LTE海面超远距离覆盖关键技术分析

LTE 海面超远距离覆盖关键技术分析欧阳红升1,2 吕贺敏1 高 峰1 高泽华11.北京邮电大学信息与通信工程学院 网络体系构建与融合北京市重点实验室 北京 100876 2.北京邮电大学信息光子学与光通信研究院 北京 100876摘 要：随着国家经济的开展，沿海渔业、海上旅游业也迅速壮大，海域数据通信需求日益增多。除近海 存在轮渡、旅游、水上比赛工程等通信需求外，还有海面搜救、渔政、海巡、缉私等更远距离专用无线数据通信的 需求。随着LTE网络建设工作的不断扩大深入，需要对其海面广覆盖技术进行分析研究。文章根据LTE系统帧 结构的特点，分析了LTE的小区覆盖极限半径，并在此根底上详细研究了适用于LTE海面超远覆盖的关键技 术，旨在为实际LTE海面部署提供有效的覆盖增强手段。关键词：LTE；海面覆盖；超远覆盖1 引言2021年12月4日工信部正式向三大电信运营商 发布TD-LTE牌照，标志着中国电信产业正式步入4G 时代。随着移动运营市场竞争的日益剧烈及用户规 模的不断扩大，运营商把加强网络的广度覆盖和深 度覆盖作为工程建设的重点，以提高自身竞争力。随 着国家经济的开展，沿海渔业、海上旅游业也迅速壮 大，海域数据通信需求日益增多。海洋这类特殊应用 场景，地广人稀，业务需求量不大，覆盖成为主要限 制因素，用常规的建设手段难以实现经济良好的广 域覆盖。本文通过对LTE系统帧结构的分析，得到LTE理 论最大覆盖距离。在此根底上，根据LTE网络的技术 特点和海面超远覆盖的场景特征，详细分析了适用 于LTE网络海域超远覆盖的多种增强技术，包括大功 率基站、高增益天线以及塔顶放大器技术。LTE超远覆 盖技术的使用不仅能大幅提升LTE基站的覆盖范围和 覆盖质量，还能为渔民、海上作业人员及游客等提供 满意的通信效劳。因此，如何实现LTE网络在海面场 景的超远覆盖是一项具有重要意义的研究课题。2 海面超远覆盖场景海面超远覆盖场景的特点是地形简单，区域辽 阔，无线传播环境较好。主要场景包括离岸岛屿、近 海旅游、海上渡轮航线、海上渔业、海上边防以及奥 运海上运动场等。这些区域地势平坦开阔，人口比拟 分散，无线信号传播以视距为主。通信特点表现为用 户密度低，基站周围话务量无明显变化，热点地区不 明显，系统容量压力不高，以解决LTE覆盖问题为主。平行于海岸线的航道一般分为3类： 近航线：10km航行百吨级船舶； 中航线：30km航行千吨级船舶； 远航线国际航线：50km航行万吨级船舶。 因此，在近海区域，海面覆盖只要考虑近航线和中航线通信需求即可，且沿海大局部的小岛根本都 分布在距离海岸线30km以内的海域内。1近海覆盖场景 近海区域是指距离海岸30km以内海面区域，平行于海岸线的近海覆盖是最常见的一种覆盖场景。 在近海覆盖区域内30km，信号传播以视距传 播为主，局部区域为视距外传播。在此区域内的用户群以海中正在作业的渔民和 国际航运旅客为主，另外还包括远海海域内一些岛 屿上的居民。同样的，该区域内的话务量不高，仅需 要保证信号覆盖即可。3帧格式对LTE系统覆盖半径的限制LTE包括频分双工FDDFrequency Division Du- plexing和 时分双工TDDTime Division Duplexing 两种制式。其中，TD-LTE的覆盖半径与帧格式中的保 护间隔GP(Guard Period)及保护时间GTGuard Time 长度有关，LTE FDD的覆盖半径仅与帧格式中的GT 长度有关。LTE系统帧格式对覆盖半径的限制如表1 及表2所示1。