TD-LTE传播特性对比分析

1、TD-LTE传播特性对比分析作者：尧文彬，赵旭凇，白承灏中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080摘要：本文的主要内容是借助CW测试，对GSM、TD、LTE三个频段的传播特性进行分析，找出LTE频段的传播特性与GSM、TD频段传播特性的差异。经分析对比发现LTE与GSM、TD频段的传播特性差异为：LTE2616频段与TD1880频段的传播特性差异在4.73dB；LTE2616频段与GSM926频段的传播特性差异在16.77dB。关键词：TD-LTE，传播特性差异，CW测试，传播模型。Absract:this paper is to analyze

2、 the propagation performance of GSM, TD and LTE by the assistance of CW test and to find the propagation differences between LTE and other two. It is found 

3、;that the propagation performance difference between LTE2616 and TD1880 is 4.73dB and that difference between LTE2616 and GSM926 is 16.77dB.Key word: TD-LTE, propagation difference, CW test, propagation mo

4、del1、 概述在移动通信系统中，由于移动台不断运动，且实际传播环境复杂多样，电波传播具有多样性和复杂性。掌握无线电波的传播特性对网络规划、网络投资及服务质量起着决定性作用。本文的主要内容是研究LTE频段与GSM、TD频段在传播特性上的差异。通过认识LTE传播特性，可以准确估算基站的覆盖范围、预测网络的覆盖状况，对LTE的无线规划和基站建设会起到关键性的指导作用。一个频段的传播模型是其传播特性的直接体现。本文对多频段传播特性的对比分析，是借助传播模型实现的。传播模型由CW测试得到，通过自建的发射机和接收机对GSM926频段、TD1880频段以及LTE2616频段进行测试，用NPS软件对数据进行

5、处理分析，得到三个频段的传播模型。根据传播模型比较LTE频段与GSM、TD频段传播特性的差异。本文由以下章节组成：第一章介绍了本文的概述；第二章介绍了传播模型测试的场景及相关参数；第三章介绍了对传播模型的分析；第四章介绍了数据分析处理过程；第五章为三个频段传播特性对比分析；第六部分为本文的总结。2、测试场景及测试相关参数2.1 测试场景选择本次测试选择五羊新城和新全球通大厦作为测试场景。两处测试点均属于密集城区。密集城区由于建筑密度大、楼层高、建筑形状各异、外墙材料种类繁多,因而无线传播环境十分复杂。密集区域也是用户集中的典型区域，信息吞吐量大，网络负荷重。因此对该区域的多频段传播特性的分析对

6、现网具有很高的利用价值。2.2 测试路线选择测试过程中，接收数据的波动方差通常会随着频段、距离等因素的变化而变化，从而影响到传播模型预测的准确性。为了找到信号的波动性与距离之间的关系，减小预测误差，在CW测试时，通过选择不同的测试线路，将路测信号区分为远、中、近三种场景，通过对不同场景下信号均值、方差的拟合情况的分析，找到一种受距离影响最小、最准确的数据处理方法。具体来讲，远距离场景下数据滤除范围是200米到2500米；中距离场景下距离滤除范围是100米到1500米；近距离场景下距离滤除范围是100米到600米。远距离场景（五羊新城）中距离场景（五羊新城）近距离场景（五羊新城）远距离场景（新全

7、球通大厦）中距离场景（新全球通大厦）近距离场景（新全球通大厦）图2-1 测试路径图注：远距离场景和中距离场景的测试路 线相同，在数据处理上会采取相应手段按照场景的距离进行数据滤除。2.3 设备参数配置发射机配置：发射功率：43dBm 天线增益：5dB发射频率：（回避倍频位置，其杂散很可能较高 ）GSM：926MHZ； TD：1880MHZ； LTE：2616MHZ 挂高: 全球通大厦：26米 五羊新城：38米接收机配置：采样率： 10ms接收机增益：5dB 接收频率：（回避倍频位置，其杂散很可能较高 ）GSM：926MHZ；TD：1880MHZ；LTE：2616MHZ 高度： 1.5米 数据处

