FuTURE 4G TDD试验系统链路预算与组网分析

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针对下一代移动通信系统的研究与开发工作得到全世界范围的关注，如何在下一代移动通信系统中进一步提高频谱利用率、为用户提供更好的业务体验成为研究者首要关心的目标。    中国于2001年开始了关于下一代移动通信系统的研究工作，依托国家“863”高科技计划形成了未来移动通信计划(FuTURE)[1]，负责中国4G移动通信系统的研究以及试验系统的开发、测试工作。FuTURE计划研究与开发的目标是面向未来10年无线通信领域的发展趋势与需求，研究下一代移动通信技术，建立相关关键技术验证系统，支持面向未来的无线通信新业务，并在4G标准化等方面发挥积极的作用。
    FuTURE计划包括两个研究分支，一为频分双工(FDD)4G系统，另一分支为时分双工(TDD)4G系统[2]。其中FuTURE 4G TDD试验系统于2006年6月开发完成，整套试验系统共包括2套基站接入点设备(AP)、3套移动终端设备(MT)，提供支持移动性的多小区组网测试环境。
    FuTURE 4G TDD试验系统采用了一系列先进的技术，包括多入多出技术(MIMO)、正交频分多址技术(OFDM)、软分数频率复用技术、广义分布式网络架构[3]等。
    针对FuTURE 4G试验系统的组网要求，在FuTURE 4G TDD试验系统联合调试结束，将要开始进行试验网搭建以及系统组网测试时，需要提前进行关于FuTURE 4G TDD试验系统的链路预算以及组网分析工作，以确定试验网如何搭建、如何规划。由于FuTURE 4G TDD试验系统采用3.45 GHz频段作为载波频率，而关于3.5 GHz频段电波的传播特性国内外研究较少，尚缺乏通用的传播模型；另外，由于FuTURE 4G TDD试验系统采用了MIMO技术，而MIMO技术对天线的架设位置、实际无线传播环境等较为敏感。所以针对FuTURE 4G TDD试验系统的链路预算与组网分析工作成为了试验网能否成功搭建的关键。
    本文介绍针对采用3.45 GHz载频、采用MIMO技术的FuTURE 4G TDD试验系统的链路预算工作以及基于实际无线环境的外场测试与试验网组网分析等工作。
    1.试验系统射频参数
    在进行FuTURE 4G TDD试验系统的链路预算工作之前，需要分析该试验系统的射频设备的相关参数，特别是试验系统的发射功率、接收机灵敏度、噪声系数、天线方向图、天线高度、天线增益等。针对MIMO技术的采用，还需要特别考虑多天线的配置情况以及多天线之间的几何分布等。

    FuTURE4GTDD试验系统的详细射频参数指标参见表1。
    2.试验系统链路预算
    根据FuTURE 4G TDD试验系统的射频设备参数，在进行链路预算工作时，需要根据3.5 GHz左右频段的电波传播特性，通过传播模型进行信号覆盖范围的计算，进而得到FuTURE 4G TDD试验系统可以实现的覆盖范围参考值。
    2.13.5GHz频段电波传播特性
    FuTURE 4G TDD试验系统采用了3.5 GHz频段的载频，中心工作频率为3.45 GHz，频带宽度为20 MHz。目前，针对电波传播特性的研究，比较常用的传播模型包括奥村(Okumura)模型和Hata模型，其中Hata模型又可以分为适用于频率范围为150～1 500 MHz频段的Okumura-Hata模型和频段扩展到2 GHz的Cost231-Hata模型[4-5]等。由于实际无线环境非常复杂，不可能进行精确的理论建模，在实际应用中，需要针对不同的环境选择合适的传播模型，没有一个模型可以适用于所有的传播环境。
    FuTURE 4G TDD试验系统采用的载波频段为3.45 GHz，所以奥村模型和Hata模型均不再适用。目前关于3.5 GHz左右频段的电波传播特性的研究在国内外正在逐渐得到重视，由于2 GHz左右频段的应用目前十分拥挤，未来移动通信系统将有可能采用更高的工作频段，所以关于3.5 GHz、5 GHz频段的电波传播特性的研究已经得到开展。
    北京邮电大学无线新技术研究所在3.5 GHz频段的电波传播特性方面做了比较深入的研究，在以北京邮电大学为中心的市区环境进行了大量电波传播特性的测试测量工作，在对大量的测试数据进行了统计分析后，得到了3.5 GHz频段的电波传播特性的传播模型[6-7]。
    图1表示了以北京邮电大学为中心的3.5 GHz频段电波传播特性的实测区域，图1中心圆点位置为天线架设地点，位于北京邮电大学的主楼楼顶，测试天线配置为1发2收，测试区域的半径达到2 km以上，最大移动速度100 km/h。

