LTE_FDD链路预算及覆盖估算方法

LTE FDD 链路预算及覆盖估算方法研究 摘要 链路预算是移动通信网络规划和设计过程中的重要环节 链路预算通过对链路中的增益 余量与损耗 进行核算 计算空中链路的最大允许路径损耗 从而结合传播模型确定小区覆盖范围及站间距 本文结合 LTE FDD 系统的特点对其链路预算参数进行分析 并着重研究了 LTE FDD 系统的链路预算方法 并根据链 路预算介绍小区覆盖半径和单站覆盖面积的方法 本文给出的方法可用于 LTE FDD 网络规划和设计 关键词 LTE FDD 链路预算 传播模型 基站半径 最大允许路径损耗 中图分类号 TN929 533 文献标识码 A On LTE FDD Link Budget and Coverage Estimation Abstract Link budget is an important section in wireless communication network planning and designing By accumulating the gains margains and losses of the radio link link budget gives the maximum allowed path loss MAPL as the result With the MAPL and propagation model engineers can calculate the radius of the site the sites spacing and coverage area of the site The system characteristics of LTE FDD and its link budget parameters are analysed in this paper The link budget method of LTE FDD system is the most important part of this paper The methods given in this paper can be used to calculate the radius sites radius and coverage area per site and subsequently help the planning and designing of LTE FDD network Key words LTE FDD Link budget Propagation model Sites radius Maximum allowed path loss 1引言 目前 3G 网络在全球范围内已经完全成熟 全球信息科技领域的飞速发展带动了人们对更高业务带宽的需求 从而推动目前的移动通信网络向更高带宽的新技术体制演进 于是催生了长期演进 Long Term Evolution LTE LTE 协议定义了 1 4M 3M 5M 10M 和 20M 共 6 种带宽 在 20MHz 的无线带宽支持下行 100Mbps 上行 50Mbps 的传输速率 目前 LTE 的产业链 从网络设备到终端设备 已经成熟并实现商用 移动通信运营商也在积 极进行 LTE 技术试验 对于移动通信网络运营商 链路预算的准确性关系到 LTE 网络的覆盖质量和网络建设成本 因此 LTE FDD 网络链路预算和覆盖估算是 LTE FDD 网络部署过程中既复杂又关键的问题 2LTE FDD 网络覆盖估算方法 LTE 网络的覆盖估算主要包括需求分析 链路预算 单站覆盖面积三个部分 其中需求分析部分的主要指标包 括目标业务速率 业务质量及通信概率要求 链路预算部分则是根据需求分析的结果 结合不同的参数和场景计算 出无线信号在空中传播时最大允许路径损耗 Maximum Allowed Path Loss MAPL 并根据相应的传播模型估 算出小区的覆盖半径 单站覆盖面积的计算是基于链路预算所得出的小区覆盖半径估算出每个 eNodeB 的覆盖面积 从而可以得到规划区域内所需要的 eNodeB 数量 全向站和三扇区站的拓扑结构示意图及单站覆盖面积公式如图 1 所示 图 1 小区拓扑结构及单站覆盖面积计算 3LTE FDD 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 链路预算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 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 计算用户设备 User Equipment 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 发端 EIRP 最小接收信号电平 