8、理软件：大唐NPS仿真软件2.4 数据处理要求地理平均：6米功率滤除：GSM:高于-35dBm 低于-105dBmTD: 高于-35dBm 低于-110dBmLTE: 高于-35dBm 低于-115dBm在数据采集中要求采样点均匀分布,在校正区域内收集尽量多的数据在进行CW测试前，首先对926、1880以及2616MHZ频点进行扫频干扰测试，GSM926MHZ的噪底在-110dBm左右，TD1880MHZ在-115dBm左右而LTE2616MHZ在-120左右。为剔除干扰对结果的影响，在后期处理数据时，GSM滤除低于-105dBm的数据，TD滤除低于-110dBm的数据，LTE滤除低于-115

9、dBm的数据3、传播模型分析电磁波在城市中的传播非常复杂。目前通常采用统计传播模型作为传播特性的预测手段。本文主要目的是分析LTE频段与GSM、TD频段在传播特性上的差异，所以依然利用传播模型作为分析工具，评估多频段传播特性。统计传播模型的核心思想是利用路测数据（通常为CW数据）和经纬度获取每个采样点的路损，结合传播模型和数字地图，重新估计传播模型参数。估计后的传播模型通常表示为每个采样点的均值。从统计理论看，二阶矩是重要的分析量，在传播模型领域中，表示为波动标准差。波动标准差在本文中有两个含义：1、频段差异造成波动性不一致，从理论看，高频的波动标准差大于低频；2、从统计理论看，波动性大小直接

10、影响参数估计的准确性。波动差越大，参数估计越不准确。因此，为了尽可能的获取有较高可靠性的传播模型，在测试过程中应通过大样本的参数估计以减小数据处理过程中产生的波动标准差。本次测试采用的传播模型为SPM传播模型。传播模型校正针对K1、K2Kclutter和三个参数。从物理意义上讲，K1代表传播模型曲线的斜率，K2代表传播模型曲线的截距。在校正过程中，为了能够对三个频段的传播模型的传播特性做直观对比，需要将三个频段的传播模型的参数K2统一，当K2相同时，三条曲线的斜率相同，这时三个频段在传播特性上的差异由曲线的截距决定（即参数K1的差）。因此，本文的传播模型校正过程分三步进行：1、 首先对三个频段

11、分别进行模型校正，获取每个频段的K1、K2以及Kclutter参数。2、 计算三个频段的传播模型参数k2平均值；3、 将K2平均值带入传播模型计算中，保持不变，重新对每个频段的K1和Kclutter进行校正。理论上，传播模型校正解的形式可以有多种，只要波动方差保持相对一致，那么模型校正结果都是可靠的。经实际验证，统一参数K2后，波动方差的变化较小（与同时校正K1、K2、Kclutter三个参数相比变化在0.5dB左右），这证明统一K2校正传播模型的这种方法在理论上是可行的。因此，本文对传播模型的校正和对传播特性的分析，都是基于固定K2后做出的。4、数据处理分析4.1远距离场景数据处理在远距离场

12、景下（200米2500米）,三个频段的传播模型曲线图：图4-1 传播模型校正图NPS软件会根据计算得到的传播模型重新对路测信号做出预测，并把预测信号与实际路测信号进行拟合对比，通过均值、方差等参数体现预测信号与实际信号的差异，从而说明得到的传播模型是否准确。图4-2 数据拟合对比示意图表4-1校正后均值方差统计频段联合校正误差均值标准方差GSM926MHZ-0.0267.3082TD1880MHZ0.00137.229LTE2616MHZ-0.01598.2113表4-2 校正后的传播模型参数参数GSM926校正结果TD1880校正结果LTE2616校正结果k1-9.222.827.55k25

13、15151k25.825.825.82k30.30.30.3k5-6.55-6.55-6.55k6000Kclutter1114.2中距离场景数据处理在中距离场景下（100米1500米）,三个频段的传播模型曲线图：图4-3 传播模型校正图图4-4 数据拟合对比示意图表4-3校正后均值方差统计频段联合校正误差均值标准方差GSM926MHZ-0.01487.9782TD1880MHZ0.01827.952LTE2616MHZ-0.00859.0921表4-4 数据拟合对比示意图参数GSM926校正结果TD1880校正结果LTE2616校正结果k1-18.7-6.35-2.82k2575757k25

