链路预算移动通信的课程设计.docx

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链路预算移动通信的课程设计

兰州交通大学本科生课程设计

中文题目:

LTE链路预算分析

英文题目:

LTElinkbudgetanalysis

课程：

移动通信原理

学院：

电信学院

专业：

通信工程

班级：

通信1403班

组长：

组员：

指导教师：

邸敬

完成日期：

2017年6月28日

学号

姓名

考勤（10）

团队合作能力

沟通能力（5）

课程设计报告

团队中承担相应的职责（10）

共享信息（5）

技术水平（10）

实践能力（10）

设计完成的正确性（30）

设计完成的规范程度（20）

总分（100）

201409727

姜海军

201409732

裴振启

201409710

卢有德

201409711

赵乃璇

任务分配表

姜海军

链路预算的概述和传播模型的比较

裴振启

链路预算的概述和具体计算分析

卢有德

资料查找和LTE关键技术的分析

赵乃璇

英文文献翻译

成绩打分表

摘要

链路预算是无线网络规划的基础环节，对网络覆盖能力和建设成本的估算具有十分重要的意义。

良好的网络覆盖是所有无线网络赖以生存的根本，直接影响最终的用户感知。

而链路预算是评估无线通信系统覆盖能力的主要方法，是无线网络规划中的一项重要工作。

因此，在进行无线网络规划时需要进行链路预算以得到合理的无线覆盖预测结果，指导后续的网络建设。

本文重点对LTE链路预算的方式及主要参数进行研究，给出了关键参数的典型取值，并分析总结不同的场景或双工方式对链路预算及覆盖能力的影响。

本文结合LTE系统的特点对其链路预算参数进行分析，并着重研究了LTE系统的链路预算方法，并根据链路预算介绍小区覆盖半径和单站覆盖面积的方法，本文给出的方法可用于LTE网络规划和设计（室内和室外）。

本文对链路预算中几种传播模型的比较，包括OKUMURA模型、OKUMURA--HATA模型、COST-231模型和COST-231HATA模型，并对各个模型进行了建模仿真。

最后，对兰州交通大学移动通信链路损耗，使用COST231-Hata模型和ITU-RP.1238模型进行了具体分析。

关键词：

LTE；链路预算；传播模型；基站半径；最大允许路径损耗

Abstract

Thelinkbudgetisamobilecommunicationnetworkplanninganddesignprocessisanimportantpart.Linkbylinkbudgetgainmarginandlossaccounting,calculatethemaximumallowableairlinkpathloss,therebycombiningthepropagationmodeltodeterminethecellcoverageandstationspacing.Inthispaper,thecharacteristicsofLTEsystemlinkbudgetparameterswereanalyzed,andfocusesonthelinkbudgetmethodologyLTEsystemandmethoddescribedcellcoverageradiusandsinglestationcoveragebasedlinkbudgettothisarticlethemethodcanbeusedforLTE-FDDnetworkplanninganddesign.Inthispaper,thelinkbudgetcompareseveralpropagationmodels,includingOKUMURAmodel,OKUMURA-HATAmodel,COST-231WALFISCH-IKEGAMImodelandCOST-231HATAmodel,andeachmodelisamodelingandsimulation.Finally,thelanzhouCitymobilecommunicationslinkloss,useCOST231-Hatamodelisanalyzedindetailforthewirelessenvironmentcities,smallcities,suburbanareasinthreedifferenttransmissionpathloss,pathlossbiggestcities,smallcitiestimesthesuburbanminimum.

Keywords：

LTE；LinkBudget；PropagationModel；BaseStationRadius；AllowablePathLoss

第一章LTE网络关键技术分析

1.1双工方式

TD-LTE系统支持和优化了TDD特有技术,更加灵活的支持波束赋形等MIMO技术和可变的上下行比例。

TD-LTE系统共有7种上下行配置，4种为5ms周期，3种为10ms周期，分别对应2DL:

2UL到9DL:

