TD-LTE双频网结构规划研究

（中国移动通信集团设计院有限公司新疆分公司，乌鲁木齐 830011）

TD-LTE双频网结构规划研究

田桂宾，徐明，王懿华

（中国移动通信集团设计院有限公司新疆分公司，乌鲁木齐 830011）

本文分析了TD-LTE系统F/D双频组网的必要性；分析了TD-LTE系统F/D双频组网的难点；分析了网络结构的调整对双频组网带来的影响；结合实际网络测试结果提出了合理的网络结构规划方案。

TD-LTE；双频组网；发射功率；功率控制；天线倾角；网络结构

在国家有关部委的大力推动下，TD-LTE已经初步形成由中国企业主导、全球主流企业广泛参与，包括系统、终端、芯片、测试仪表企业等在内的完整产业链。产业链成熟度不断提高，2012年很多国家运营商进行大规模网络部署，使得TD-LTE标准全面走向国际化，为今后TD-LTE国际化漫游奠定了良好的基础。

随着TD-LTE网络的逐步商用，预计数据业务需求将呈现爆炸式增长，单独采用F或D频段进行TDLTE建设，将无法满足将来用户业务量需求，但F频段与D频段由于频段存在一定差异性，如何合理规划网络，规避双频差异性，充分发挥F/D双频组网优势，满足市场发展需求，成为网络建设的关键。

1 TD-LTE无线网络F/D双频网建设难点分析

1.1 F/D频段室内外环境覆盖范围及相关指标差异性分析

室外天线在可视范围内的环境下，基站和终端间的信号主要是直射传播信号。此时信号链路可采用自由空间模型进行计算：

其中，f为频点(MHz)，hb为基站高度(m)，d为UE到基站距离(km)。

假设采用相同挂高，则路损差为：

在室内环境或有建筑物遮挡天线的非可视环境下，基站和终端间的传播主要是反射传播信号，链路预算中多采用COST 231 HATA模型进行计算：

其中，f为频点(MHz)，hb为基站高度(m)，d为UE到基站距离(km)，Hm为终端高度(m)，a(hm)为UE修正因子(dB)，Cm为城市修正因子(dB)。

假设采用相同挂高，则路损差为：

由此可见室外及室内环境差异性主要在于：终端前后所在位置传播环境发生变化（由直射环境变为反射环境），从而导致不同频段接收信号强度差异变大。如果采用相同站址进行网络建设，在室外场景会出现F频段越区覆盖或D频段覆盖不足；而室内环境下会出现F频段覆盖较强，而D频段覆盖出现盲点下载速率严重急剧下降的现象。

通过NTT DoCoMo 3G商用网用户行为调查：3G业务使用大多数是室内发生的，尤其在高速数据业务主要应用在室内。如何在室内环境下降低F/D双频网覆盖差异性，是提升系统网络质量、提升用户感知的关键。

1.2 TD-LTE无线网规划时应当统一考虑双频网建设方案

为提高频谱效率，TD-LTE系统要求必须采用同频组网进行设计；同频组网条件下，对网络结构提出了更高的要求。依据实验网建设经验发现不同网络结构下吞吐量累计分布图如图1所示。

图1 不同网络结构下吞吐量累计分布图

因此在网络建设之初就应当确定整体网络结构，后期通过网络优化等手段对结构进行调整时，将会对成片基站造成一定的影响，网络优化难度较高。考虑到今后系统容量因素，在进行网络建设之初就应当采用F/D同步规划，采用一次规划分步实施的方式进行建设。

考虑到F频段无线网络覆盖能力强于D频段，为确保D频段的连续覆盖能力，建议以D频段为基础进行整体网络规划。在进行D频段规划设计时，如何控制F频段覆盖范围，降低系统内部干扰是制定网络建设方案的关键。

2 TD-LTE双频网建设方案分析

对COST 231 HATA模型分析可以发现，控制无线网络覆盖范围的方式主要包括如下。

2.1 通过调整天线高度控制双频网覆盖能力

链路预算中多采用COST 231 HATA模型进行计算：

由于天线挂高决定着系统链路损耗，天线越高系统损耗越低，反之系统链路损耗越高。因此在进行覆盖范围控制时多采用调整天线高度的方式。通过以上分析可知如果需要实现F与D频段共址建设，应当实现两者3～5 dB路损差。

通常在城区范围内要求基站覆盖距离为300 m，照此进行计算D频段天线挂高需达到F频段2.7倍，这在工程中几乎无法实现。因此不可能通过调整天线高度来弥补双层网之间的覆盖差异。在实际工程建设过程中发现现有基站天面资源较为紧张，在进行F/D频段双频网建设时，部分基站必须采用共天线方式建设。

2.2 通过调整功率控制双频网覆盖能力

由于发射功率能够有效调整基站覆盖能力，因此在现网中多采用降低功率的方式来控制无线网覆盖范围。尤其在室内分布系统规划设计中，多通过增加衰减器等方式控制天线口的发射功率。

