LTE-R无线覆盖设计

李 雪，徐益华，黄 彬

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070;2.中国铁路北京局集团有限公司,北京 100860)

1 概述

目前，中国铁路移动通信系统正面临着向下一代移动通信系统的演进。LTE-R系统以LTE技术为基础，并增加适应于铁路的特殊功能，能提升小区吞吐量和降低系统时延，适应铁路移动宽带通信业务的发展需求，是铁路下一代移动通信系统的可选技术。LTE-R作为全新的网络，在大规模建设时，最基本的考量是基于网络建设需求的网络覆盖效果和建设成本，因此覆盖设计是网络部署过程中既关键又复杂的问题。链路预算是无线覆盖设计的前提，可以初步测算小区半径和站址分布，链路预算的准确性关系到网络的覆盖质量和建设成本。

2 LTE-R无线覆盖设计方法

LTE-R采用了正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）以及高阶调制编码方式等技术提高频谱利用率，使网络容量得以提升。LTE-R因其使用专用频段，频谱资源有限，只能采用同频组网，自干扰严重。站址越密，容量越大，但干扰也随之增强，容量和干扰是相互关联、相互矛盾的。因此，其无线覆盖设计方法与GSM-R系统有所不同。LTE-R链路预算的关键在于需求分析，即边缘速率的选取。LTE-R与GSM-R无线覆盖规划设计对比如图1所示。

图1 LTE-R与GSM-R无线覆盖规划设计对比图Fig.1 Comparison of LTE-R and GSM-R wireless coverage planning and design

3 LTE-R链路预算

链路预算是通信系统用来评估网络覆盖的主要手段，通过对搜集到的发射机和接收机之间的设备参数、系统参数及各种余量进行处理，得到满足系统性能要求时允许的最大允许路径损耗。链路预算是对一条通信链路上的各种损耗和增益的核算，利用链路预算得出的最大路径损耗和相应的传播模型可以计算出特定区域下的覆盖半径，从而初步估算出网络规模。LTE-R链路预算分为上行链路预算和下行链路预算，两者在计算原理上一致。

计算用户设备UE和eNodeB天线之间的最大允许路径损耗是链路预算最关键的步骤，其计算方法如下：

MAPL =发射端EIRP-最小接收信号电平-保护余量

LTE-R的可能频段为452.5 ～457.5 MHz，462.5 ～467.5 MHz。本 文 以450 MHz频 段，2×5 MHz系统带宽为例进行分析。基站天线2T2R，终端天线1T2R。

3.1 发射EIRP

EIRP=发射端发射功率-馈线及接头损耗+发射天线增益

发射端发射功率：LTE-R下行基站发射功率平均分配给所有 RB，分配的RB数越多覆盖距离越远，根据用户对频率资源的占用情况计算最大发射功率。基站单通道20 W发射功率，基站总发射功率计算公式为10×lg（20×1 000），约为43 dBm，5 M系统带宽共计25个RB，子载波发射功率计算公式为10×lg（20/25/12×1 000），约为18.23 dBm；LTE-R上行终端功率完全分配给用户使用，无论终端占用频率资源多与少，终端都是满功率发射，终端发射功率200 mW，终端总发射功率计算公式为10×lg（200），约为23 dBm。

接头和馈线损耗：主要包括功分器、馈线、接头、合路器等插入损耗。铁路呈线性覆盖，一个小区覆盖铁路沿线的上、下行两个方向，LTE-R基站侧2T2R，终端侧1T2R，基站有2个天线端口用于收发，天线采用双极化天线时，基站与天线之间需要增加功分器，考虑3 dB的功分器损耗。馈线损耗与馈线长度有关，7/8英寸馈线在450 M频段的损耗2.44 dB/100 m。因此下行侧接头和馈线损耗可按照6 dB计算。上行侧手持终端的天线内置，车载终端天线与模块距离很近，可取0 dB。

3.2 最小接收信号电平

最小接收信号电平=接收机灵敏度-接收天线增益+接头及馈线损耗

接收机灵敏度=热噪声电平+噪声系数+解调门限

热噪声电平称为接收机底噪，是接收机噪声的基本参数，与带宽有关。

下行带宽应为分配给终端的下行RB频率带宽。上行带宽应为全部的信道带宽。对于GSM-R网络，上、下行带宽200 kHz。对于LTE-R网络，资源的分配与容量有关，是动态调整的。

噪声系数是与设备硬件相关，不同厂家设备此参数值不同，但大致差别不大。下行终端接收噪声系数一般取7 dB，上行基站接收噪声系数一般取3 dB。

解调门限与分配的RB数、调制方式、码率、信道模型、误码率、多天线方式、调度算法等因素相关，由链路仿真或外场测试得出，不同厂家此参数值不同。

3.3 设计余量

无线覆盖设计链路预算设计余量可参考GSM-R系统，宜考虑下列保护余量：阴影衰落余量、多径衰落保护、电力牵引供电干扰保护、环境干扰保护、工程预留保护、其他设计余量。

阴影衰落余量：指中值电平与95%时间地点概率条件下接收电平之间的差值。其服从正态分布，可以用 EXCEL中的正态分布函数来计算，等于NORM.S.INV（边缘覆盖比例)×阴影衰落标准方差，密集市区、郊区和开阔地的标准方差分别为8 dB、7 dB、6 dB，阴影衰落余量取8.7 dB、7.2 dB、5.9 dB。

多径衰落保护：是指由多径传播引起的衰落保护，取3 dB。

电力牵引供电干扰保护：指电力牵引供电铁路在通信线路中产生的感应电压、机车受电弓与接触网之间摩擦出现的打火等带来的电磁干扰保护，取3 dB。

环境干扰保护：指公众移动通信网对GSM-R系统的干扰，该值的选取应充分考虑所处地理位置的差异性。根据无线电磁环境调查和检测结果，合理确定环境干扰保护，取3 dB。

工程预留保护：指施工质量引起的保护余量，如电缆弯曲或接头工艺质量引起的额外损耗，取3 dB。

3.4 业务信道链路预算示例

在确定了以上各关键参数后，可以按照业务速率的需求完成链路预算，下面是下行业务信道速率为2 520 kbit/s，上行业务信道速率为1 260 kbit/s时的上下行业务信道PDSCH和PUSCH的链路预算示例。示例如表1所示。

表1 链路预算示例Tab.1 Link budget example

4 结束语

本文主要论述了LTE-R系统在450 MHz频段上的链路预算方法及关键参数取值，并阐述了如何基于链路预算得到的MAPL来估算小区覆盖半径和站间距，在工程设计过程中仍需关注几个问题：

1） 需结合本网实际的业务需求确定小区的边缘速率；

2） 在链路预算中 SINR、RB数量分配及MCS编码效率等参数直接影响解调门限。同样的参数取值，不同厂家设备能力不同，此解调门限值也不同，需通过链路仿真或外场测试确定；

3） 在进行覆盖估算时，需结合实际环境对Hata-Okumura传播模型进行校正。