其他增益 其他损耗 其他余量 图 2 和图 3 分别给出了 LTE FDD 系统下行和上行链路预算的模型 图 2 LTE FDD 下行链路预算模型 图 3 LTE FDD 上行链路预算模型 3 1 LTE FDD 链路预算参数 按照上述的链路预算模型 本文将链路预算参数分为系统参数 发射端相关参数 接收端相关参数和增益损耗 余量参数等 4 个部分 下面分别对每个部分所包含的参数进行介绍 3 1 1系统参数 系统参数主要包含工作频段 工作带宽 双工模式 覆盖场景等参数 工作频段 LTE FDD 协议支持 700MHz 到 2 6GHz 的频段 采用 FDD 双工模式 本文的计算实例使用 2 6GHz 频段 工作带宽 LTE FDD 支持 1 4M 3M 5M 10M 和 20M 共 6 种带宽 LTE FDD 使用 OFDMA 多址方式 其子载波带宽为 15KHz 每 12 个连续的子载波组成一个资源块 Resourse Block RB 表 1 给出了 LTE FDD 各种带宽下对应额 RB 数量和子载波数量 图 4 为 5MHz 系统带宽下无线信道结构图 其中活 动资源块表示已经分配给用户 用于数据传送的资源块 表 1 LTE FDD 系统带宽 RB 数量 子载波数量 系统带宽系统带宽 MHz MHz RBRB 数量数量子载波数量子载波数量传输带宽传输带宽 MHz MHz 1 41 46 672721 081 08 3 315151801802 72 7 5 525253003004 54 5 101050506006009 9 1515757590090013 513 5 2020100100120012001818 图 4 系统带宽为 5MHz 时无线信道结构 覆盖场景 网络规划中常考虑 4 种典型的场景 分别对应典型的信道模型 场景的设置将影响计算小区半 径时使用的传播模型公式 同时也影响如基站天线高度及穿透损耗等的参数取值 不同的信道模型将采用 不同的解调门限 从而得到不同的小区半径 各种场景对应的信道模型如表 2 所示 表 2 各种覆盖场景对应的信道模型 场景场景信道模型信道模型移动速度移动速度 密集城区密集城区 ETUETU 3 33km h3km h 城区城区 ETUETU 303030km h30km h 郊区郊区 ETUETU 606060km h60km h 农村农村 EVAEVA 120120120km h120km h 3 1 2发射端相关参数 发射端相关参数用于计算发射端有效全向辐射功率 Equivalent Isotropically Radiated Power EIRP 主要 包括天馈参数 发射功率 增益 损耗 发射端 EIRP 的计算方法如下 发端 EIRP 最大发射功率 增益 损耗 天馈参数 主要包括波瓣宽度 增益 挂高等 需要针对特定的频段 覆盖场景和要求选择合适的天线增 益和高度 对于 3 扇区站点通常选择 65 度波瓣角天线 表 3 给出了天线增益及高度的取值参考 表 3 天线增益及高度的取值参考 eNBeNB 天线增益天线增益 场景场景 900MHz900MHz 及以下及以下1500MHz1500MHz 及以上及以上 eNBeNB 天线天线 高度高度 UEUE 天线高天线高 度度 密集城区密集城区 25m25m 城区城区 25m25m 郊区郊区 35m35m 农村农村 15dBi15dBi18dBi18dBi 40m40m 1 5m1 5m 发射功率 对于 LTE FDD 系统 eNodeB 发射功率一般去每通道 20W 即 43dBm UE 最大发射功率定 义为 200mW 即 23dBm 增益 主要包括天线增益 损耗 主要包含合路器 塔放等器件插入损耗以及馈线损耗 表 4 给出了馈线损耗取值参考 表 4 馈线损耗取值 损耗 损耗 dB 100mdB 100m 类型类型尺寸尺寸 800M800M900M900M1700M1700M1800M1800M2000M2000M2100M2100M2300M2300M2500M2500M LDF4LDF41 2 1 2 6 4566 4566 8556 8559 7449 74410 05810 05810 66610 66610 96110 96111 53511 53512 0912 09 AL5AL57 8 7 8 3 6763 6763 9033 9035 5515 5515 735 736 0776 0776 2466 2466 5736 5736 896 89 LDP6LDP65 4 5 4 2 4652 4652 6272 6273 8253 8253 9583 9584 2164 2164 3424 3424 5884 5884 8284 828 AL7AL713 8 13 8 2 1932 1932 3332 3333 363 363 4723 4723 6923 6923 