表1 LTE-TDD系统特殊子帧时隙配置对应的理论覆盖距离常规CP扩展CP特殊子帧配置 DwPTS GPUpPTS 覆盖距离(km) DwPTS GP UpPTS覆盖距离(km)10037.52512.587.52512.5-012345678391011123910111043219321111112222107.1442.8632.1421.4310.7196.4332.1421.4310.7138910389-8321721-1111122-Preamble格式时间长度TcpTsTpre(Ts)GTs96.875支持半径km01ms31682457614.5312ms2102424576515.62577.3422ms62402245762245764096196.87529.5333ms21024715.625107.344仅FS2约157.29s4489.3751.41表2 PRACH信道GT配置对应的理论覆盖距离由表 1 和表 2 可知， 通过GP、GT 及CP的配置， TD-LTE及LTE FDD的理论覆盖范围能够到达100km 以上，可满足海面超远场景的覆盖要求。而在实际 中，LTE系统的覆盖半径不仅与帧格式有关，还与 LTE基站发射功率、接收机灵敏度、基站侧的天线增 益、天馈线损耗、人体损耗、正态衰落余量等多项因 素有关。可以通过引入超远覆盖技术，使系统允许的 最大路径传播损耗增加，从而增大LTE海面覆盖半 径。4LTE超远覆盖技术LTE超远覆盖主要为视距传播场景，其有效覆盖 范围取决于多种因素，如基站发射功率、终端发射功 率、综合路径损耗空间传播损耗、天线增益、馈线损 耗、衰落余量、基站接收灵敏度、终端接收灵敏度 等，同时与无线传播环境如地理环境、基站布局有 着密切的关系。对于LTE系统而言，针对无线超远距 离覆盖需求，结合影响基站覆盖的关键因素，可以采 用灵活多样的覆盖增强技术来增加系统可容忍的最 大路径损耗，最终到达大幅提高系统性能的目的。 4.1 天线挂高无线电波在海平面这类超远覆盖环境下传播 时，传播路径主要是通过空气传播的直达波和经过 海面反射的反射波。由于传播损耗很小，信号可以传 播到很远的地方。此时，地球外表不能再看作是平 面，而应看作球面，需要考虑地球曲率对信号传播的 影响。另外，处于传播路径上的岛屿等也会对信号传 播产生阴影效应，因此总体无线传播环境与农村开 阔地近似。图1 无线视距及超视距传播根据Jhong Sam Lee和Leonard E.Miller的观点， 在超高频和甚高频频段无线电波地对地传播模型 中，地球对电波传播影响的大小取决于传播路径的 长短。传播路径越长，影响越大，反之那么越小。在超视 距路径上如图1所示，传播信号一旦超过视距，就 进入了阴影区域，在地球外表产生绕射，接收电平将 快速下降。在视距路径上，地球的主要影响在于引起反射到的视距公式为5：波，从而在接收机内部对直射电波产生消极或积极d= 姨17姨姨HT+ 姨HR 姨4的干扰。随着距离的增加，信号强度的衰减比在非视式4中，H 为基站天线挂高，单位为m；H 为移TR距的情况下慢。根据LTE基站灵敏度、基站侧的天线增益、天馈线损耗、人体损耗、正态衰落余量，通过链 路预算可以得到允许的最大路径损耗。如果传播信动台高度，单位为m；d为基站覆盖半径，单位为km。 例如，基站天线挂高为200m在沿海附近的山顶或山丘上，移动台天线高为2m，那么该站的视距为：号在视距范围内的损耗小于允许的最大路径损耗， 那么信号将进入非视距范围继续传播，但超远覆盖 站点的工作半径主要还是取决于视距范围的大小。