寸饋線在450 M頻段的損耗2.44 dB/100 m。因此下行側(cè)接頭和饋線損耗可按照6 dB計(jì)算。上行側(cè)手持終端的天線內(nèi)置，車載終端天線與模塊距離很近，可取0 dB。

3.2 最小接收信號(hào)電平

最小接收信號(hào)電平=接收機(jī)靈敏度-接收天線增益+接頭及饋線損耗

接收機(jī)靈敏度=熱噪聲電平+噪聲系數(shù)+解調(diào)門限

熱噪聲電平稱為接收機(jī)底噪，是接收機(jī)噪聲的基本參數(shù)，與帶寬有關(guān)。

下行帶寬應(yīng)為分配給終端的下行RB頻率帶寬。上行帶寬應(yīng)為全部的信道帶寬。對(duì)于GSM-R網(wǎng)絡(luò)，上、下行帶寬200 kHz。對(duì)于LTE-R網(wǎng)絡(luò)，資源的分配與容量有關(guān)，是動(dòng)態(tài)調(diào)整的。

噪聲系數(shù)是與設(shè)備硬件相關(guān)，不同廠家設(shè)備此參數(shù)值不同，但大致差別不大。下行終端接收噪聲系數(shù)一般取7 dB，上行基站接收噪聲系數(shù)一般取3 dB。

解調(diào)門限與分配的RB數(shù)、調(diào)制方式、碼率、信道模型、誤碼率、多天線方式、調(diào)度算法等因素相關(guān)，由鏈路仿真或外場(chǎng)測(cè)試得出，不同廠家此參數(shù)值不同。

3.3 設(shè)計(jì)余量

無(wú)線覆蓋設(shè)計(jì)鏈路預(yù)算設(shè)計(jì)余量可參考GSM-R系統(tǒng)，宜考慮下列保護(hù)余量：陰影衰落余量、多徑衰落保護(hù)、電力牽引供電干擾保護(hù)、環(huán)境干擾保護(hù)、工程預(yù)留保護(hù)、其他設(shè)計(jì)余量。

陰影衰落余量：指中值電平與95%時(shí)間地點(diǎn)概率條件下接收電平之間的差值。其服從正態(tài)分布，可以用 EXCEL中的正態(tài)分布函數(shù)來(lái)計(jì)算，等于NORM.S.INV（邊緣覆蓋比例)×陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)方差，密集市區(qū)、郊區(qū)和開闊地的標(biāo)準(zhǔn)方差分別為8 dB、7 dB、6 dB，陰影衰落余量取8.7 dB、7.2 dB、5.9 dB。

多徑衰落保護(hù)：是指由多徑傳播引起的衰落保護(hù)，取3 dB。

電力牽引供電干擾保護(hù)：指電力牽引供電鐵路在通信線路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓、機(jī)車受電弓與接觸網(wǎng)之間摩擦出現(xiàn)的打火等帶來(lái)的電磁干擾保護(hù)，取3 dB。

環(huán)境干擾保護(hù)：指公眾移動(dòng)通信網(wǎng)對(duì)GSM-R系統(tǒng)的干擾，該值的選取應(yīng)充分考慮所處地理位置的差異性。根據(jù)無(wú)線電磁環(huán)境調(diào)查和檢測(cè)結(jié)果，合理確定環(huán)境干擾保護(hù)，取3 dB。

工程預(yù)留保護(hù)：指施工質(zhì)量引起的保護(hù)余量，如電纜彎曲或接頭工藝質(zhì)量引起的額外損耗，取3 dB。

3.4 業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算示例

在確定了以上各關(guān)鍵參數(shù)后，可以按照業(yè)務(wù)速率的需求完成鏈路預(yù)算，下面是下行業(yè)務(wù)信道速率為2 520 kbit/s，上行業(yè)務(wù)信道速率為1 260 kbit/s時(shí)的上下行業(yè)務(wù)信道PDSCH和PUSCH的鏈路預(yù)算示例。示例如表1所示。

表1 鏈路預(yù)算示例Tab.1 Link budget example

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要論述了LTE-R系統(tǒng)在450 MHz頻段上的鏈路預(yù)算方法及關(guān)鍵參數(shù)取值，并闡述了如何基于鏈路預(yù)算得到的MAPL來(lái)估算小區(qū)覆蓋半徑和站間距，在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中仍需關(guān)注幾個(gè)問(wèn)題：

1） 需結(jié)合本網(wǎng)實(shí)際的業(yè)務(wù)需求確定小區(qū)的邊緣速率；

2） 在鏈路預(yù)算中 SINR、RB數(shù)量分配及MCS編碼效率等參數(shù)直接影響解調(diào)門限。同樣的參數(shù)取值，不同廠家設(shè)備能力不同，此解調(diào)門限值也不同，需通過(guò)鏈路仿真或外場(chǎng)測(cè)試確定；

3） 在進(jìn)行覆蓋估算時(shí)，需結(jié)合實(shí)際環(huán)境對(duì)Hata-Okumura傳播模型進(jìn)行校正。