一种TD-LTE室内分布系统的解决方案设计

(中国联合网络通信有限公司 湖州市分公司，浙江 湖州 313000)

随着移动通信的飞速发展，3G移动通信已经得到了广泛的研究与应用[1]，但是3G的带宽面对目前的业务需求已经力不从心，当前的业务模式逐渐向高数据业务转移[2]，比如流媒体实时视频业务，因此目前4G移动通信已经成为发展的主要方向.TD-LTE[3]作为新一代移动通信系统的主要标准之一，其数据下行速度将达100 Mbps，进而被工业界视为4G主流技术.它扩展了3G空中接入技术功能[4]，并使用OFDM(正交频分复用技术)和MIMO(多输入输出技术)作为其核心接入技术.得益于这两种先进的无线通信技术，TD-LTE可在20 MHz频谱带宽下提供100 Mbps的下行峰值速率与50 Mbps上行峰值速率.然而，依据NTT DoCoMo的统计数据，手机用户70%以上的通信业务需求发生在室内，尤其对于4G移动通信系统更是如此.因此室内分布系统是解决高速率传输问题的重要手段[5]，从GSM开始一直到目前的LTE，一直有科学家致力于这一块的研究.鉴于上述论述，笔者将研究室内LTE的信号覆盖问题，提出一种LTE室内分布系统的单通道设计方案，并通过实际案例进行分析和说明.结果表明：所设计方案的测试指标达到了系统要求，具有良好的效果，有望为当前的TD-LTE建设提供技术参考.

1 系统方案设计

室内分布系统的设备大致可分为有源器件与无源器件两种.常用的无源器件有功分器、耦合器、合路器、电桥、衰减器、负载、馈线、天线等；常用的有源器件宏蜂窝、微蜂窝、RRU等.另外在信源选取上，TD-LTE室内分布系统采用分布式基站(BBU+RRU)实现室内场景覆盖.高话务场景的室内覆盖可优先考虑采用大容量BBU配置，并通过使用多个RRU实现大容量覆盖.对于室外宏基站附近区域，具有话务需求的楼宇，可将室外宏基站的容量通过RRU引入室内，从而实现室内外协同覆盖.下面将从两个方面给出TD-LTE室内分布系统的设计.

1.1 模式分析

TD-LTE室内建设可分为单通道模式和双通道模式.在单通道模式下，每个室内覆盖点仅需一条射频传输链路进行信号的收发.此外，同个楼层通常只使用一个RRU通道，如图1所示.该方案适合于规模较小、对数据容量要求较低的场景.图2给出了双通道模式的示意图.该模式下，每个室内覆盖点都需通过一根双极化天线或部署在不同物理位置的两个单极化天线进行信号的收发，进而形成2×2 MIMO组网模式.相对于单通道模式，该方案的优势是用户的峰值速率和系统容量将得到扩大.双通道模式可很好的满足室内业务数据需求，但是存在部署工程量较大的缺点，且随着两路功率不平衡的加剧，系统性能急剧下降.综合比较之后，笔者选择单通道模式作为研究对象.

图1 单通道模式

图2 双通道模式

1.2 建设方式选型

TD-LTE室内分布系统的建设方式可以总结为三大主要方式[6]：

1) 两路新建.独立新建两路分布系统，需新建两套室内天馈线系统.

2) 一路新建一路改造.一个通道通过合路器共用原分布系统，另一个通道独立新建一路分布系统.

3) 共用合路.单路系统，一个通道通过合路器共用原分布系统.

这里将采用第三种建设方式，但是共用原分布系统需要在原分布系统合路处更换合路器，同时增加了一路信号以及频率范围发生了改变，因此需要更换性能更加优越的合路器等设备.但是施工主要在机房，弱电井等区域施工，工程实施难度小，施工量小，缺点为容量提升空间小，可能无法满足未来的用户需求.考虑到一定的容量余量是我们在网络规划中必须考虑的一个方面，为了以后用户的增加，可以通过小区分裂等方式满足未来需求.

2 案例与分析

2.1 覆盖区域

某火车站位于某市潘桥镇，其经纬度为：N 27.969 218°，E 120.582 161°.火车站楼高4层，其中地上3层、地下1层，墙体未水泥墙体，总建筑面积约为76 800 m2.笔者所设计的分布系统解决方案实现对大楼电梯、地下室及平层区域的覆盖.大楼的基本情况见表1，2.

表1 楼层覆盖区域情况表

表2 电梯覆盖区域情况表

2.2 TD-LTE分布系统设计指标定型

根据TD-LTE标准，下述设计指标是本次设计的目标：

1) 2X2双天线的水平距离可以为1/2波长和10个波长(1.5 m)之间.

2) LTE UE的RSRP达到-90 dBm.