1UL的时隙配置，以适用于不同的应用场景。

在实际使用时，网络可根据业务量的特性灵活地选择配置。

然而在进行小区时隙配置时，如果不同小区间配置交叉子帧，则小区间会引入交叉时隙干扰，即基站和基站间干扰以及用户和用户间干扰。

因此进行链路预算时，不考虑交叉时隙干扰对系统覆盖的影响，即在一定的网络范围内采用相同的时隙配置。

此外，当用户具有相同目标速率时，不同上下行时隙比例还会对用户使用资源数目以及调制编码方式（MCS）的选择产生影响，从而影响小区覆盖范围。

1.2OFDMA技术

TD-LTE规定了下行采用OFDMA，上行采用单载波OFDMA（SC-FDMA）的多址技术。

根据TD-LTE系统上下行传输方式的特点，无论是下行OFDMA还是上行SC-FDMA都证了使用不同资源用户间的正交性。

因此，影响TD-LTE系统覆盖范围的干扰只是来自相邻小区，而不存在小区内部干扰。

TD-LTE中规定1个符号×1个子载波定义为一个资源粒子（RE），对于业务信道，资源的分配是以正交资源块RB（ResourceBlock）为基本单位，一个RB由12个RE组成，对于下行控制信道（PDCCH），TD-LTE定义了专用资源单位：

控制信道粒子（CCE）。

一个用户可以占用1/2/4/8个CCE，一个CCE由若干个REG（RE组）组成，一个REG由4个频域上并排的RE组成。

在TD-LTE系统中用户资源分配更加灵活，而用户分配资源大小会对其覆盖和吞吐量产生严重的影响。

下行链路发射功率和接收机噪声均会随着分配资源的增大而增大。

因此，对于下行业务信道，当采用相同的MCS时，用户分配RB的数目对覆盖范围的影响较小，用户吞吐量随着分配RB数目增加而增加。

对于下行控制信道，PDCCH配置较多CCE时会可以获得更多的编码冗余而使得解调门限降低，因此采用8CCE的覆盖范围最远。

对于上行链路，TD-LTE系统规定用户的最大发射功率固定，不会随着分配资源的大小而发生变化，而接收机噪声会随着分配资源增加而增加。

因此，对于上行业务信道，当采用相同的调制编码方式（MCS）时，用户分配RB越多，虽然能够获得更高的吞吐量，但是由于接收机将收到更多的噪声而导致覆盖范围减小TD-LTE系统的其他控制信道占用资源均为固定值，如PBCH占用资源为6RB、PCFICH占用资源为16RE、PHICH占用资源为12RE、PUCCH占用资源为1RB。

1.3MIMO技术

为了提高系统容量，增加覆盖范围，TD-LTE系统采用8天线和2天线的MIMO技术。

当采用8天线配置时，下行控制信道使用2天线端口的2×2发送分集（SFBC），下行业务信道使用8×2波束赋形；上行控制信道和业务信道均使用1×8接收分集。

当采用2天线配置时，下行控制信道和业务信道使用2×2发送分集，上行控制信道和业务信道使用1×2接收分集。

基于发送分集的传输方案为下行信道提供了分集增益，基于波束赋形的传输方案为下行业务信道提供阵列增益和分集增益，基于接收分集的传输方案为上行信道提供接收分集增益。

由于使用不同传输方案所获得的天线增益不同，因此TD-LTE系统的覆盖特性会受到天线方案的影响。

根据链路仿真，下行链路覆盖能力8×2波束赋形>2天线2×2发送分集>8天线使用2天线端口的2×2发送分集；上行链路1×8接收分集>1×2接收分集。

1.4ICIC技术

LTE采用的是正交频分复用（OFDM），将高速数据调制到各个正交的子信道上，可以有效减少信道之间的相互干扰（ICI）。

但是这个正交只限于当前小区内的用户，而不同小区之间的用户会存在干扰，特别同频组网时小区边缘的干扰非常严重。

为了消除小区间的干扰，除了采用传统的加扰、调频等手段外，还可以采用小区间干扰协调（InterCellInterferenceCoordination，ICIC）技术。