    表2为根据实测数据分析得到的路径损耗因子数值，分别给出了以天线架设地点为中心，东西南北4个朝向的路径损耗因子数值以及平均路径损耗因子。

    FuTURE 4G TDD试验系统的链路预算工作将依据3.5 GHz频段的实测模型进行计算，由于FuTURE 4G TDD试验网搭建将以北京邮电大学为中心，所以，基于北京邮电大学环境的实测数据得到的该传播模型具有更加准确的适用性。
    根据实测模型，3.5GHz频段的路径损耗模型如式(1)所示：

    其中PL(d )为电波传输经过距离d 后的路径损耗，以公里为单位，λ为波长，d 0为参考距离，计算中取10 m。为了保证得到可靠的链路预算，在计算中需要预留出一定的余量，所以在实际计算中，路径损耗因子n以最大值(北向)代入。
    2.2接收机灵敏度的计算
    接收机灵敏度是表征接收机能够正确接收并识别信号的下限，在链路预算工作中，必须保证发射信号经过空间衰减到达接收机时能够被接收机正确识别。
    FuTURE 4G TDD试验系统中，由于上行移动终端(MT)最大发射功率小于基站接入点(AP)端的发射功率，所以整个试验系统是上行受限的，因此需要以上行为例来计算系统的覆盖范围。
    根据试验系统的性能指标要求以及射频参数，AP端的接收灵敏度计算如下：
    根据FuTURE 4G TDD试验系统的性能指标，当误码率(BER)指标达到10-6时，所需的Eb /N0为3 dB，考虑到试验系统硬件实现时的开销，将Eb /N0换算为信噪比(SNR)为12.3 dB(试验系统采用16QAM调制，1/3编码)，即输出的SNR out为12.3 dB。
    根据表1，AP接收机噪声系数F =5 dB。所以AP接收端所需要的输入信噪比为：
    SNRin=SNRout+F=17.3 dB (2)
    热噪声可以通过公式N =KTB计算得到。其中K为波尔兹曼常数，值为1.381×10-23 W/Hz/K，T为室温(290 K)，B为带宽(20 MHz)，噪声功率可以通过如下计算得到：
    N=KTB=10lg(1.381×10-23×290×20×106)=-131.9dBW=-101.9 dBm (3)
    AP端天线增益GAP =14 dBi。所以AP所能接收到的信号功率最小值(接收机灵敏度)为：
    Prmin=SNRout+F-GAP +N =-98.9 dBm (4)
    2.3系统最大可承受链路损耗参数的计算
    根据上节计算得到的接收机灵敏度以及MT最大发射功率，可以计算得系统最大可承受的链路损耗值。
    发送端天线增益为G MT =5 dBi。在BER要求为10-6时，MT采用27 dBm的最大发射功率，系统可承受的链路总损耗最大为：
    PLmax=Ptmax-P min +G MT -L other
    =27+98.9+5-2
    =128.9dB (5)
    其中L other为FuTURE 4G TDD试验系统中的馈线损耗等其他损耗，约为2 dB。
    另外，在实际环境中，还需要考虑阴影衰落保护余量以及快衰落保护余量，参考工程中使用实际环境估计值[8-9]，快衰落保护余量为3dB，阴影衰落保护余量为7dB，此时系统最大可承受的路径损耗可以得到为：
    PL’max=128.9dB-3 dB -7 dB = 118.9 dB (6)
    2.4系统最大可覆盖区域的计算
    基于式(1)给出的3.5 GHz频段实测模型链路损耗计算公式，在PL(d )=118.9 dB时，代入式(1)：
    PL(dmax)=PL(d0)+10nlg( )
    =138.4+10×3.76×lg(dmax)
    =118.9dB (7)
    可以计算得到FuTURE 4G TDD试验系统上行最大覆盖半径为：
    dmax=0.303 km (8)
    为了使移动终端可以在2个AP之间进行切换，保证业务的连续性，FuTURE 4G TDD试验系统的覆盖范围应该小于上行最大覆盖半径。
    3.试验系统组网分析
    根据FuTURE 4G TDD试验系统的链路预算计算结果，可以进一步进行FuTURE 4G TDD试验网的组网分析工作。试验网的建设将以北京邮电大学为中心，网络建设的目标为支持2基站3移动终端的试验网，支持多用户以及用户移动性，并可以提供高达100 Mb/s的峰值数据传输速率。
    虽然在链路预算的计算过程中采用了根据北京邮电大学实际环境实测得到的3.5 GHz频段电波传播模型，但是理论计算结果与实际无线环境仍然可能会有一定的差别。尤其是FuTURE 4G TDD试验系统采用了MIMO技术，而MIMO技术对多天线的布局、架设以及无线环境等因素均较为敏感，所以在链路预算的基础上，还需要进行实际无线环境的外场实测与分析工作，以确定2个基站的架设位置、基站间距以及切换区域的规划等组网分析工作。
    3.1实际无线环境外场测试
    FuTURE 4G TDD系统进行实际无线环境外场测试的基本射频参数如表3所示，由于保证硬件设备维持正常调试的需要，在进行无线环境外场测试时，MIMO配置采用了2发4收的简化配置，即发送天线采用2根120度方向性天线，以保证较高的天线增益，最大发射功率为27 dBm，接收天线采用4根全向天线。发送端多天线布局为水平线阵布局，间隔1.5 m，倾角小于15度，天线朝向为西向，收端4天线采用水平线阵布局，间隔1 m。

