TD-LTE室内分布系统场强设计

杨雪枫

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 概述

移动通信正随着数据业务的高速发展进入一个新的阶段，中国移动也不断面临着新的挑战，业务需求层面展现出宽带化、智能化、个性化等需求特点，技术体制层面2G、3G、TD-LTE、WLAN及其演进等多系统共存带来的协调发展要求，运营竞争层面在国内面临另外两家运营商的竞争引起的保持核心竞争力和差异化服务的挑战，这些问题都要求网络建设必须具有更快的速度、更高的质量、更低的成本。

根据室内分布系统建设的特点，TD-LTE覆盖设计要综合考虑多方面的因素，包括：

（1）TD-LTE室内分布系统自身网络需求。包括参考信号强度（RSRP）与各业务信道的解调门限需求、参考信号与各业务信道之间的平衡关系、上下行信道的平衡关系等内容。

（2）室内外小区间的协同关系。室内分布系统的场强设计应考虑到与室外宏蜂窝系统间的协同关系，即保证合理的小区选择/重选、小区切换关系。

（3）基于已有网络的改造需求。TD-LTE网络的建设是基于已有系统的，因此其覆盖场强要求应该建立在已有系统基础上通过尽可能小的改造方式实现,即在保证网络性能基础上的可实施性。

（4）电磁辐射标准限制。室内覆盖系统的电磁辐射标准要求满足《GB8702-88 电磁辐射防护规定》和《GB9175-88 环境电磁波卫生标准》的要求。

2 覆盖场强分析

2.1 TD-LTE室内分布系统自身网络需求

TD-LTE承载数据业务的特征决定了所谓的覆盖场强要求是基于一定的业务覆盖速率要求的，而业务覆盖速率与覆盖场强、干扰强度、资源分配与调度策略等均有直接的关系。

2.1.1 链路预算

在假定每个RB功率平均分配的前提下，基本条件：

（1）系统总带宽20 MHz，100 RB。

（2）系统支持并发用户数10，单用户10 RB。

（3）基站单通道发射功率43 dBm。

（4）终端最大发射功率23 dBm。

通过对照PDSCH信道SINR与数据速率的对应表格及其它信道的解调信噪比要求可以得到链路预算如表1所示。

从表1中可以看到，当仅考虑各信道解调要求时，为满足PDSCH下行10用户时边缘用户1 Mbit/s的速率，受限的最大允许路径损耗约128.6 dB。如果需要满足PDSCH下行10用户时边缘用户2 Mbit/s的速率，受限的最大允许路径损耗约120.7 dB。覆盖范围示意图如图1所示。

2.1.2 双通道增益

在TD-LTE室内分布系统方案中双通道模式是其技术特点，目前的研究成果表明，在室内场景下双通道模式能够明显的提升用户吞吐量，由于信道相关性随时间呈现一定的波动性，因此室内覆盖系统可以通过双天馈系统的部署使用SFBC与空间复用相结合的自适应方式。

信道SINR条件、双路天馈间的信道相关性是决定双天馈系统性能的主要因素，而信道相关性与双天馈系统的天线间距和室内环境密切相关。总体来讲，在信噪比较低的场景，单流的吞吐量性能比双流高；在信噪比很高的场景，双流的吞吐量性能会优于单流，在理论峰值的计算上，双流的吞吐量性能是单流的两倍。空分复用与分集自适应因引入了空间增益或分集增益，在小区整体吞吐量的提升上有一定作用。

图1 覆盖范围示意图

表1 链路预算表

对于开阔场景，天线及终端周边散射体分布较少，因此在相同天线间距下，相关性增强，由于此场景一般天线安装位置选择较多，因此一般建议天线间距在10波长以上以保证实现较好的空间弱相关性，此场景下通过合理的频率规划，信道易于达到较好的SINR条件，双流模式比例高，系统增益较为明显。

对于封闭场景，天线及终端周边散射体分布较多，此场景下双天馈系统的天线间距对相关性的影响不是特别明显，间距在4波长以上，即可良好支持MIMO应用。但由于此场景下隔断较多，信号场强较低引起SINR偏低，系统会自适应的更多采用SFBC方式从而保证更好的数据速率，系统增益偏低。