ICIC是为了保证系统吞吐量不下降，以及提高边缘用户的谱效率。

ICIC的基本思想是通过管理无线资源使得小区间干扰得到控制，是一种考虑多个小区中资源使用和负载等情况而进行的多小区无线资源管理方案。

具体而言，ICIC以小区间协调的方式对各个小区中无线资源的使用进行限制，包括限制时频资源的使用或者在一定的时频资源上限制其发射功率等。

即静态ICIC的主要方式有2种：

（1）部分频率复用（FractionalFrequencyReuse，FFR）

（2）软频率复用（SoftFrequencyReuse）

1.5分集技术

分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常通过两个或更多的接收天线来实现。

同均衡器一样，它在不增加传输功率和带宽的前提下，而改善无线通信信道的传输质量。

在移动通信中，基站和移动台的接收机都可以采用分集技术。

分集是接收端对它收到的衰落特性相互独立地进行特定处理，以降低信号电平起伏的办法。

分集是指分散传输和集中接收。

所谓分散传输是使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号。

集中接收是接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并（选择与组合）以降低衰落的影响。

1.6多址接入技术

多址接入技术将信号维划分为不同的信道后分配给用户，一般是按照时间轴、频率轴或码字轴将信号空间的维分割为正交或者非正交的用户信道。

当以传输信号的载波频率的不同划分来建立多址接入时，称为频分多址方式（FrequencyDivisionMultipleAddress，FDMA）；当以传输信号存在时间的不同划分来建立多址接入时，称为时分多址方式（TimeDivisionMultipleAddress，TDMA）；当以传输信号码型的不同划分来建立多址接入时，称为码分多址方式（CodeDivisionMultipleAddress，CDMA）。

第二章链路预算的概述

2.1链路预算定义

链路预算是链路预算是网络规划的前提，评估无线通信系统覆盖能力的主要方法，是无线网络规划中的一项重要工作，是网络规划中覆盖规模估算的基础。

链路预算是通过对上、下行信号传播途径中各种影响因素的考察和分析，估算覆盖能力，得到保证一定信号质量下链路所允许的最大路径损耗，根据最大路径损耗，选择合适的传播模型即可估算出各种环境下小区的覆盖半径和覆盖面积，从而估算出各覆盖环境下的基站数目，获得整个网络的大致规模，为后继建网投资核算提供覆盖规模方面的参考。

同时链路预算也为后期的仿真工具规划提供了两个重要数据：

最大允许路径损耗和初始站间距。

因此，链路预算对网络规模的估算，后期规划基站布站的基准参考都有很重要的意义。

TD-LTE链路预算特点：

（a）TD-LTE的业务信道是共享的，没有CS域业务、只有PS域业务。

不同PS域业务的速率、解调门限不同，导致的覆盖范围也不同。

因此，链路预算时首先要确定小区边缘用户的最低保障速率。

（b）TD-LTE系统可配置1.4、3、5、10、15及20MHz等6种信道带宽，它们分别配置不同的资源块（RB）数目，其对应关系如表1所示［1］；当采用不同的系统带宽时，所分配的RB数目、用户的数据速率也不相同，从而影响覆盖范围。

而对于TD-SCDMA系统来说，系统的载波带宽是固定的，用户分配的时隙数和码道数的多寡并不直接影响覆盖半径。

（c）TD-LTE增加了64QAM高阶调制、有块编码、截尾卷积及Trubo等编码方式，使TD-LTE的编码率更加丰富。

由表1可知，系统带宽一定时分配的RB数目也是一定的。

使用较低等级的调制方式时，SINR的解调门限就比较低，目标小区的覆盖半径就会增加。

（d）TD-LTE和TD-SCDMA系统的帧结构有所不同。

TD-LTE系统的帧结构有DwPTS、GP和UpPTS3个特殊时隙，在常规CP下有9种配置，在扩展CP下有7种配置。

这种动态的时隙配置使TD-LTE有不同的最大理论覆盖半径，GP的配置与所支持的最大覆盖半径见表2。

例如，常规CP在“6”配置下，GP的长度为6576Ts（Ts=1/（15000×2048）s），理论上的最大覆盖半径为32.11km，而TD-SCDMA系统的帧结构所支持的理论最大覆盖半径为11.00km,因此TD-LTE系统的动态时隙配置大大提高了覆盖能力。

（e）TD-LTE采用了MIMO和波束赋形等天线技术。

TD-LTE物理层使用不同的预编码方案，可实现不同的MIMO模式（即单天线发送、空间复用和发送分集）。

由研究结果知，同样的小区边缘频谱效率

2.2移动通信网络链路预算思想方法

链路预算部分则是根据需求分析的结果，结合不同的参数和场景计算出无线信号在空中传播时最大允许路径损耗（MaximumAllowedPathLoss，MAPL），并根据相应的传播模型估算出小区的覆盖半径；单站覆盖面积的计算是基于链路预算所得出的小区覆盖半径估算出每个区域eNodeB的覆盖面积，从而可以得到规划区域内所需要的eNodeB数量。

