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基于TD-LTE专网系统的多场景链路预算软件设计

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张婵付楠楠张松轶

摘要：为了解决TD-LTE专网通信系统实地部署过程中耗费的高人力、高物力和高财力问题，设计完成了专网系统多场景链路预算软件。软件以链路预算流程为基础，依托Okumura-Hata模型、Cost231-Hata模型、海面无线传播模型、漏缆模型和Keenan-Motley室内模型，实现了陆地场景、海面场景、地铁场景、室内场景的全覆盖。用户借助该软件能够准确计算网络的覆盖范围，进而评估无线网络的的覆盖性能，指导基站的建设，为网络规划奠定重要基础。

关键词：链路预算；Okumura-Hata模型；Cost231-Hata模型；海面无线传播模型；漏缆模型

中图分类号：TP391.4文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）06-56-4

0引言

伴随无线高速数据业务的飞速发展，专网通信系统对带宽及速率的需求也不断增加[1]。目前TD-LTE技术已经成为行业用户业务需求建网的标配，应用十分广泛。虽然基于TD-LTE技术的组网建设已经比较成熟，但如何更有效降低前期成本和指导基站数量与站址分布还存在很多问题，方便快捷、精准可靠的链路预算作为专网系统部署规划中不可或缺的一环[2-3]，已成为当前专网通信规划中的重中之重[4]。

TD-LTE专网系统多场景链路预算软件面向垂直行业用户场景，旨在建立一个能够获取LTE专网网络覆盖能力的平台。通过该平台软件的详细测算，能够准确计算无线信号的覆盖范围，从而评估当前组网方案设计的覆盖效果，为用户网络建设的选址和无线资源规划提供重要保障。

基于行业应用场景研究统计，TD-LTE专网系统的部署实施需求主要集中在陆地场景、海面场景、地铁场景、室内场景等几个方面。TD-LTE专网系统多场景链路预算软件能够覆盖上述场景的需求，并且操作简便，结果清晰，无需安装。

1总体设计

软件的整体框架是基于戴尔小型服务器搭建TD-LTE专网系统链路仿真平台和多场景信道仿真平台，修正陆地场景、海面场景、地铁场景、室内场景的传统无线损耗模型，最后利用PyCharm和PythonQt工具，使用Python语言完成软件界面的整体呈现。

1.1 TD-LTE专网链路预算流程

链路预算是对信号收发传输过程中各种影响因素进行考察与分析后，估算无线覆盖能力，获得保证一定信号质量下链路所允许的最大传播损耗，并根据合适的传播模型得到小区的覆盖范围[5]。链路预算不仅和网络的覆盖相关，与网络的容量和质量也息息相关，无线覆盖分析估算能够指导基站数量和站址的分布，无线分析覆盖估算方法[6]如图1所示。

TD-LTE专网系统链路预算流程[5]詳细说明如下：

①根据用户需求确定边缘速率；

②根据上下行子帧配比和特殊子帧配比确定用户传输块大小；

③根据②中得到的值和不同MCS，PRB下的SINR解调门限表来确定满足当前用户速率需求所需要的PRB，MCS，SINR解调门限值，并确定接收机灵敏度；

④根据使用场景确定适用的信道模型；

⑤根据使用场景的信道环境和部署条件确定通信链路中的所有损耗、增益和余量参数值；

⑥根据式（1）、步骤③和⑤确定信号传输过程中允许的最大路径损耗值MAPL；

⑦根据步骤④和⑥确定小区的最大覆盖范围。

步骤③作为TD-LTE专网链路软件的核心，SINR所使用的解调门限是由TD-LTE专网链路级仿真获得的，内容的确定需要平台遍历所有MCS和所有PRB下的仿真结果。

在一定误码率BLER的前提下（通常业务信道目标误码率为10%，控制信道目标误码率为1%），只有接收机的信噪比大于等于步骤③中计算的SINR解调门限时，接收机才能正确解调接收到的信号[7]。

1.2信道模型的选取

本文主要基于陆地场景、海面场景、地铁场景和室内场景进行建模分析。

1.2.1陆地场景

陆地场景主要基于Okumura-Hata模型和Cost231-Hata模型[8]进行优化修正。

（1）Okumura-Hata模型

假设条件：传播损耗处理以2个全向天线间交互为基准，地形视作准平滑地形处理，以市区路径传播损耗为基准，在此基础上对其他地区进行修正。

适用条件

工作频率：150～1 500 MHz；作用距离，1～35 km；基站天线高度：30～200 m，移动台天线高度：1～10 m。

（2）Cost231-Hata模型

Cost231-Hata模型以Okumura-Hata模型为基础，利用一些修正项使频率覆盖范围得到扩展。

适用条件

工作频率：1 500～2 000 MHz，基站天线有效高度：30～200 m，移动台天线高度：1～10 m，通信距离：1～20 km。

1.2.2海面场景

海面模型主要基于文献[5]中模型进行修正与优化。通常在沿海高处选择基站站址，其无线传播近似于自由空间的传播，信号可以传播到很远的海面上。由于传输距离较远，地球不能再视作平面，此时地球曲率将对无线电波的传播产生影响。无线电波在海面传播时，在可视距离内，传播路径主要是空气传播的直达波和海面的反射波。而在可视距离外，则需要考虑地球球面形成的遮挡造成的绕射损耗。