针对走廊、密集房间、大会议室、大办公平面等不同区域进行单双流用户吞吐量对比测试，测试结果如表2所示。

从上述测试结果可以看到，TD-LTE双通道室内分布系统小区下行吞吐量相比单通道室内分布系统都有明显的提高，平均小区吞吐量60%以上。

测试中也发现，双通道室内分布系统对环境较为敏感，在不同的测试环境下小区吞吐量有明显波动；相对应的单通道室内分布系统对环境不敏感，在不同的测试环境下小区吞吐量波动较小。

另外根据试验网大量测试统计结果，RSRP由-105 dBm提升至-95 dBm，双路下行吞吐量提升约35%，继续提高至-85 dBm，下行吞吐量提升约10%，提升效率明显下降。

2.2 室内外小区的协同关系

室内外小区间的协同关系是网络协同发展的需要，协同主要包括以下几个方面的考虑。

室内用户尽量使用室内覆盖系统进行承载，室外用户应严格由室外小区承载室内覆盖系统承载业务的实际比例直接决定了室内覆盖系统建设的有效性，同时也对分流室外站负荷至关重要。

需主要通过RS强度控制用户在室内外小区的接入比例，一般要求室内覆盖系统边缘场强要高于最强的室外覆盖系统在室内泄露场强10 dB，同时要求室内覆盖系统外泄电平在室外10 m区域衰减至不高于室外宏基站覆盖电平。

室内外良好的小区选择/重选，切换关系：通过设置合理的过渡区域保障网络质量。主要通过RS强度控制，可结合小区间负载均衡等手段。

业务切换的连续性：与GSM系统、TD-SCDMA系统导频信道与业务之间有相对一致的对应关系不同，TD-LTE系统RS功率与业务速率的对应关系更为复杂，因此需要考核室内外切换过程中业务速率的连续性。

典型的室外覆盖场景需满足邻小区空载条件下小区边缘用户下行速率可达到1 Mbit/s，邻小区负载达到70%时小区边缘用户下行速率约350 kbit/s，此时宏基站边缘RSRP约-115 dBm～-110 dBm。

表2 双通道吞吐量增益

考虑室内外电平差应保证5～10 dB差值以便于室内覆盖系统能够有效吸收室内话务量，因此室内覆盖的边缘RSRP应保证不低于-105 dBm，在本文链路预算部分满足RS最低解调门限的最大允许路径损耗为132.2 dB，此时对应的边缘RSRP为-120 dBm，远远不能满足室内协同覆盖的要求，如果将室内覆盖边缘RSRP提高至-105 dBm，对应的最大允许路径损耗为117.2 dB，此时与室外宏蜂窝系统的业务速率对比关系如表3所示。

表3 室内外系统覆盖场强对比关系

观察表3，很显然RSRP的对应关系和数据业务速率并不是统一的，一个事实是室外宏基站在室内区域的泄露场强是随机的，并不总是位于宏基站覆盖区域的边缘，故室内覆盖系统可能会由于RSRP强度的差值导致室内业务被切换到室外宏基站系统上，而此时室外宏基站的业务速率并不一定高于室内覆盖系统，因此从业务切换的连续性分析，可以适当降低室内覆盖系统RSRP对应的PDSCH数据速率。

根据链路预算的结果，当RSRP为-115 dBm时对应的PDSCH速率约为1024 kbit/s，这意味着有约10 dB的空间用于优化RSRP的设置，差值的调整主要通过下行功率分配中定义的Pa参数实现，协议213“下行功率分配”部分定义了一个UE级参数Pa，它就是数据信道上每个RE的发射功率EPRE和导频RE上的功率之比；通过调整Pa值可以改变数据信号的发射功率。

2.3 基于已有网络的改造需求

TD-LTE室内分布系统的建设是基于已有的GSM、TD-SCDMA室内分布系统进行改造的，新建的TDLTE室分系统也需要综合考虑GSM、TD-SCDMA的覆盖需求。