但在TD-LTE实验网中进行无线网络覆盖测试时发现，由于采用高频段进行建设，因此D频段穿透能力较弱，如果单一采用宏蜂窝进行覆盖，仅能覆盖街边低矮建筑物或楼宇窗边等区域，无法实现深度覆盖。而由于室内分布系统造价高、工程协调难度大，在居民区通常无法进行室内分布建设，必须通过室外宏蜂窝进行覆盖。为确保网络覆盖能力，确保双频网覆盖范围，建议合理设置相关网络发射功率电平值。

2.3 针对不同频段规划基站间距来控制双频网覆盖能力

由于基站间距直接决定了基站覆盖能力。对F/D采用不同的网络结构进行规划，以控制不同频段的覆盖范围。

通常无线网络的覆盖质量与基站间距结合较为密切。在整体网络结构中，基站站址分布的合理性直接决定着网络的RSRP指标。依据无线网络链路预算可知，基站间距越密集，RSRP指标越高，同时同频干扰比例及重叠覆盖比例也将随之增大。因此对不同频段的系统采用不同的基站密度是进行网络规划的关键。

如果采用F/D分别组网的方式进行规划，虽然能够保证双频网络的整体覆盖能力，但是将存在以下几个方面的问题。

首先，基站站址数量将急剧增加，由于D、F覆盖半径不同，基站密度也将完全不同，将存在一定比例的新选址基站以弥补各自网络覆盖能力的不足。

其次，由于部分F/D基站不能采用共址方式建设，因此该类小区不能采用小区合并技术，将F/D小区合并为同一个逻辑小区。因此将存在大量跨频段切换。由于跨频段切换增加了大量系统间的测量和信令交互，因此增加了用户切换时延和信令开销，对网络质量影响较大。

采用针对不同频段规划基站间距来控制双频网覆盖能力的方式将加大基站新选址难度，对网络质量影响较大。因此不建议采用分频段进行站址规划，规划时应采用一次规划分布实施方式进行建设。

2.4 通过调整天线倾角控制双频网覆盖能力

无线基站天线的倾角对网络覆盖范围影响较大，天线倾角计算公式如下：

其中：DT为天线倾角，H为天线高度，DF为最远3 dB覆盖矩离，VB为垂直波瓣。

从上式可以看出调整DT能够有效控制基站覆盖距离。通常在网络优化工程中合理调整基站的俯仰角能够有效控制越区覆盖现象。由于调整天线倾角工程施工难度小、投资低，是进行F/D双频组网的首选。

3 合理设置网络结构进行TD-LTE双频网建设

3.1 合理设置天线倾角控制双频网覆盖能力

通常无线天线下倾角主要采用3种方法及其组合进行设置：机械下倾、内置电下倾和电调。

电调天线与内置电下倾天线原理相同，都是通过电信号改变天线振子的馈电相位，调整电磁波场强强度，控制天线辐射能量的0°方向。由于天线在水平和垂直方向的场强强度同时增大或减小，从而保证了在改变倾角后，天线方向图形状变化不大，从而避免出现因方向图变形而产生的越区覆盖。

机械方式是通过调整天线背面支架的长度，改变天线的下倾角。倾角较大时，所以天线方向图严重变形，水平波束宽度随着下倾角的增大而增大。通过大量测试发现：机械倾角超过9°时主瓣区域压缩，覆盖方向图像两边扩展，容易引起越区覆盖，通常在6°范围内覆盖方向图未出现明显变形现象。

建议在进行天线下倾角设置时应当充分考虑机械下倾对方向图影响因素，尽可能采用预制电下倾的方式进行倾角设置，机械下倾在网络优化时作为优化手段进行网络结构调整，且最大角度应当控制在9°以内。

结合COST 231 HATA模型对F频段和D频段进行计算。

由表1可知，为确保F频段与D频段覆盖相同距离，F频段在主城区区域应当增加2°倾角，在一般城区应当增加1°倾角。由于机械下倾对网络影响较大，因此建议采用内置电倾天线。要求在共址基站建设时F频段天线阵子与D频段天线阵子应当有1°～2°电倾的差值，从而保证F频段与D频段机械下倾保持一致，降低工程建设的复杂度。

3.2 合理设置基站发射功率控制双频网室内覆盖能力

在试验网实测过程中发现：相同材质下，1.9 GHz和2.6 GHz频率穿透能力相差无几，即穿透损耗差异接近于0。F/D室内信号传播能力的差异主要是由不同频率信号在室外+室内的传播造成的。

由于传播损耗差异性较大，F频段的室内外综合覆盖效果强于D频段，特别是室内场景中，随着覆盖深度的增加，建筑物深度F频段的信号强度明显优于D频段。在室内场景，F/D综合覆盖均值差为4.2 dB，室内深层覆盖的均值差为5.7 dB。由于考虑到高频段穿透损耗较差，在实验网测试过程中发现，TD-LTE系统只能实现室内浅层覆盖，过度加大基站密度将会影响网络结构，加大系统内干扰。因此室内深度覆盖只能通过室分、室外分布等其它手段提供，在网络规划过程中，TD-LTE系统宏蜂窝基站规划重点考虑室内浅层覆盖为主，F/D频段均值差建议按4.2 dB考虑。

