TD-LTE室内覆盖系统场强设计

2010．10．10
中国移动通信集团设计院有限公司
第十六届新技术论坛
TD-LTE室内覆盖系统场强设计
无线所程日涛汪颖赵旭凇
【摘要】：本文分析了TD-LTE室内覆盖系统的场强设计的基本问题，在链路预算分析的基础上，通过考虑室内外小区的协同覆盖，多制式共用室内分布系统的需求、电磁覆盖标准限制因素等多方面因素分析，确定合理的场强设计要求。

【关键词】：RS RSRP 双流业务切换
1概述
移动通信正随着数据业务的高速发展进入一个新的阶段，中国移动也不断面临着新的挑战，业务需求层面展现出宽带化、智能化、个性化等需求特点，技术体制层面2G、3G、LTE、WLAN及其演进等多系统共存带来的协调发展要求，运营竞争层面在国内面临另外两家运营商的竞争引起的保持核心竞争力和差异化服务的挑战，这些问题都要求网络建设必须具有更快的速度、更高的质量、更低的成本。

中国移动对LTE网络的定位是：TD-LTE是中国移动的未来，要坚持TDD/FDD融合的发展方向，将主要承载高速数据业务，并具备承载话音业务功能。

因此TD-LTE技术是以高速数据业务为主要服务目标的，同时未来基于IP语音的技术也能够很好的实现话音业务的承载，
根据室内覆盖系统建设的特点，LTE覆盖设计要综合考虑多方面的因素，包括： TD-LTE室内覆盖系统自身网络需求
包括参考信号强度（RSRP）与各业务信道的解调门限需求、参考信号与各业务信道之间的平衡关系、上下行信道的平衡关系等内容。

此过程中还需要考虑eNodeB设备功率输出能力、UE功率输出能力等限制条件。

室内外小区间的协同关系
室内覆盖系统的场强设计应考虑到与室外宏蜂窝系统间的协同关系，即保证合理的小区选择/重选、小区切换关系。

基于已有网络的改造需求
LTE网络的建设是基于已有系统的，因此其覆盖场强要求应该建立在已有系统基础上通过尽可能小的改造方式实现，即在保证网络性能基础上的可实施性。

电磁辐射标准限制
室内覆盖系统的电磁辐射标准要求满足《GB8702-88 电磁辐射防护规定》和《GB9175-88 环境电磁波卫生标准》的要求。

2覆盖场强分析
2.1TD-LTE室内覆盖系统自身网络需求
LTE承载数据业务的特征决定了所谓的覆盖场强要求是基于一定的业务覆盖速率要求的，而业务覆盖速率与覆盖场强、干扰强度、资源分配与调度策略等均有直接的关系。

2.1.1链路预算
在假定每个RB功率平均分配的前提下，基本条件：
系统总带宽20MHz，100RB；
系统支持并发用户数10，单用户10RB；
基站单通道发射功率43dBm；
终端最大发射功率23dBm。

通过对照PDSCH信道SINR与数据速率的对应表格及其他信道的解调信噪比要求可以得到链路预算如下表所示：
表2-1 链路预算表
从上表中可以看到，当仅考虑各信道解调要求时，为满足PDSCH下行10用户时边缘用户1Mbps的速率，受限的最大允许路径损耗约128.6dB。

如果需要满足PDSCH下行10用户时边缘用户2Mbps的速率，受限的最大允许路径损耗约120.7dB。

图2-1 覆盖范围示意图
2.1.2双通道增益
在LTE室内覆盖方案中双通道模式是其技术特点，目前的研究成果表明，在室内场景下双通道模式能够明显的提升用户吞吐量，由于信道相关性随时间呈现一定的波动性，因此室内覆盖系统可以通过双天馈系统的部署使用SFBC与空间复用相结合的自适应方式。