d=姨17 姨姨HT +姨HR 姨=姨17 姨姨200 +姨 2姨=64.14km5图2 视距覆盖示意图无线视距与基站天线高度和移动台天线高度密 切相关，其关系如图2所示。如图2所示，R0为地球半径；HT为基站天线挂高；HR为移动台天线挂高，那么视距d可由式1表示：2222d= 姨(HT+R0) -R0 + 姨(HR+R0) -R0对于海面超远距离覆盖来说，该站点的覆盖半径根本上等于该站址的视距。4.2 站址选择在海面覆盖设计中，覆盖距离往往是关注的重 点。要实现海面远距离覆盖，必须保证LTE基站天线 挂高和与覆盖目标之间良好的无线传播环境的要 求。1站址高度 海域覆盖基站一般布置在沿海山体上，天线有效高度由两局部组成：山体高度和地面至天线的高 度。实际使用中，地面至天线的高度受铁塔、桅杆高 度的限制，一般不超过70m。基站天线实际挂高是影响海面覆盖距离的直接 因素，设计天线挂高时需要尽量保证目标覆盖区域 处于视距范围内，否那么由于地球曲率影响，远端目标 区域处于NLOSNon Light of Sight，非视距区时信22= 姨HT+2R0HT + 姨HR+2R0HR姨姨1号衰减迅速，覆盖难以保证。可依据以下经验进行天线挂高的选择：22姨姨HHTR= 姨2R0+HT2R0+HR2R0如果要求基站覆盖半径在30km左右，通常选由于R0HT，且R0HR，所以式1可以简化为 式2d姨2R0 姨姨HT + 姨HR 姨2 考虑地球半径R0=6370km，由式2可得： d 姨姨HT + 姨HR 姨3 式3中HT与HR单位为m。由于空气的压力、温度、湿度随着高度而变化， 所以介电常数也随高度的增加而减小， 并由于空气 稀薄而逐渐趋于0。 这使得无线电波在对流层中的传 播轨迹不是直线而是沿地球曲率方向的曲线， 即无 线电波在对流层中传播时出现折射， 这种折射现象 相当于地球半径增大，在标准大气折射下，修正后得择在比拟平坦的地点建立铁塔，塔高一般根据覆盖区域在50m左右调整。如果要求基站覆盖半径在4570km之间的范 围，通常选择在比拟高的山丘、沿海边山顶的地方建 立铁塔，高度在100200m间不等。如果要求基站覆盖半径在70km左右，通常站 高选择在200m以上。2传播环境勘察 实现海面远距离覆盖的一个前提是海面具备良好的无线传播条件，因此，海面远距离覆盖基站的适 宜站址应满足以下条件：靠近岸边，传播环境尽量在海面；覆盖目标区域与基站之间无大片陆地区域；覆盖方向无明显遮挡物；海拔高度尽量较高结合实际覆盖需求。 由于海域场景有时会有变化 如原有水域变为陆地或滩涂，水域沿岸出现防洪堤、防风林带等，因 此对于基站站址的选取，务必首先了解清楚当时的 海域现场情况，以及未来较短时间内会出现的一些 变化情况，以保证在规划上考虑周到。尽量不要仅仅 依照地图信息进行基站规划，否那么可能会造成实际 覆盖效果无法到达设计要求。4.3 天线选择多天线系统其实就是收发双方都采用多根天线 进行收发。通过采用恰当的发射信号形式和接收机 设计，多天线技术可以在不显著增加无线通信系统 本钱的同时，还能提高系统容量和增加无线覆盖距 离。采用多天线技术后，可获得的增益如表3所示。表3 多天线技术带来的增益由于有n个发射通道，发射的总功率相当于单天线发射的n倍，1由于电波的特性，水平极化传播的信号在贴 近地面时会在大地外表产生极化电流，极化电流因 受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减， 而垂直极化方式那么不易产生极化电流，从而防止了 能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。