    实际无线环境的外场测试过程中，接收端通过统计接收到数据的误块率(BLER)来判断通信质量的高低。外场测试环境为北京邮电大学校园环境，外场测试的测量范围覆盖大约为350 m×200 m的矩形区域，属于建筑密集区域，信号反射、绕射、散射体较为丰富，树木遮挡、楼宇遮挡环境较多。
    通过使用测试车在测试区域内多次测量，得到实测数据的平均结果如图2所示。

    3.2外场测试实测数据分析
    外场测试使用2发4收的实际MIMO链路进行北京邮电大学校园无线环境的测量，测量结果对于MIMO系统的覆盖性能、天线布局的影响等方面具有较大的参考价值。
    在实际外场测试过程中，总体测试情况较好，在27 dBm的发射功率下，可以覆盖200 m左右的范围，误块率最好可以达到0。大部分区域都可以达到理想情况的接收，误块率保持在5%以下，相对应的误码率处于10-5至10-6之间。树挡以及楼挡对2发4收 MIMO系统的影响较小，当无线环境中存在散射及绕射时，MIMO系统工作正常，误块率小于5%。
    3.32基站3移动终端组网分析
    根据FuTURE 4G TDD试验系统链路预算以及实际无线环境外场实测的结果，可以得到北京邮电大学校园内的FuTURE 4G TDD试验网组网方式。
    网络元素共包括1套控制单元(CU)、2套AP、3套MT，支持多用户、支持越区切换等移动性管理。其中AP覆盖半径达到200 m，系统达到的误码率为10-6，误块率保持在平均5%以下，峰值数据传输速率达到122 Mb/s，可以支持高清晰度电视(HDTV)、高速数据下载、IP语音(VoIP)等业务。
    4.结束语   
    FuTURE 4G TDD试验系统采用了3.5 GHz频段作为载波频率，使用了宽带MIMO、OFDM等一系列关键技术，试验系统支持2基站3用户的配置，支持多用户，支持移动性，提供高达100 Mb/s的峰值数据速率。FuTURE 4G TDD试验系统及试验网已经成功完成并通过鉴定，其中针对3.5 GHz频段的链路预算以及MIMO系统的组网分析等工作对FuTURE 4G TDD试验网的成功建设起到了重要作用，相关的链路预算结果以及针对MIMO系统的外场实测数据与分析将对下一代移动通信系统的网络建设工作提供有益的参考。
    5.参考文献
    [1]YUXiao-hu,CHEN Guo-an, CHEN Ming, et al. The FuTURE Project in China [J]. IEEE Communications Magazine, 2005, 43(1): 70-75.
    [2]ZHANGPing,TAO Xiao-feng, ZHANG Jian-hua, et al. The Visions from FuTURE Beyond 3G TDD [J]. IEEE Communications Magazine, 2005, 43(1): 38-44.
    [3]陶小峰,戴佐俊,唐超, 等. 广义蜂窝网络结构及切换模式——群小区及群切换 [J]. 电子学报, 2004, 32(S1): 114-117.
    [4]柏托尼HL. 现代无线通信系统电波传播 [M]. 北京:电子工业出版社, 2002.
    [5]吴志忠.移动通信无线电波传播[M]. 北京:人民邮电出版社, 2002.
    [6]张明,张建华,姜磊, 等. 3.5 GHz 宽带信道测量和相关参数分析 [J]. 北京邮电大学学报, 2005, 28(5): 80-84.
    [7]ZHANGMing,ZHANG Jian-hua, ZHANG Jun, et al. Broadband channel measurement and analysis[J]. The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications. 2006, 13(3): 24-28.
    [8]苏信丰.UMTS空中接口与无线工程概论[M]. 北京:人民邮电出版社, 2006.
    [9]中国移动通信集团公司技术部.中国移动通信GPRS无线网络规划原则(试行)[M]. 2001.
    作者简介：
    许晓东，北京邮电大学无线新技术研究所在读博士研究生，研究方向为先进移动通信系统及其关键技术，包括广义分布式网络架构、无线资源管理策略、3G增强及其标准化工作等。已发表论文10篇。李亚卓，北京邮电大学无线新技术研究所在读博士研究生，主要研究方向为新一代移动通信系统中的关键技术及实现，包括新一代无线射频收发技术、MIMO通信系统通道相关性研究及校准技术等。已发表论文10篇。陶小峰，北京邮电大学无线新技术研究所副所长、博士、副教授，国家“863”计划通信技术主题FuTURE未来移动通信计划TDD特别工作组组长。已发表论文51篇，其中SCI、EI、ISTP检索论文35篇；申请发明专利16项，其中2项已授权；出版专著2部。