7983 7984 0064 0064 2084 208 3 1 3接收端相关参数 接收端相关参数主要用于计算最小接收电平 主要包括接收灵敏度 噪声系数 解调门限 天线增益 线缆损 耗 人体损耗等 最小接收电平 接收灵敏度 总增益 总接收损耗 接收灵敏度 在输入端无外界噪声或干扰条件下 在所分配的资源带宽内 满足业务质量要求的最小接收 信号功率 在 LTE FDD 系统中 接收灵敏度为所需的子载波的复合接收灵敏度 其计算方法为 复合接收灵敏度 每子载波接收灵敏度 10 lg 需要的子载波数 背景噪声密度 10 lg 子载波间隔 噪声系数 解调门限 10 lg 需要的子载波数 其中 背景噪声密度即热噪声功率谱密度 等于波尔兹曼常数 k 与绝对温度 T 的乘积 为 174dBm Hz 子载 波间隔为 15KHz 接收机噪声系数取值参考表 5 解调门限由系统仿真得到 表 5 噪声系数取值参考 频段频段1800MHz1800MHz 及以下及以下 2 1GHz2 1GHzAWSAWS2 6GHz2 6GHz eNBeNB 噪声系数噪声系数 2 32 32 32 32 22 52 5 UEUE 噪声系数噪声系数 7 7 解调门限是指信号与干扰和噪声比 Signal to Interference plus Noise Ratio SINR 门限 是有用信号 相对于噪声的比值 是计算接收机灵敏度的关键参数 是设备性能和功能算法的综合体现 在链路预算中 具有极其重要的地位 在 LTE FDD 系统中 解调门限与频段 信道类型 移动速度 多输入多输出 Multi input Multi output MIMO 方式 调制编码方式 Modulation and Coding Scheme MCS 误块率 BLER 等因素相关 图 5 给出了在 BLER 为 10 得出的 SINR 与 CQI 关系的仿真结果 图 5 BLER 为 10 SINR CQI 关系曲线 接收增益 包括天线增益 塔放增益等 接收损耗 包括馈线损耗 人体损耗等 3 1 4其他增益损耗余量 其他增益损耗余量主要包括 MIMO 增益 时隙绑定增益 干扰抑制合并 Interference Rejection Combining IRC 增益 穿透损耗 阴影衰落余量 干扰余量 其中 MIMO 增益 时隙绑定增益 IRC 增益体现 在解调门限中 LTE 只支持硬切换 硬切换可以降低边缘接收信号的强度要求 给系统覆盖带来增益 一般取值为 2 5dB 阴影衰落是指电磁波在传播路径上受到建筑物阻挡产生的阴影效应所带来的损耗 在短区间 数十至数百波长 电平中值服从对数正态分布 其变化率比传送信息率慢 故称为慢衰落 为了对抗这种衰落带来的影响 在链路预 算中通常采用预留余量的方法 称为阴影衰落余量 阴影衰落标准差的取值和阴影衰落概率密度函数的标准方差的 取值呈线性关系 下表给出了不同覆盖场景对应的阴影衰落余量和穿透损耗取值参考 表 6 阴影衰落参数及穿透损耗取值参考 穿透损耗穿透损耗 dB dB 场景场景区域覆盖概率区域覆盖概率阴影衰落标准差阴影衰落标准差 dB dB 2600M2600M2100M2100M900M900M 密集市区密集市区 95 95 11 711 7202020201818 一般市区一般市区 95 95 9 49 4161616161414 郊区郊区 90 90 7 27 2121212121010 乡村乡村 90 90 6 26 28 88 87 7 3 1 5LTE FDD 速率计算基本原理 速率计算的基本原理是在一定的时长和带宽组成的无线资源中 扣除公共信道 参考信号 PDCCH 等 的开 销 得出可用于数据传输的无线资源数 RE 数 再考虑调制编码效率 计算出该段时长内承载的 bit 数量 即 速率 下行参考信号 Reference Signal RS 及 PDCCH 分布 上行 RS 分布分别如图 6 a 和图 6 b 所示 图 6 下行 RS 及 PDCCH 分布 上行 RS 分布示意图 下行速率计算 Service rate CRC 168 36 12 Code rate code bits NRB C 其中 当天线模式为 2T2R MCW 时 C 等于 2 当天线模式为其他模式时 C 等于 1 上行速率计算 Service rate CRC 168 24 Code rate code bits NRB 其中 CRC 为 24 比特 MCS 效率为 Code rate 与 Code bits 的乘积 Service rate 指经过层 2 处理 尚未 加 CRC 而到层 1 的传输速率 可见 LTE 的速率与资源数量 RB 数 与 MCS 效率 由信号质量来确定 相关 提高任何一个因素 均可以提升速率 表 7 给出了上下行业务速率的计算示例 表 7 上下行业务速率计算示例 上上 下行下行业务速率业务速率需需 RBRB 