在移动通 信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。由于垂 直于地面的 更容易与垂直极化信号匹配，因此 选择垂直单极化天线会比其他非垂直极化天线的覆 盖效果更好一些，尤其是在开阔的海面上，垂直极化 天线的覆盖效果更为显著。假设需要尽可能地覆盖得 远些，建议选用单极化天线。因此海面覆盖小区建议 选用单极化垂直极化天线。2对于近海海域覆盖的场景，可以根据目标覆 盖区域分布情况选用水平面半功率角为 120 或 65的高增益天线。对于远海海域覆盖场景，通常情 况下建议选择65高增益天线。功率增益阵列增益因此可以获得10logn的功率增益。 阵列增益是通过接收机、发射机的处理与相关合并，使得平均 接收的SNR增加来实现的。发射与接收的阵列增益需要发射机与接收机获取信道状态信息，并依赖发射机与接收机的阵元 数。蜂窝移动通信系统中存在频率复用，因此小区间干扰不可忽视。在接收端通过适当的多天线空域加权，并可在合并期望信3具体天线型号选择时，需要选择具有良好零点填充和上副瓣抑制的天线，以防止严重的“塔下 黑问题。4在海面超远覆盖场景下，TD-LTE建议选用8干扰抑制增益 号的同时，抑制干扰信号，从而获得对接收端平均SINRSignal to Interference plus Noise Ratio，信干噪比的改善，这就是干扰抑 制增益。空间复用增益是指在相同的时频资源上传送多个并行的数据空间复用增益 流，对数据吞吐量/传输速率进行改善，这些复用的数据流通过 不同的天线来区分。由于无线信道的衰落特性，单天线系统的信号可能存在深衰落。采用多天线技术后，通常各天线间隔足够远，可保证不同天 线的信号衰落相对独立，经相应的合并电路从中选出信号幅度空间分集增益较大、信噪比最正确的一路，得到一个总的接收天线输出信号，从而降低信道衰落的影响，改善接收信号质量，就是空间分集增 益。在TD-LTE网络天线的选择上，国外运营商多采 用2天线或4天线方案，其中4天线用于广覆盖场景。 而中国移动TD-LTE试商用网主要采用支持多频段FAD频段的8阵元双极化天线，以增强系统覆盖能 力。因而在海面超远覆盖场景下建议选用8T8R工作 模式。LTE FDD运营商大多网络基于高+低频段联合 组网，因此选择了技术成熟的2T2R方案，而个别基于 高频段组网的运营商，选择了2T4R组网，以接收分集 模式增强上行覆盖。因此在海域广覆盖场景下，天线 建议选用4T4R模式，以增强基站覆盖能力。对于海面场景覆盖的天线选择，需要根据不同 场景和工程特殊需求来考虑：天线进行组网，LTE FDD建议选用4天线进行组网，以增强基站覆盖能力。 海面广覆盖场景下，对天线倾角的可调性需求不大，可使用非电调天线。对于超高站，可通过设置 适当的电下倾和机械下倾来调整近端覆盖，但同时 要确保能够覆盖到远端目标区域。此外，在沿海地区，常年风速较大，通常要求天 线本身能够承受强风，在风力较强的地区，天线通常 是由于铁塔、抱杆等原因而遭到损坏。因此在这些地 区，应选择外表积小的天线，以减小天线外表承受的 风力，从而降低对铁塔、抱杆的要求。4.4 大功率基站采用大功率信源设备进行组网，可从源头提升 信号的功率，经过同样的空间衰耗，移动台的接收功 率会相应增加，从而能够到达增加下行覆盖的目的。 目前国内普通LTE设备的RRU最大发射功率一般不 小于40W，而为满足广覆盖场景需求，设备厂商已推 出了大功率信源设备，其RRU最大发射功率不小于 80W。通过引入大功率设备，可以有效地提升下行覆 盖距离。