基于系统容量因素下的TD-LTE室内分布系统设计*

范波勇，郭旭静，周井泉

(1.湖南邮电职业技术学院，湖南 长沙 410015；2.南京邮电大学 电子与光学工程学院，江苏 南京 210003)

分时长期演进(Time Division Long Term Evolution，TD-LTE)，是由第三代合作伙伴计划(Third Generation Partnership Project，3GPP)组织协调全球各大通信相关企业及电信运营商共同制定的以中国为主导的4G无线通信系统.LTE系统所用的无线频率较高，信号衰减快，穿透性能差，严重影响了信号质量，降低了系统容量，因此采用多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术来提高系统无线传输的可靠性，提升系统容量和小区边缘用户的性能.无线信号在室外区域通过宏基站基本可以实现连续覆盖，但在中心城区，70%左右的数据业务发生在室内场景，因此室内环境是运营商需要重点考虑的信号覆盖区域.室内分布系统一般通过有线方式引入信源，再通过室内型天线将无线信号发送出去，以达到消除弱覆盖与信号盲区、抑制强干扰、提供可靠信号和分担室外小区话务量的目的，使得用户在室内环境也能享受高速的4G无线上网服务，从而解决室内信号深度覆盖的问题.在“流量为王”的运营思维下，系统容量应作为室内覆盖设计的主要考虑因素.

1 TD-LTE室内分布系统设计的基本原则

基于容量的室内覆盖规划方法，应在建设网络初期就按3 年规划目标进行小区划分，结合传统分布系统、光纤分布系统和微基站等产品的特点，合理选择多种建网模式，最终达到一次部署后不需要反复新上站点进行改造、降低改造频次及难度和增加系统容量的目的[1].采用TD-LTE在进行室内分布系统设计时要遵循以下基本原则：(1)兼顾网络性能和覆盖质量；(2)综合考虑网络性能、改造难度、资源情况和投资成本等因素，不影响现有移动通信系统的安全性和稳定性，尽量减少现有室内分布系统的改造量；(3)采用E频段2 300～2 400 MHz进行组网，室外基站异频组网，室内同频组网或异频组网；(4)防止室内外信号相互干扰，同时考虑切换与小区重选的便利性；(5)多系统合路时，应保证系统间满足隔离度要求，避免产生系统间强干扰；(6)室内分布系统按照“多天线，小功率”进行建设，必须满足电磁辐射国家标准；(7)保证扩容的便利性，尽量通过小区分裂、增加载波和空分复用等方式快速扩容.

2 TD-LTE室内分布系统设计方案

2.1 单通道设计方案

TD-LTE单通道室内分布系统设计方案(图1)中，每个室内覆盖点只需要通过1条射频传输链路和1根吸顶天线进行发射和接收，通常一个楼层只使用射频拉远单元(Radio Remote Unit，RRU)的一个通道.该方案无法使用MIMO技术，不能提升系统容量，但投资省和业主协调量小，适合对数据需求不高且难以进行改造的场景[2].

图1 单通道室内分布系统设计方案Fig. 1 Design Scheme of Single Channel Indoor Distribution System

2.2 双通道设计方案

TD-LTE双通道室内分布系统设计方案(图2)中，每个室内覆盖点都需要通过1根双极化天线或者2个普通单极化天线进行收发，实现2*2 MIMO技术.该方案能提高用户峰值速率和系统容量，满足室内用户对高速上网业务的需求，缺点是工程复杂度较高和业主协调量大.双通道设计方案是能快速提高系统容量的室内覆盖方案，在新建的室内覆盖场景中应以其为主.在容量需求比较大的室内覆盖改造场景中，为了满足容量需求，也应以双通道建设方案为主.

图2 双通道室内分布系统设计方案Fig. 2 Design Scheme of Double Channel Indoor Distribution System

3 TD-LTE室内分布系统设计的具体要求

3.1 设计技术指标

设计技术指标包括：(1)无线信道呼损不高于2%.(2)在标准层和裙楼，目标覆盖区域内95%以上位置，参考信号接收功率(Reference Signal Receiving Power，RSRP)不小于-105 dBm，信号与干扰加噪声比(Signal to Interference Plus Noise Ratio，SINR)不小于-3 dB，保证移动台能正常接入且不掉话.(3)在电梯和地下室，目标覆盖区域内95%以上位置，RSRP不小于-110 dBm，SINR不小于-3 dB，保证移动台能正常接入且不掉话[3].(4)为了避免高层窗边同频干扰，10层以上的室内窗边设计指标，推荐值RSRP不小于-95 dbm，SINR不小于-3 dB；10层以下若天线位置距离窗口2 m以内，则应采用定向壁挂天线朝向室内.(5)室内信号泄漏到室外10 m 处的RSRP不高于-100 dBm[3].