LTE网络覆盖估算主要包括需求分析、链路预算及单站覆盖面积计算等。

其中：

需求分析主要包括目标业务速率、业务质量及通信概率要求；链路预算是根据需求分析结果，结合不同参数和场景计算出无线信号空中传播时的最大允许路径损耗（MAPL），并根据相应的传播模型估算出小区覆盖半径；单站覆盖面积计算是基于链路预算得出的小区覆盖半径估算出eNodeB的覆盖面积，从而得到规划区域内所需eNodeB的数量。

链路预算通过对链路中的增益余量与损耗进行核算，对系统的覆盖能力进行估计，获得保持一质量下空中链路最大允许路径损耗。

链路预算是网络规划的前提，利用最大路径损耗和相应的传播模型（比如Okumura-Hata）即可得到小区半径及单站覆盖面积，最终确定目标覆盖区域所需基站数目。

对于移动通信网络运营商，链路预算的准确性关系到网络的覆盖质量和建设成本，因此是网络部署过程中既复杂又关键的问题，同时也是学生进一步学习和研究移动通信的基础。

TD-LTE系统链路预算中重要的参数说明：

解调门限：

在一定的误码率BLER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某数值，即达到解调门限时，接收机才能正确解调接收到的信号。

该值大小与用户选的调制编码方式（MCS）以及使用的天线传输方案有关。

本文中给出解调门限数值由链路级仿真获得[1][2]。

干扰余量：

小区呼吸效应对网络覆盖规划产生重要的影响，当系统负载增大时，小区覆盖范围会因为干扰增大而缩小。

在链路预算中用干扰余量来描述干扰对小区覆盖的影响。

与CDMA系统不同，TD-LTE系统采用了OFDMA技术，基本消除了小区内干扰，但是小区间的同频干扰依然存在，为了使得TD-LTE链路预算结果更加准确，干扰余量的引入是十分必要的。

上下行链路干扰余量大小均可由下式给出：

MI=10lg（Itotal*PN）

其中，Itotal为接收机收到的包括干扰和热噪声在内的总干扰，PN为热噪声。

Itotal大小与系统负载情况以及小区边缘用户目标速率等因素有关，系统负载越大干扰余量越大。

本文中给出的干扰余量数值是在考虑系统负载为50%的情况下，通过系统级仿真获得。

2.3LTE链路预算方式

链路预算首先是根据覆盖目标，估算手持终端和基站天线之间的最大路径允许链路损耗（MAPL）；然后利用MAPL通过合适的传播模型（如Cost-Hata、Okumura-Hata等），计算最大的小区半径；最后通过小区半径可以得到覆盖目标区域所需要的最少基站数目，从而指导无线网络的覆盖规划。

覆盖规划流程如下图所示：

2.4链路预算的具体步骤

第一步:

确定建网目标。

第二步:

根据发射、接收端及空间参数求取最大允许路径损耗。

第三步:

通过电磁环境测试结果,获得校正的无线传播模型。

第四步:

依据无线传播模型和最大允许路径损耗计算小区覆盖半径和小区覆盖面积。

第三章链路预算中几种传播模型的比较

3.1Okumura模型

（1）概述

Okumura模型为预测城区信号时使用最广泛的模型。

应用频率在150MHz到1920MHz之间（可扩展到300MHz），收发距离为1km到100km，天线高度在30m到1000m之间。

Okumura模型开发了一套在准平滑城区，基站有效天线高度Hb为200m，移动台天线高度Hm为3m的空间中值损耗Am（f,d）曲线。

基站和移动台均使用自由垂直全方向天线，从测量结果得到这些曲线，并画成频率从100MHz到1920MHz的曲线和距离从1km到100km的曲线。

使用Okumura模型确定路径损耗，首先确定自由空间路径损耗，然后从曲线中读出Am（f,d）值，并加入代表地物类型的修正因子。

Okumura模型中准平滑地形大城市地区的中值路径损耗由下式给出

LT（dB）=Lfs+Am（f,d）-Hb（hb,d）-Hm（hm,f）

其中，Lfs为自由空间传播损耗；Am（f,d）为大城市中（当基站天线高度hb=200m、移动台天线高度hm=3m时），相当于自由空间的中值损耗，又称基本中值损耗；Hb（hb,d）为基站天线高度增益因子，即实际基站天线高度相对于标准天线高度hb=200m的增益，为距离的函数；Hm（hm,f）为移动台天线高度增益因子，即实际移动台天线高度相对于标准天线高度hm=3m的增益，为频率的函数。