假设条件[5]：相对于海面，基站高度较高，基站与终端之间无障碍物，主要获取天线主瓣方向的辐射信号。

适用条件：工作频率为300～3 000 MHz，无遮挡海面覆盖场景。

1.2.3地铁场景

地铁中无线信号主要借助漏泄同轴电缆（漏缆），通过电磁波在电缆中纵向传输的同时利用槽孔向外界辐射电磁波完成覆盖。漏缆损耗模型中，无线信号从发射机到接收机会历经传输损耗、耦合损耗、宽度因子损耗、车体损耗、人体损耗，传输模型比较简单，其中耦合损耗是在95%可通率前提下确定的[9]。

1.2.4室内场景

室内场景选取Keenan-Motley室内模型[10]，影响室内传播的因素主要是建筑物的布局、建筑材料和建筑类型等。室内场景具有2个显著特点：室内面积相对较小，需要无线信号覆盖的范围小；室内传播环境受无线设备的部署位置影响较大，因此建模时需要确认站点的地理位置、建筑楼宇高度、层数、建筑总面积、需要覆盖区域面积等参数，并根据这些因素来修正传播影响因子，使无线信号的覆盖仿真更加趋向真实环境的应用。

1.3软件设计

TD-LTE专网系统多场景链路预算软件在3GPP TD-LTE技术标准的基础上设计开发，能够覆盖上述所有场景需求，既可单独获取TD-LTE上行、下行的覆盖范围，也可获取上下行同时传输时的覆盖范围。

使用PythonQt工具进行软件界面布局，将4个模型共用参数放置到公共区域，各个模型私有参数下放到模型选项内部。界面布局完成之后，使用Python语言对各个模型进行建模，完成边缘用户的速率、TB size、PRB、MCS和SINR解调门限表等参数之间的逻辑关系设计。使用时通过界面输入参数的选择确定，即可得到当前配置下的最大覆盖距离，并将当前场景下的基本配置及计算结果通过Excel表格形式输出。

使用PythonCharm将后缀为.py的软件转换成.exe格式，Windows平台免安装、通用性强，方便使用者直接进行基站覆盖范围计算。

2设计成果

TD-LTE专网系统多场景链路预算软件示意图如图3所示。

本软件集陆地传播模型（Okumura-Hata模型、Cost231-Hata模型）、海面模型、漏纜模型、室内模型为一体，同时支持密集城区、一般城区、郊区、乡村、开阔地等地理类型，适用于陆地场景、海面场景、无人机场景、地铁场景以及室内等不同场景，充分满足TD-LTE专网系统多行业的陆、海、空多场景覆盖需求。同时本软件基于3GPP TD-LTE技术标准，充分考虑多种技术场景需求（不同带宽、上下行子帧配比、特殊子帧配比、终端类型、发射功率、基站天线个数、频率等），设计3种输出模式（单上行、单下行、上下行同时），可支持EPA步行者信道模型、EVA车辆信道模型、ETU典型城市信道模型无线信道模型。链路预算结果以Excel表格呈现，关键输入参数、发射端参数、接收端参数，以及计算路径损耗结果均完整给出。表格名称、表格存放路径也在界面给出，可以灵活对比不同配置时的覆盖差距，从而进一步调整布站策略。

链路预算结果输出示意图如图4所示，以陆地信道模型为例，工作频率为1 500 MHz时，适用的信道模型为Okumura-Hata模型，边缘速率需求为2 000 kb/s，根据实际场景选取带宽20 MHz，上下行子帧配比0，特殊子帧配比5，EPA步行者信道模型，郊区，基站天线高度30 m，UE天线高度1.5 m，基站发射功率46 dBm，终端选择手持台功率23 dBm，增益和损耗选择常用默认值，选取计算上下行同时传输测试结果，表中分别给出了上行与下行的链路损耗及覆盖距离，软件界面中会选取较小的覆盖距离作为最终的结果输出。

3结束语

TD-LTE专网系统多场景链路预算软件基于自研的链路仿真模型得到充分的理论数据，填补了公司TD-LTE专网系统链路预算的空白，大大节省公司网络设备部署的网规和网优成本。

本软件无需安装、操作简便、输出结果清晰，使用者能够方便、快捷、准确地获取到不同应用类型的LTE专网无线覆盖距离，为用户提供了一套完整高效的TD-LTE链路覆盖系统，充分满足用户不同场景的覆盖需求。

参考文献

[1]郑祖辉.应急通信无线专用网络的探讨[J].移动通信，2010，34（22）：45-49.

[2]施玉海，冯海亮，张伟.基于TD-LTE宽带数字集群系统的无线专网商业模式及应用研究[J].广播电视信息，2015（7）： 62-64.

[3]广州杰赛通信规划设计院.网络规划设计手册[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[4]宋玮，凌璁.TD-LTE无线网络覆盖特性及链路预算研究[J].通讯世界，2014（18）：20-21.

[5]张松轶，付楠楠.TD-LTE专网海面覆盖链路预算应用研究[J].计算机与网络，2019，45（8）：68-71.

[6]刘丹，王雪，王利群，等.3G多样性业务环境下无线覆盖半径的估算[J].电信工程技术与标准化，2009，22（2）：27-30.

[7]常静，柏杨.LTE链路预算中边缘速率的确定和仿真[J].智能建筑与城市信息，2012（12）：86-91.

[8]杨有霞.市区TD-LTE场强预测与网络规划研究[D].保定：华北电力大学，2015.

[9]郭进喜，刘扬，刘中华，等.无线通信中泄漏同轴电缆的传输衰减模型[J].科学技术与工程，2018，18（7）：143-146.

[10]邓翠芳.室内无线传播经验模型的研究[C]//2007通信理论与技术新发展———第十二届全国青年通信学术会议论文集（下册），2007-08，北京：电子工业出版社，2007： 531-534.

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