3) 无线环境好的时候时候单用户能达到80 Mbps；不好的时候回退到发射分集达到40 Mbps.单小区下行总流量为80 Mbps，多用户时共享资源.

2.3 设计思路

为满足不同用户的各类需求，LTE合路方案可以达到最高性价比，实现多系统间的融合，确保GSM/TD-SCDMA/LTE/WLAN系统能完美覆盖.需要结合大楼的布局合理规划设计，做好各系统覆盖规划，容量规划，切换区域设置，外泄控制和频率规划等工作.

LTE系统以BBU+RRU(3载波)作为信源，根据大楼的话务量分析及功率预算，共采用7台RRU作为LTE室内覆盖信源，室内分布系统设计时PCCPCH信道功率不超过16 dBm.LTE系统扩容可采用RRU小区分裂法，也可通过增加载波方式来进行扩容.无源器件和天线采用宽频段(800～2 500 MHz)，可满足2G，3G和WLAN要求.为了控制小区间的干扰，采用全向吸顶天线覆盖方式，所有的器件和天线均符合TD-LTE频段.天线布置均采用“小功率，多天线“的原则，使TD-LTE信号只穿透一堵墙.平层天线口的功率配置在0～5 dBm之间.

在具体设计中，我们需要对覆盖区域进行选点路测，根据测试结果设计天线的安放位置和发射功率，注意受限于原宏蜂窝基站和大楼配线机房的位置，室内信号的输入源位置是基本确定的.在施工完成后可以通过调整发射功率进行细致的覆盖调整以优化覆盖性能.这一过程极为繁琐，主要依赖于实测数据、网络优化软件和设计工程师的经验支撑.

2.4 覆盖设计方案

根据上述设计思路，笔者组织工人对该火车站大楼的楼道进行了选点路测工作，而后对分布式覆盖作了设计，由于设计图较多，仅给出部分典型的设计方案.具体的室内天线功率分配设计如表3所示.

表3 部分B1楼层室内天线功率分配表

2.5 设计验证

在实际传播环境中，NLOS的存在会使得距离的测量要远远大于真实的距离，假设测量距离为di，那么它和ri之间有如下关系：

根据电磁波自由空间传播损耗公式

LS=(4πDf/c)2

(1)

其中：D为传播距离(m)；f为电磁波频率(MHz)；c为光速.式(1)用对数表示为

LS=20lg(4πDf/c)=

-27.56+20lgd+20lgf

(2)

假设频率取2 400 MHz，代入式(2)可得

LS=38.46+20lgd

(3)

2 400 MHz信号的可视空间传播损耗见表4.

表4 传播损耗表

因此，得到总的路径损耗

L=LS+M

(4)

其中M为衰落余量(表5).

表5 衰落余量表

为了评估覆盖方案设计，笔者使用天线口低发射电平模型估算距天线最远处的室内覆盖区域信号接收电平,即

Pr=Pt+Ga-L

(5)

其中：Pr为接收点信号电平；Pt为天线口发射信号电平；Ga为天线增益(通常为2 dBm)；L为式(4)得到的总路径损耗.

以B1F平层最弱天线ANT58-B1F为例，该天线口输出电平为-18.1 dBm，室内最远处距天线为15 m.根据式(5)得室内的最低场强约为-18.1 dBm+2.0 dBm-64 dBm-20 dBm=-100.1 dBm，而TD-LTE系统的接收灵敏度要求低于-100 dBm，故上述接收信号可满足通信要求.进一步考虑到系统中牵涉到的其他所有天线口电平均高于-18.1 dBm，且天线覆盖的设计距离小于15 m，故均满足接收灵敏度要求，从而实现覆盖，满足设计要求.

3 结 论

针对TD-LTE移动通信系统的室内覆盖问题，通过对室内分布式系统的模式分析和建设方式选型，提出一种基于单通道共用合路模式的解决方案.然后，将该方案应用到某火车站大楼的室内信号覆盖设计中.最后，根据天线口低发射电平模型，分析了场强测试结果.结果表明：该设计方案在施工建设完成后任意点的场强满足TD-LTE的接收灵敏度要求，可有效的实现信号覆盖.

参考文献：

[1] 鲍俊华，孟利民，华惊宇，等.一种高效的TD-SCDMA下行链路帧头检测方法及FPGA实现[J].浙江工业大学学报，2010，38(5):570-573.

[2] 杨建锋，孟利民.视频监控系统中实时流媒体传输控制方法的设计[J].浙江工业大学学报，2012，40(4):454-457.

[3] 沈嘉，索世强，全海洋，等.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[4] 王映民，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[5] 张玉华，彭宏，郑冕，等.基于GSM射频拉远系统的CIC滤波器的设计[J].浙江工业大学学报，2012，39(1):109-113.

[6] 汪颖.TD-LTE室内覆盖系统规划思路和建设方案[R].北京：中国移动通信集团设计院，2012.