通过对比可知，当最大允许路径损耗为117 dB时（TD-LTE下行边缘速率要求为2 Mbit/s时，Pa值无调整），理论计算的最大允许路径损耗与TD-SCDMA基本相当。在TD-SCDMA室内分布系统规划中已经考虑为E频段引入预留的覆盖余量需求，因此当 TDLTE与TD-SCDMA共用室分系统时，如覆盖半径和点位密度与TD-SCDMA相同，则TD-LTE系统也可以满足覆盖指标要求，此时两个系统可认为覆盖能力基本一致，即TD-LTE系统可基本参照TD-SCDMA现网覆盖半径要求进行规划，如表4所示。

表4 与TD系统链路预算对比

2.4 电磁辐射标准限制

室内分布系统的电磁辐射标准要求满足《GB8702-88 电磁辐射防护规定》和《GB9175-88 环境电磁波卫生标准》的要求。

《GB8702-88电磁辐射防护规定》中规定了对于公众照射，30～3 000 MHz范围在24 h的任意连续6 min内的平均辐射上限为0.4 W/m2。

《GB9175-88环境电磁波卫生标准》中对于电磁辐射的安全级别进行了分类限制:一级标准和二级标准对微波（指频率为300 MHz～300 GHz）的辐射上限要求分别为0.1 W/m2和0.4 W/m2。

传播损耗情况需要针对近场远场的情况分别分析，对于远场法，设D为待测目标的最大截面尺寸，r为发射天线与待测目标的距离，则当r≥ 2D2/λ时(λ为波长)，可近似认为投射到待测目标上的电磁波是平面电磁波。由于近场的传播损耗分析非常复杂和难以应用，故又将近场分为感应近场和辐射近场，边界为λ/4，而辐射近场可以按照远场来考虑。λLTE/4=0.032 m，即可以利用远场的分析方法分析距离辐射源0.032 m以外的场强分布情况。

其中：P为点信源平均发射功率（W）； G为天线增益；PI为圆周率；D为传播距离（m）；DofP为在距离点信源D处的功率密度（W/m2）。

按0.4 W/m2的安全辐射标准要求，考虑天线距离人体最近距离0.5 m（一般天线高度不低于2.4 m，用户高度不高于1.9 m）核算最高场强要求，LTE系统允许的最大天线口输入功率为约30 dBm，考虑多系统共同辐射的功率分配（按保守估计5系统合路，则LTE的最大天线口输入功率应为30-10lg（5）=23 dBm。考虑到20 MHz内共有1 200个子载波，因此对应的RS信号的天线口输入功率应该不大于-8 dBm。

3 场强设计建议

综合各方面因素，可以认为在原有室内分布系统基础上，不需要经过天线点位的改造即可接入TD-LTE系统，主要的覆盖场强设计指标如下。

3.1 RS信号覆盖场强

RS信号作为进行小区选择/重选，切换的测量判决指标，同样也应该作为室内覆盖系统的覆盖评价指标，根据室内外小区间的协同关系，建议边缘RSRP设定为-105 dBm。

结合试验网测试结果和指标提升水平，由于-95 dBm以上继续提升功率对于系统吞吐量的提升有限，因此对于一些重要数据业务场所需要建设双流室分系统的，建议边缘RSRP设定为-95 dBm。

3.2 RS信号天线口输入功率范围

根据业务开展需求，并结合电磁辐射核算结果和已有网络改造需求，建议当室内覆盖边缘RSRP强度为-105 dBm时，对应的RS信号天线口输入功率范围保持在-15 dBm左右。

3.3 Pa值的调整

Pa值对于网络优化调整具有重要的意义，如果考虑室内外业务速率的一致性，可以适当调整Pa值，在保证室内外协同要求的室内覆盖边缘RSRP为-105 dBm情况下，降低总功率覆盖场强。

覆盖场强的设计直接决定了网络性能与投资规模，是网络设计中最核心的因素之一，但由于TD-LTE室内分布系统尚缺乏全面系统的测试数据，因此在链路预算中干扰余量等重要参数均为根据一定的仿真条件进行假定，而室内外协同也暂时缺少测试数据进行验证，需要随着LTE网络的建设过程不断跟踪研究。