張嬋 付楠楠 張松軼
摘要:為了解決TD-LTE專網(wǎng)通信系統(tǒng)實地部署過程中耗費的高人力、高物力和高財力問題,設(shè)計完成了專網(wǎng)系統(tǒng)多場景鏈路預(yù)算軟件。軟件以鏈路預(yù)算流程為基礎(chǔ),依托Okumura-Hata模型、Cost231-Hata模型、海面無線傳播模型、漏纜模型和Keenan-Motley室內(nèi)模型,實現(xiàn)了陸地場景、海面場景、地鐵場景、室內(nèi)場景的全覆蓋。用戶借助該軟件能夠準確計算網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,進而評估無線網(wǎng)絡(luò)的的覆蓋性能,指導(dǎo)基站的建設(shè),為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃奠定重要基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:鏈路預(yù)算;Okumura-Hata模型;Cost231-Hata模型;海面無線傳播模型;漏纜模型
中圖分類號:TP391.4文獻標志碼:A文章編號:1008-1739(2021)06-56-4
0引言
伴隨無線高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展,專網(wǎng)通信系統(tǒng)對帶寬及速率的需求也不斷增加[1]。目前TD-LTE技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)用戶業(yè)務(wù)需求建網(wǎng)的標配,應(yīng)用十分廣泛。雖然基于TD-LTE技術(shù)的組網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)比較成熟,但如何更有效降低前期成本和指導(dǎo)基站數(shù)量與站址分布還存在很多問題,方便快捷、精準可靠的鏈路預(yù)算作為專網(wǎng)系統(tǒng)部署規(guī)劃中不可或缺的一環(huán)[2-3],已成為當前專網(wǎng)通信規(guī)劃中的重中之重[4]。
TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場景鏈路預(yù)算軟件面向垂直行業(yè)用戶場景,旨在建立一個能夠獲取LTE專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的平臺。通過該平臺軟件的詳細測算,能夠準確計算無線信號的覆蓋范圍,從而評估當前組網(wǎng)方案設(shè)計的覆蓋效果,為用戶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的選址和無線資源規(guī)劃提供重要保障。
基于行業(yè)應(yīng)用場景研究統(tǒng)計,TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)的部署實施需求主要集中在陸地場景、海面場景、地鐵場景、室內(nèi)場景等幾個方面。TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場景鏈路預(yù)算軟件能夠覆蓋上述場景的需求,并且操作簡便,結(jié)果清晰,無需安裝。
1總體設(shè)計
軟件的整體框架是基于戴爾小型服務(wù)器搭建TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)鏈路仿真平臺和多場景信道仿真平臺,修正陸地場景、海面場景、地鐵場景、室內(nèi)場景的傳統(tǒng)無線損耗模型,最后利用PyCharm和PythonQt工具,使用Python語言完成軟件界面的整體呈現(xiàn)。
1.1 TD-LTE專網(wǎng)鏈路預(yù)算流程
鏈路預(yù)算是對信號收發(fā)傳輸過程中各種影響因素進行考察與分析后,估算無線覆蓋能力,獲得保證一定信號質(zhì)量下鏈路所允許的最大傳播損耗,并根據(jù)合適的傳播模型得到小區(qū)的覆蓋范圍[5]。鏈路預(yù)算不僅和網(wǎng)絡(luò)的覆蓋相關(guān),與網(wǎng)絡(luò)的容量和質(zhì)量也息息相關(guān),無線覆蓋分析估算能夠指導(dǎo)基站數(shù)量和站址的分布,無線分析覆蓋估算方法[6]如圖1所示。
TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)鏈路預(yù)算流程[5]詳細說明如下:
①根據(jù)用戶需求確定邊緣速率;
②根據(jù)上下行子幀配比和特殊子幀配比確定用戶傳輸塊大小;
③根據(jù)②中得到的值和不同MCS,PRB下的SINR解調(diào)門限表來確定滿足當前用戶速率需求所需要的PRB,MCS,SINR解調(diào)門限值,并確定接收機靈敏度;
④根據(jù)使用場景確定適用的信道模型;
⑤根據(jù)使用場景的信道環(huán)境和部署條件確定通信鏈路中的所有損耗、增益和余量參數(shù)值;
⑥根據(jù)式(1)、步驟③和⑤確定信號傳輸過程中允許的最大路徑損耗值MAPL;
⑦根據(jù)步驟④和⑥確定小區(qū)的最大覆蓋范圍。
步驟③作為TD-LTE專網(wǎng)鏈路軟件的核心,SINR所使用的解調(diào)門限是由TD-LTE專網(wǎng)鏈路級仿真獲得的,內(nèi)容的確定需要平臺遍歷所有MCS和所有PRB下的仿真結(jié)果。
在一定誤碼率BLER的前提下(通常業(yè)務(wù)信道目標誤碼率為10%,控制信道目標誤碼率為1%),只有接收機的信噪比大于等于步驟③中計算的SINR解調(diào)門限時,接收機才能正確解調(diào)接收到的信號[7]。
1.2信道模型的選取
本文主要基于陸地場景、海面場景、地鐵場景和室內(nèi)場景進行建模分析。
1.2.1陸地場景
陸地場景主要基于Okumura-Hata模型和Cost231-Hata模型[8]進行優(yōu)化修正。
(1)Okumura-Hata模型
假設(shè)條件:傳播損耗處理以2個全向天線間交互為基準,地形視作準平滑地形處理,以市區(qū)路徑傳播損耗為基準,在此基礎(chǔ)上對其他地區(qū)進行修正。
適用條件
工作頻率:150~1 500 MHz;作用距離,1~35 km;基站天線高度:30~200 m,移動臺天線高度:1~10 m。
(2)Cost231-Hata模型
Cost231-Hata模型以O(shè)kumura-Hata模型為基礎(chǔ),利用一些修正項使頻率覆蓋范圍得到擴展。
適用條件
工作頻率:1 500~2 000 MHz,基站天線有效高度:30~200 m,移動臺天線高度:1~10 m,通信距離:1~20 km。
1.2.2海面場景
海面模型主要基于文獻[5]中模型進行修正與優(yōu)化。通常在沿海高處選擇基站站址,其無線傳播近似于自由空間的傳播,信號可以傳播到很遠的海面上。由于傳輸距離較遠,地球不能再視作平面,此時地球曲率將對無線電波的傳播產(chǎn)生影響。無線電波在海面?zhèn)鞑r,在可視距離內(nèi),傳播路徑主要是空氣傳播的直達波和海面的反射波。而在可視距離外,則需要考慮地球球面形成的遮擋造成的繞射損耗。
假設(shè)條件[5]:相對于海面,基站高度較高,基站與終端之間無障礙物,主要獲取天線主瓣方向的輻射信號。
適用條件:工作頻率為300~3 000 MHz,無遮擋海面覆蓋場景。
1.2.3地鐵場景
地鐵中無線信號主要借助漏泄同軸電纜(漏纜),通過電磁波在電纜中縱向傳輸?shù)耐瑫r利用槽孔向外界輻射電磁波完成覆蓋。漏纜損耗模型中,無線信號從發(fā)射機到接收機會歷經(jīng)傳輸損耗、耦合損耗、寬度因子損耗、車體損耗、人體損耗,傳輸模型比較簡單,其中耦合損耗是在95%可通率前提下確定的[9]。
1.2.4室內(nèi)場景
室內(nèi)場景選取Keenan-Motley室內(nèi)模型[10],影響室內(nèi)傳播的因素主要是建筑物的布局、建筑材料和建筑類型等。室內(nèi)場景具有2個顯著特點:室內(nèi)面積相對較小,需要無線信號覆蓋的范圍??;室內(nèi)傳播環(huán)境受無線設(shè)備的部署位置影響較大,因此建模時需要確認站點的地理位置、建筑樓宇高度、層數(shù)、建筑總面積、需要覆蓋區(qū)域面積等參數(shù),并根據(jù)這些因素來修正傳播影響因子,使無線信號的覆蓋仿真更加趨向真實環(huán)境的應(yīng)用。
1.3軟件設(shè)計
TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場景鏈路預(yù)算軟件在3GPP TD-LTE技術(shù)標準的基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā),能夠覆蓋上述所有場景需求,既可單獨獲取TD-LTE上行、下行的覆蓋范圍,也可獲取上下行同時傳輸時的覆蓋范圍。
使用PythonQt工具進行軟件界面布局,將4個模型共用參數(shù)放置到公共區(qū)域,各個模型私有參數(shù)下放到模型選項內(nèi)部。界面布局完成之后,使用Python語言對各個模型進行建模,完成邊緣用戶的速率、TB size、PRB、MCS和SINR解調(diào)門限表等參數(shù)之間的邏輯關(guān)系設(shè)計。使用時通過界面輸入?yún)?shù)的選擇確定,即可得到當前配置下的最大覆蓋距離,并將當前場景下的基本配置及計算結(jié)果通過Excel表格形式輸出。
使用PythonCharm將后綴為.py的軟件轉(zhuǎn)換成.exe格式,Windows平臺免安裝、通用性強,方便使用者直接進行基站覆蓋范圍計算。
2設(shè)計成果
TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場景鏈路預(yù)算軟件示意圖如圖3所示。
本軟件集陸地傳播模型(Okumura-Hata模型、Cost231-Hata模型)、海面模型、漏纜模型、室內(nèi)模型為一體,同時支持密集城區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村、開闊地等地理類型,適用于陸地場景、海面場景、無人機場景、地鐵場景以及室內(nèi)等不同場景,充分滿足TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多行業(yè)的陸、海、空多場景覆蓋需求。同時本軟件基于3GPP TD-LTE技術(shù)標準,充分考慮多種技術(shù)場景需求(不同帶寬、上下行子幀配比、特殊子幀配比、終端類型、發(fā)射功率、基站天線個數(shù)、頻率等),設(shè)計3種輸出模式(單上行、單下行、上下行同時),可支持EPA步行者信道模型、EVA車輛信道模型、ETU典型城市信道模型無線信道模型。鏈路預(yù)算結(jié)果以Excel表格呈現(xiàn),關(guān)鍵輸入?yún)?shù)、發(fā)射端參數(shù)、接收端參數(shù),以及計算路徑損耗結(jié)果均完整給出。表格名稱、表格存放路徑也在界面給出,可以靈活對比不同配置時的覆蓋差距,從而進一步調(diào)整布站策略。
鏈路預(yù)算結(jié)果輸出示意圖如圖4所示,以陸地信道模型為例,工作頻率為1 500 MHz時,適用的信道模型為Okumura-Hata模型,邊緣速率需求為2 000 kb/s,根據(jù)實際場景選取帶寬20 MHz,上下行子幀配比0,特殊子幀配比5,EPA步行者信道模型,郊區(qū),基站天線高度30 m,UE天線高度1.5 m,基站發(fā)射功率46 dBm,終端選擇手持臺功率23 dBm,增益和損耗選擇常用默認值,選取計算上下行同時傳輸測試結(jié)果,表中分別給出了上行與下行的鏈路損耗及覆蓋距離,軟件界面中會選取較小的覆蓋距離作為最終的結(jié)果輸出。
3結(jié)束語
TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)多場景鏈路預(yù)算軟件基于自研的鏈路仿真模型得到充分的理論數(shù)據(jù),填補了公司TD-LTE專網(wǎng)系統(tǒng)鏈路預(yù)算的空白,大大節(jié)省公司網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署的網(wǎng)規(guī)和網(wǎng)優(yōu)成本。
本軟件無需安裝、操作簡便、輸出結(jié)果清晰,使用者能夠方便、快捷、準確地獲取到不同應(yīng)用類型的LTE專網(wǎng)無線覆蓋距離,為用戶提供了一套完整高效的TD-LTE鏈路覆蓋系統(tǒng),充分滿足用戶不同場景的覆蓋需求。
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