信道SINR条件、双路天馈间的信道相关性是决定双天馈系统性能的主要因素，而信道相关性与双天馈系统的天线间距和室内环境密切相关。

总体来讲，在信噪比较低的场景，单流的吞吐量性能比双流高；在信噪比很高的场景，双流的吞吐量性能会优于单流，在理论峰值的计算上，双流的吞吐量性能是单流的两倍。

空分复用与分集自适应因引入了空间增益或分集增益，在小区整体吞吐量的提升上有一定作用。

对于开阔场景，天线及终端周边散射体分布较少，因此在相同天线间距下，相关性增强，由于此场景一般天线安装位置选择较多，因此一般建议天线间距在10波长以上以保证实现较好的空间弱相关性，此场景下通过合理的频率规划，信道易于达到较好的SINR条件，双流模式比例高，系统增益较为明显。

对于封闭场景，天线及终端周边散射体分布较多，此场景下双天馈系统的天线间距对相关性的影响不是特别明显，间距在4波长以上，即可良好支持MIMO应用。

但由于
此场景下隔断较多，信号场强较低引起SINR偏低，系统会自适应的更多采用SFBC方式从而保证更好的数据速率，系统增益偏低。

针对走廊、密集房间、大会议室、大办公平面等不同区域进行单双流用户吞吐量对比测试，测试结果如下表所示：
表2-2 双通道吞吐量增益
测试场景如下：
图2-2 测试场景
从上述测试结果可以看到，TD_LTE双通道室内分布系统小区下行吞吐量相比单通道室内分布系统都有明显的提高，平均小区吞吐量60％以上。

测试中也发现，双通道室内分布系统对环境较为敏感，在不同的测试环境下小区吞吐量有明显波动；相对应的单通道室内分布系统对环境不敏感，在不同的测试环境下小区吞吐量波动较小。

2.2室内外小区的协同关系
室内外小区间的协同关系是网络协同发展的需要，协同主要包括以下几个方面的考虑：
室内用户尽量使用室内覆盖系统进行承载，室外用户应严格由室外小区承载
室内覆盖系统承载业务的实际比例直接决定了室内覆盖系统建设的有效性，同时也对分流室外站负荷至关重要。

室外用户应严格由室外小区承载，由于室内覆盖信号在室外覆盖地理区域上的局部特性，一旦承载室外业务将严重影响业务质量。

需主要通过RS强度控制用户在室内外小区的接入比例，一般要求室内覆盖系统边缘场强要高于最强的室外覆盖系统在室内泄露场强10dB，同时要求室内覆盖系统外泄电平在室外10米区域衰减至不高于室外宏基站覆盖电平。

室内外良好的小区选择/重选，切换关系
通过设置合理的过渡区域保障网络质量。

主要通过RS强度控制，可结合小区间负载均衡等手段。

业务切换的连续性
与GSM系统、TD-SCDMA系统导频信道与业务之间有相对一致的对应关系不同，LTE 系统RS功率与业务速率的对应关系更为复杂，因此需要考核室内外切换过程中业务速率的连续性。

图2-3 室内外小区协同关系
典型的室外覆盖场景需满足邻小区空载条件下小区边缘用户下行速率可达到1Mbps，邻小区负载达到70％时小区边缘用户下行速率约350kbps,此时宏基站边缘RSRP
约-115dBm~-110dBm。

考虑室内外电平差应保证5-10dB差值以便于室内覆盖系统能够有效吸收室内话务量，因此室内覆盖的边缘RSRP应保证不低于-105dBm，在本文2.1.1节链路预算部分满足RS最低解调门限的最大允许路径损耗为 132.2dB，此时对应的边缘RSRP为-126.2dBm，远远不能满足室内协同覆盖的要求，如果将室内覆盖边缘RSRP提高至-105dBm，对应的最大允许路径损耗为117.2dBm，此时与室外宏蜂窝系统的业务速率对比关系如下表所示：
观察上表，很显然RSRP的对应关系和数据业务速率并不是统一的，一个事实是室外宏基站在室内区域的泄露场强是随机的，并不总是位于宏基站覆盖区域的边缘，故室内覆盖系统可能会由于RSRP强度的差值导致室内业务被切换到室外宏基站系统上，而此时室外宏基站的业务速率并不一定高于室内覆盖系统，因此从业务切换的连续性分析，可以适当降低室内覆盖系统RSRP对应的PDSCH数据速率。