数数需需 MCSMCSMCSMCS 效率效率 64642 2QPSKQPSK 0 150 150 310 31 1281284 4QPSKQPSK 0 130 130 260 26 2562564 4QPSKQPSK 0 240 240 490 49 ULUL 5125128 8QPSKQPSK 0 230 230 470 47 5125121010QPSKQPSK 0 220 220 450 45 102410241010QPSKQPSK 0 440 440 870 87DLDL 204820482020QPSKQPSK 0 430 430 860 86 3 2链路预算计算实例 如前所述 链路预算是为了计算出在特定情况下所允许的最大路径损耗 通常我们认为最大路径损耗在小区覆 盖边缘处出现 当然 这里提到的覆盖边缘可以是维持通信的最差信号来定义 也可以是业务速率下降到一定程度 时用户所处的位置 本文根据后者进行链路预算示例 LTE FDD 的链路预算需要考虑下列方面 对通用设置首先确定参考取值 这里取 Uu 接口带宽为 20MHz 下行单通道发射功率 43dBm 上行 UE 最大发射功率 23dBm 小区边缘 MIMO 工作于发射分集模式 BLER 目标设置为 10 密集城区场景 所期望的小区边缘速率 这里取下行 2048kbps 上行 512kbps 小区边缘用户所分配的 RB 数量 RB 资源在一个小区内是有限的 由表 1 可知 20MHz 带宽时一个小区 内的 RB 总数为 100 的 由于小区边缘用户 SINR 很低 编码效率相对较低 因此小区边缘 UE 每个 RB 的传送效率很低 如果为小区边缘 UE 分配过多的 RB 会影响整个小区所能提供的吞吐量 在实际网络 中 不同设备厂商的设备在 RB 分配方面有不同的算法 可调整 RB 分配算法中的相关参数来平衡小区边 缘用户吞吐率和小区吞吐率性能 在本文中 小区边缘 UE 所能分配的上下行最大 RB 数分别为 8 和 20 确定所需的 MCS 3GPP 规范 TS 36 213 中规定了 20 和 8 个 RB 在不同的 MCS 等级下所对应的 TBS Transport Block Size TBS 为了满足下行 2048kbps 上行 512kbps 的边缘速率 需要的下行 和上行的 TBS 分别为 2088 和 552 分别对应的 MCS 等级为 6 和 3 调制方式为 QPSK 根据本文 3 1 5 小节的计算公式 可以得到 MCS 效率分别为 0 87 和 0 47 确定所需的 SINR 所需的下行 上行 SINR 分别为 1 5dB 和 3dB 接收机灵敏度 接收机灵敏度和分配的 RB 数量 接收机噪声系数 所需 SINR 取值有关 本实例中的具 体取值参见表 8 穿透损耗 阴影衰落余量 天线增益 馈线损耗 塔顶放大器增益 干扰余量 硬切换增益等参数根据前 述内容确定 该实例中的取值参见表 8 表 8 链路预算实例 单位上行下行 最大发射功率 dBm2343 发射天线增益 dBi018 发射机 EIRPdBm2361 接收机噪声系数 dB2 57 热噪声 dBm 112 39 108 41 接收基底噪声 dBm 109 89 101 41 SINRdB 31 5 接收机 接收机灵敏度 dBm 112 89 99 91 接收天线增益 dBi180 干扰余量 dB22 馈线损耗 dB22 塔放增益 dB20 阴影衰落 dB11 711 7 穿透损耗 dB2020 人体损耗 dB00 发射分集增益 dB02 5 增益余量损耗 分集接收增益 dB2 50 切换增益 dB44 最大路径损耗最大路径损耗 dB126 69131 71 4LTE FDD 覆盖估算方法 根据链路预算所得到的最大允许的路径损耗 结合具体的传播模型 可以估算出 LTE FDD 小区的覆盖半径 值得说明的是 为了使估算出的小区半径更加具有可参考性 在估算之前必须结合实际无线环境对传播模型进行校 正 本文的覆盖估算采用 Cost 231 Hata 的修正模型 同时考虑该模型在大城市中心的修正因子 在 2600MHz 频 段下 可以估算出上下行小区覆盖半径分别为 0 31km 和 0 43km 这里取上行的估算结果用以计算每个三扇区基 站所覆盖的面积 估算出的单站覆盖面积为 0 36km2 5总结 本文主要论述了 LTE FDD 系统的上下行链路预算方法及关键参数的取值 并阐述了如何基于链路预算得到的 最大允许路径损耗来估算小区的覆盖半径和单站覆盖面积 同时 本文也通过链路预算和小区半径估算的实例明确 了 LTE FDD 系统中链路预算及覆盖估算需要考虑的以下几个方面 需要结合网络中的设备对小区边缘用户分配的 RB 数量进行确定 同时还要考虑边缘用户吞吐量和小区吞 吐量之间的平衡 实际网络中的无线设备在调度及收发性能方面不尽相同 在链路预算中需要根据实际情况来确