Am（f,d）、Hb（hb,d）和Hm（hm,f）在模型中都以图表形式给出，可参考相关文献。

Okumura模型完全基于测试数据，不提供任何分析解释。

对许多情况，通过外推曲线来获得测试范围以外的值，但这中外推法的正确性依赖于环境和曲线的平滑性。

Okumura模型为成熟的蜂窝和陆地移动无线系统路径预测提供最简单和最精确的解决方案。

但这种模型的主要缺点是对城区和郊区快速变化的反应较慢。

预测和测试的路径损耗偏差为10dB到14dB。

（2）中等起伏地上市区传播损耗的中值

在计算各种地形。

地物上的传播损耗是时，均以中等起伏地上市区传播损耗的中值或场强中值作为基准，因而将其称作基准中值或基本中值。

如果Am（f,d）曲线在基准天线高度下测的，即基站天线高度hb=200m，移动台天线高度hm=3m。

中等起伏地上市区实际传播损耗（LT）应为自由空间的传播损耗Lfs加上基本中值Am（f,d）（可查得）。

即：

LT=Lfs+Am（f,d）（3.2）

如果基站天线高度hb不是200m则损耗中值的差异用基站天线高度增益因子G（hb）表示，当移动台高度不是3m时，需用为移动天线高度增益因子G（hm）加以修正。

中等起伏地上市区实际传播损耗（LT）为：

（3.3）

（3）任意地形地区的传播损耗的中值

任意地形地区的传播损耗修正因子KT一般可写成

（3.4）

根据实际的地形地物情况，修正因子可以为其中的某几项，其余为零。

任意地形地区的传播损耗的中值

（3.5）

式中，

3.2Okumura-Hata模型

概述

Okumura-Hata模型在900MHzGSM中得到广泛应用，适用于宏蜂窝的路径损耗预测。

该模型的主要缺点是对城市和郊区快速变化的反应快慢。

预测和测试的路径损耗偏差为10到14dB。

Okumura-Hata模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式，应用频率在150MHz到1 500MHz之间，并可扩展3000MHz;适用于小区半径大于1km的宏蜂窝系统，作用距离从1km到20km经扩展可延伸至100km;基站有效天线高度在30m到200m之间，移动台有效天线高度在1m到10m之间。

Okumura-Hata模型路径损耗计算的经验公式为：

（3.6）

式中，fc（MHz）为工作频率；hte（m）为基站天线有效高度，定义为基站天线实际海拔高度与天线传播范围内的平均地面海拔高度之差；hre（m）为终端有效天线高度，定义为终端天线高出地表的高度；d（km）：

基站天线和终端天线之间的水平距离；α（hre）为有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数，其数字与所处的无线环境相关，参见以下公式。

（3.7）

Ccell：

小区类型校正因子，即

（3.8）

Cterrain：

地形校正因子，地形校正因子反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响，如水域、树木、建筑等。

3.3COST-231Walfisch-Ikegami（WIM）模型

COST-231Walfisch-Ikegami模型广泛地用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境，它可用于宏蜂窝及微蜂窝作传播路径损耗预测，经常在移动通信的系统（GSM/PCS/DECT/DCS）的设计中使用。

COST-231Walfisch-Ikegami模型是基于Walfisch模型和Ikegami模型得到的，该模型也考虑了自由空间的路径损耗、散射损耗以及由建筑物边缘引起的附加损耗，其使用范围为频率f在800—2000MHz之间，基站天线高度h为4—50米，移动台天线高度为1—3米，距离d为0.02—5km。

图3-3为COST-231Walfisch-Ikegami模型的示意图。

图3-3COST-231Walfisch-Ikegami模型的示意图

COST-231Walfisch-Ikegami模型分视距传播（LOS）和非视距传播（NLOS）两种情况计算路径损耗。

视距（LOS）传播路径损耗为

（3.9）

式中，Lf的单位为dB，

的单位为MHz，

的单位为km。

在非视距传播中，总的路径损耗包括自由空间传播损耗（Lfs），屋顶至街道的绕舌及散射损耗（Lrts），多重屏障的绕射损耗（Lmsd）。

其路径损耗

（3.10）

式中：

Lfs为自由空间的路径损耗，其依赖于载波频率和距离，具体表达式为

（3.11）

从式（3.9）中可以得出：

Lfs会随着频率增加而增大，也会随着距离的增加也增大，及跟频率和距离成正比。

Lrts为屋顶到街道