表1 FD频段不同倾角下覆盖范围计算表

3.3 合理规划基站间距控制双频网覆盖能力

结合实际网络测试结果建议规划时相关基站间距设置如表2所示。

表2 不同场景FD频段覆盖距离统计表

由于F频段空中链路损耗小于D频段，因此如果要保证双频网络相同覆盖能力，只能增加D频段物理站址，合理提升D频段发射功率或降低F频段发射功率。由于基站最大发射功率是固定的，因此规划时应当参照D频段统一进行规划，建议降低F频段发射功率确保双频网覆盖能力。

4 调整下倾角对室内覆盖影响分析

TD-LTE无线网络建设重点考虑室内浅层覆盖能力，F/ D频段分别设置下倾角对室内覆盖的结果对双频网络同等覆盖具有重要影响。

天线下倾角的设置主要是对天线垂直波瓣主波束的方向进行调整。

从图2可以看出当天线下倾角调整时，仅仅是调整了天线覆盖范围，天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，天线主瓣垂直方向的信号几乎没有改变。结合COST 231 HATA模型：在同一地点，距离天线的位置，路径并没有发生明显变换，天线高度没有调整的情况下，路径损耗没有发生改变，室内点电平值不会发生改变。

依据相关测试结果表明：在城市楼群的室内覆盖环境当中，覆盖电平值主要取决于楼的建筑结构以及楼群的密集程度；其次为测试点与基站的距离；此外还取决于测试地点在室内的深度。因此对同一天线点位，对天线下倾角的调整，不能明显改变室内电平值，仅仅是对覆盖范围进行有效控制。

由此可见，在进行F/D双频组网建设时主要通过调整下倾角控制覆盖范围，为了实现F/D双频网在室内达到尽可能相同的覆盖能力，需要结合基站发射功率的差异化设置来实现。

图2 天线倾角与覆盖距离以及天线垂直面方向图

5 总结

TD-LTE在建设之初网络规划重点考虑室内浅层覆盖，并充分考虑F/D双频组网建设方案。充分考虑后期工程实施等因素建议：依据D频段采用一次规划分布实施思路进行F/D双频组网方式建设。规划初期应当合理基站间距、提前预置电倾角，分频段设置双频网发射功率规避因频率差异带来的路损差，能够有效提升整体网络容量、降低工程建设复杂度，为今后TD-LTE精品网络建设奠定基础。

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4G时代引发光纤熔接机“连带效应”

随着政策推动和运营商建设规模扩大，我国迈入4G时代的步伐明显加快。

4G所采用的接入频段比2G、3G更高，基站覆盖半径减小，必然需要更多基站。无线只是从基站到移动终端进行信号传输，其它环节都是通过有线的方式实现的，包括射频天线与基站的连接、基站及局间的传输都需要用到光纤光缆。

4G超过100Mbit/s的数据速率对光网络提出了高速带宽的要求。在不同的应用需求下，多样的光纤将与之相匹配，像4G基站密布点就需要复合型光缆。环保型光纤、抗弯折性好的新型光缆将被用于满足4G基站建设小型化的需求。最终，4G会促使光传送网络和设备以及光缆的标准得到很大程度的提升。

中国移动目前的基站回传全部都是通过光纤网络实现的，庞大的基站数对光纤传输的品质要求也会相应提高，高品质的传输网络需要低损耗的光纤和优质的光纤熔接机进行接续，从而有效确保无线网络的传输质量。今后，随着TD-LTE的大规模部署，对于光纤光缆的需求量必然会加大，对光纤熔接机的需求也将进一步提升。

说起光缆，就不得不提到光纤接续技术，光纤接续是整个4G网络传输非常重要的一环，时域上的延迟、响应速度、信号失真度、校验保障这些都牵涉到光纤接续工艺的品质，可以说光纤接续技术的好坏直接影响网络的传输质量。作为熔接机行业的领军品牌易诺仪器在国外成功支撑多种4G要求下的固网接续质量，工程业务覆盖全球，在国内对三大运营商建设固网的技术支持也成效显著。

未来几年，4G成为通信焦点，运营商势必要依靠最先进的光网络设备和光纤接续技术，易诺仪器全球领先的光纤接续工艺将快速提升固网传输性能，进而间接提升4G用户体验。

Dual-band networking planning of TD-LTE through setting network structure

TIAN Gui-bin, XU Ming, WANG Yi-hua
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Xinjiang Branch, Urumqi 830011, China)

This paper analyzes the need and the diff cu lties for F/D dual-band networking of TD-LTE system, analysis of impact for dual-band networking by network structure adjustments. Finally, the paper presented a reasonable amount of network programming by actual network test results.

TD-LTE; dual-band networking; transmit power; power control; antenna tilt angle; network structure

TN929.5

A

1008-5599（2014）09-0029-05

2014-03-26