通过仿真，比照大功率基站80W与普通基 站40W的覆盖能力，仿真参数如表4所示。表4 仿真参数eNode B46 dBm/49dBm17 dBi2.3 dB 50 m参数最大发射功率 天线增益 噪声系数 高度带宽UE23 dBm0 dBi7 dB1.5 m20 MHz图3 LTE基站下行覆盖能力比照通过仿真得到系统RSRP值，如图3所示：40W基站与80W基站的覆盖能力如表5所示：表5 基站覆盖能力下行发射功率40W 4.7421.185名称覆盖半径km 覆盖面积km2下行发射功率80W5.7531.428由表5可知，当基站主要覆盖近海区域时，其天 线架设高度为50m，此时LTE大功率基站比40W普通 基站覆盖距离提升21%，覆盖面积提升48%。因而大 功率基站可有效提升LTE下行覆盖能力。4.5 塔顶放大器移动通信系统中，由于基站与移动台之间的发 射功率和接收灵敏度的不同，可能会造成上、下行链 路功率不平衡的问题。大功率功放和高增益天线的 使用，进一步加大了上下行功率差距，使得上行链路 功率严重缺乏。此时，基站的有效覆盖范围取决于移 动台到基站的上行链路有效距离，可采用塔顶放大 器TMATower Mounted Amplifier来进行弥补。对于LTE系统，引入塔顶放大器同样可以增强系 统的上行覆盖能力。TMA的引入主要降低了上行方 向系统的噪声系数，增加TMA后，系统上行噪声系数 为6：器增益；G2为第二级放大器增益。从式6可知，多级放大系统的噪声主要取决于 第一级的噪声系数NF1。 引入TMA后，第一级放大器为 TMA，第二级放大器为馈线，第三级放大器为基站接 收机。引入TMA后系统上行噪声系数的改善与馈线长 度，也就是馈线的损耗关系密切，改善情况随馈线长 度的增大而提高，因此，在使用宏基站设备的场景增 加TMA设备后，系统上行的噪声系数会得到较好的 改善。而使用分布式设备的场景，由于RRU设备距离 天线较近，馈线损耗很小，引入TMA后系统上行的噪 声系数改善并不是很显著。5结束语随着LTE网络部署越来越广泛，海面覆盖将被提 上日程。文章对LTE海面超远覆盖关键技术进行研 究，旨在为实际网络部署提供有效的覆盖增强手段， 使运营商利用较少的资源和投资，解决海面弱覆盖 及盲覆盖问题。参考文献1 肖清华,杨春德,张堃.TD_LTE覆盖能力综合分析J.邮电设 计技术,2021(01)2 古新.超远覆盖技术手段浅析J.通信与信息技术,2021(04)3 张传福,张迪.超远距离场景覆盖分析J.电信工程技术与 标准,2021(07)4 陆军.LTE多天线技术及应用J.企业技术开发,2021(07)5 朱东照,罗建迪,汪丁鼎等.TD-SCDMA无线网络规划设计 与优化M.人民邮电出版社,20076 金亮. 塔顶放大器原理及其在具体工程中的应用J. 电信 技术,2007(02)NFSY=NF1+NF21 GNF31+ G GNFN1+.+ G G .G6作者简介：欧 阳红升，男，湖南耒阳人，硕士研究生，主要研究 方向为宽带无线接入技术；吕贺敏，女，河南漯河人，硕士研究11 21 2N-1生，主要研究方向为移动通信；顶峰，男，黑龙江齐齐哈尔 人，式6中：NFSY为多级放大系统综合噪声系数；NF1为第一级放大器噪声系数；NF2 为第二级放大器噪声 系数；NF3为第三级放大器噪声系数；G1为第一级放大博士，主要研究方向为移动通信与无线宽带技术；高泽华，男， 山 东临 沂 人 ，博士 ， 副 教 授 ， 主 要 研 究 方 向 为 移 动 通 信 、 物 联 网、电信增值业务、移动互联网。