根据链路预算的结果，当RSRP为-115dBm时对应的PDSCH速率约为1024Kbps，这意味着有约10dB的空间用于优化RSRP的设置，差值的调整主要通过下行功率分配中定义的Pa参数实现，协议213“下行功率分配”部分定义了一个UE级参数Pa，它就是数据信道上每个RE的发射功率EPRE和导频RE上的功率之比；通过调整Pa值可以改变数据信号的发射功率。

下行功率分配机制就是通过Pa来对UE进行功率分配的，针对不同的室内室外场景可能Pa的调整范围以及周期可以不同，需根据实验网的建设经验来调整优化。

2.3基于已有网络的改造需求
TD-LTE室内覆盖系统的建设是基于已有的GSM、TD-SCDMA室内覆盖系统进行改造的，新建的LTE室分系统也需要综合考虑GSM、TD-SCDMA的覆盖需求。

通过对比可知，当最大允许路径损耗为117dB时（TD-LTE下行边缘速率要求为2Mbps 时，Pa值无调整），理论计算的最大允许路径损耗与TD-SCDMA基本相当。

在TD-SCDMA 室内分布系统规划中已经考虑为E频段引入预留的覆盖余量需求，因此当 TD-LTE与TD-SCDMA共用室分系统时，如覆盖半径和点位密度与TD-SCDMA相同，则TD-LTE系统也
可以满足覆盖指标要求，此时两个系统可认为覆盖能力基本一致，即TD-LTE系统可基本参照TD-SCDMA现网覆盖半径要求进行规划，参见下表：
2.4电磁辐射标准限制
室内分布系统的电磁辐射标准要求满足《GB8702-88 电磁辐射防护规定》和《GB9175-88 环境电磁波卫生标准》的要求。

《GB8702-88 电磁辐射防护规定》中规定了对于公众照射，30MHz-3000MHz范围在24小时的任意连续6分钟内的平均辐射上限为0.4W/m2。

《GB9175-88 环境电磁波卫生标准》中对于电磁辐射的安全级别进行了分类限制:一级标准和二级标准对微波（指频率为300MHz～300GHz）的辐射上限要求分别为0.1W/m2和0.4W/m2。

传播损耗情况需要针对近场远场的情况分别分析，对于远场法，设D为待测目标的最大截面尺寸，r为发射天线与待测目标的距离，则当r≥2D^2／λ时(λ为波长)，可近似认为投射到待测目标上的电磁波是平面电磁波。

由于近场的传播损耗分析非常复杂和难以应用，故又将近场分为感应近场和辐射近场，边界为λ/4，而辐射近场可以按照远/4=0.032m，即可以利用远场的分析方法分析距离辐射源0.032m以外的场来考虑。

λ
LTE
场强分布情况。

按0.4W/m2的安全辐射标准要求，考虑天线距离人体最近距离0.5米（一般天线高度不低于2.4米，用户高度不高于1.9米）核算最高场强要求，LTE系统允许的最大发射功率为约29dBm，考虑多系统共同辐射的功率分配，LTE允许的最大安全发射功率将根据各功率系统占比适当降低。

3场强设计建议
综合各方面因素，可以认为在原有室内覆盖系统基础上，不需要经过天线点位的改
造即可接入TD-LTE系统，主要的覆盖场强设计指标如下：
RS信号覆盖场强
RS信号作为进行小区选择/重选，切换的测量判决指标，同样也应该作为室内覆盖系统的覆盖评价指标，根据室内外小区间的协同关系，建议边缘RSRP设定为-105dBm。

总功率覆盖场强
根据业务开展需求，当室内覆盖边缘RSRP强度为-105dBm时，对应的20MHz带宽设备的总输出功率约为10dBm~15dBm。

Pa值的调整
Pa值对于网络优化调整具有重要的意义，如果考虑室内外业务速率的一致性，可以适当调整Pa值，在保证室内外协同要求的室内覆盖边缘RSRP为-105dBm情况下，降低总功率覆盖场强。

覆盖场强的设计直接决定了网络性能与投资规模，是网络设计中最核心的因素之一，但由于TD-LTE系统尚无大规模测试验证的数据，尤其是室内覆盖系统更是缺乏全面系统的测试数据，因此在链路预算中干扰余量等重要参数均为根据一定的仿真条件进行假定，而室内外协同也暂时没有测试数据进行验证，需要随着LTE实验网的建设过程不断跟踪研究。