14、.825.825.82k30.30.30.3k5-6.55-6.55-6.55k6000Kclutter1114.3近距离场景数据处理在近距离场景下（100米600米）,三个频段的传播模型曲线图：图4-5 传播模型校正图图4-6 数据拟合对比示意图表4-5校正后均值方差统计频段联合校正误差均值标准方差GSM926MHZ-0.58.7826TD1880MHZ-0.0098.2897LTE2616MHZ-0.06179.507表4-6 数据拟合对比示意图参数GSM926校正结果TD1880校正结果LTE2616校正结果k11.3313.7914.91k2505050k25.825.825.82k3

15、0.30.30.3k5-6.55-6.55-6.55k6000Kclutter1115、LTE传播特性对比分析5.1三种测试场景下传播模型对比分析根据之前一步的数据处理结果，得到了三种测试场景下的传播模型。在进行多频段传播特性分析前，首先要选择一种最准确的传播模型作为传播特性分析的基础。传播模型预测的准确性是由拟合均值、方差的大小决定的。均值、方差越小，说明拟合越准确。通过对比三种测试场景下的传播模型校正结果发现，近距离场景拟合方差大，远距离场景拟合方差小。这主要是由于在近距离情况下，信号通常会有剧烈波动，这种剧烈的波动是由于位置变化引起的，并不是随时间变化的快衰落。本文选择的传播模型校正方法

16、是平滑的对数曲线，无法刻画剧烈的波动，因而导致拟合结果不准确。表5-1 不同距离下标准差比较远距离标准差GSM926TD1880LTE26167.2297.30828.2113中距离标准差GSM926TD1880LTE26167.97827.9529.0921近距离标准差GSM926TD1880LTE26168.78268.28979.507下图为LTE2616频段在五羊新城远、中、近距离情况下拟合情况差异：图5-1 LTE频段数据拟合对比示意图从图中可以看出，无论是在近场还是远场，基于远距离场景下得到的传播模型的拟合预测都是最准确的。这是由于远距离场景的样本容量大，样本点分布均匀，能够较为客

17、观的表现无线电波的传播特性。因此本文对传播特性的分析是基于远距离场景下传播模型给出的。5.2 LTE与GSM、TD传播特性差异分析本文LTE频段与GSM、TD传播特性比较最终归结于传播模型参数K1的比较和波动方差的比较。其中，K1表示传播损耗差异；而波动方差表示传播模型校正可靠性和地物波动特性。在相同场景下，三个频段的波动方差随着频段的上升而增加，如图所示：表5-2远距离场景下标准差参数GSM926TD1880LTE26167.2297.30828.2113电磁波在介质中传播，其振幅会随频率变化，其表现形式如下：EX=E0e-wcpde-jwcnd其中，p为介质吸收系数，w为频率，c为光速，d

18、为距离，n为折射率。令=wcn,=wcp,上式可简化为 EX=E0e-de-jd,为衰减常数。在绝缘体条件下， 60，是与频率无关只与介质有关的衰减常数；而n，则=wc。显然振幅Ex的波动性会随频率的增加而加大，这与本文测试的结果相符，即高频信号在城区传播的波动方差大于低频信号。当GSM、TD、LTE三个频段传播模型参数K2一致时，三条曲线的斜率相同，这时，三个频段在传播特性上的差异由参数K1决定：表5-3传播特性差异对比传播特性差异测试结果差异（dB）经典模型差异（dB）自由空间（dB）GSM与TD12.0412.736.15GSM与LTE16.7717.599.02TD与LTE4.734.862.87如表中所示，LTE2616频段与TD1880频段的传播特性差异在4.73dB；LTE2616频段与GSM926频段的传播特性差异在16.77dB；GSM926频段与TD1880频段的传播