3.2 天线选用

选用天线应遵循以下要求：(1)尽量选用宽频天线，包括800～2 500 MHz的所有频段.(2)不考虑空间分集和波束赋形.室内环境空间狭小、穿透损耗大，空间分集技术和波束赋形对系统性能的提高不明显，而且增加了系统成本.(3)选用垂直极化天线，以确保无线信号在复杂的室内环境中有效传播.(4)要适用场景特点.全向吸顶天线在房间天花板的中心位置使用，壁挂式板状定向天线在墙面挂装，朝向覆盖区域.

3.3 小区规划

为了避免小区间的同频干扰，增大系统容量，LTE室内分布系统的小区规划应遵循以下要求：(1)尽量按照建筑物自然区域分割移动通信小区，通过墙壁衰减信号进行自然分区；(2)同一建筑物内尽量上下不同层之间进行分区，避免水平同层分区；(3)电梯内尽量划分为同一小区，尤其是高速电梯，小区之间的切换应在电梯厅实现，避免电梯高速运行时切换而导致掉话；(4)随同建筑物上下不同区域划分小区的电梯，小区之间的切换在电梯井道内实现，这种情况一般是每几层楼划分成一个小区.

3.4 频率配置

频率配置的建议：(1)为了防止室内信号与室外信号之间产生同频干扰，室内与室外系统间采用异频组网[4]；(2)楼层之间隔离较好的区域，不同楼层可以采用1个20 MHz带宽的频点进行同频组网；(3)相同楼层需要设置多个小区时，室内场景无法天然隔离，建议采用2个10 MHz带宽的频点进行交错复用，异频组网.

3.5 时隙配置

上下行子帧配置是指，在TD-LTE系统无线帧结构中配置上行子帧和下行子帧的个数.在5 ms的切换周期下，建议采用2∶2的配置模式，具体见表1[5].

表1 上下行子帧配置Table 1 Uplink and Downlink Subframe Allocation

TD-LTE的特殊子帧分为下行导频时隙(DWPTS)、保护间隔(GP)和上行导频时隙(UPPTS)，每个特殊子帧共有14个正交频分复用(OFDM)符号进行分配.在中心城区，因数据传输的需求量大，特殊子帧的符号配比可采用10∶2∶2，在下行导频时隙DWPTS上配置10个OFDM符号，最大化下行数据传送速率，增大小区的系统容量.

4 室内分布系统设计效果

某现场方案为新建TD-LTE室内分布系统，选用合路器、全向吸顶天线、功分器和耦合器等无源器件，采用双通道RRU，系统带宽为20 MHz，最大输出功率为43 dBm，其中射频器件选用宽频带(800～2 500 MHz)低损耗器件，以减小信号在器件上的损耗，各系统之间隔离度高，避免互调干扰，同时备有足够的功率容量.下面对其系统的设计效果进行详细分析.

目前，室内传播模型推荐使用ITU-RP.1238室内传播模型，该模型分为视距(LOS)和非视距(nLOS)2种情况.视距传播模型为[4]LLOS=20lgf+20lgd-28 dB+δ；非视距传播模型为LnLOS=20lgf+10nlgd+Lf(n)-28 dB+δ.其中：n为环境因子；f为频率，单位MHz；d为移动台距发射机的距离，单位m；Lf(n)为楼层穿透损耗系数；δ为衰落余量.假设设计场景如下：f=2 300 MHz，d=10 m，视距范围内传播，不计衰落余量δ.那么，传播路径损耗[6]

L=20logf+20logd-28=20log 2 300+20log 10-28=40.03+20log 10=60 dB.

室内传播模型确定后，可以计算出传播路径损耗，再进一步计算出边缘场强Pr[7],Pr=Pt+Ga-PL-δ.其中：Pt为天线口信号电平，可通过天线口单导频功率计算；Ga为天线增益，吸顶天线的天线增益一般为3 dBi；PL为传播路径损耗.衰落余量δ可根据实际室内覆盖模型测试经验值(表2)计取.

表2 衰落余量经验值Table 2 Empirical Value of Fading Margin dB

若1面混泥土墙体的衰落余量为15 dB，则2面墙体的衰落余量为30 dB，由此可计算出某楼层距离天线10 m处的边缘场强(表3).

表3 距离天线10 m处的边缘场强Table 3 Edge Field Strength at 10 m Distance from Antenna

5 结语

为了确保室内区域有一个理想的4G系统信号覆盖范围，提高系统容量和上网速率，增强用户体验，最佳解决办法就是安装室内分布系统[8].从最大化系统容量的角度出发，提出了TD-LTE室内分布系统设计基本原则，给出了增加系统容量的最佳方案即双通道室内设计方案，并从设计技术指标、天线选用、小区规划方法、频率配置和时隙配置等方面阐述了最大化系统容量的室内系统设计具体要求，最后给出了室内传播模型和边缘场强计算方法.根据计算出的边缘场强，可以判断室内覆盖点的场强是否满足覆盖的技术指标要求.