农村低频段LTE广覆盖能力研究

通过计算800MHz和1 800MHz两种频段的最大路径损耗，选取合适的传播模型，研究两者各自不同的覆盖能力，并分析了800MHz频段所存在的优势和现阶段所存在的问题。

LTE 传播模型 最大路径损耗

Research on Low-Band LTE Coverage Capacity for Rural Areas

ZHANG Xiao-jiang

The maximum path losses at 800MHz and 1 800 MHz were calculated to select appropriate propagation model and analyze coverage capacities of these two frequencies. The advantages and disadvantages of 800MHz band were discussed.

LTE propagation model maximum path loss

1 引言

2015年2月27日，工业和信息化部正式向中国电信集团公司和中国联合网络通信集团有限公司发放“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务（LTE FDD）”经营许可证，从此，中国电信开启了FDD-LTE网络的正式商用时代。

目前，中国电信FDD-LTE频段为1.8GHz/2.1GHz，

CDMA频段为800MHz，如果采用1.8GHz频段去实现农村地区的LTE连续覆盖，势必需要在原有CDMA网络拓扑上增加大量的物理站址，从而造成建设投资的极大浪费;如果只是考虑热点覆盖，不实现广域连续覆盖，虽然能够节约投资，但对构建运营商4G网络口碑较为不利。所以在农村这个覆盖要求高于容量要求的特殊场景中，FDD-LTE采用800MHz组网是一个值得探讨的建设方式。

本文将从链路预算的层面上，分析FDD-LTE在800MHz和1 800MHz两种频段下农村场景的覆盖能力。

2 链路预算

为了对比1 800MHz和800MHz两种频段下的覆盖性能，本文设定边缘速率为：上行256kbps、下行 1 024kbps，并保证两频段在同一个环境参数下计算最大路径损耗。

上行链路预算公式如下：

最大路径损耗=UE最大发射功率-eNodeB接收机灵敏度-总损耗-总余量+总增益 （1）

下行链路预算公式如下：

最大路径损耗=eNodeB最大发射功率-UE接收机灵敏度-总损耗-总余量+总增益 （2）

2.1 链路预算的影响因素

接收机灵敏度：接收机灵敏度跟SINR、白噪声、接收机噪声系数有关，而SINR则和eNodeB/UE性能、无线环境、移动速度、MIMO配置、业务速率和QoS要求、RB数、MCS、BLER等相关。

最大发射功率：UE的最大发射功率固定为200mW，而eNodeB的发射功率可根据需要选择20W、40W、60W、80W等不同类型。在选取不同功率eNodeB时，下行最大发射功率也不尽相同。

总损耗：主要包括馈线损耗、接头损耗、穿透损耗和人体损耗。馈线损耗取决于eNodeB与天线之间的距离，接头损耗取决于接头数量和器件本身的质量，穿透损耗则跟建筑物的体量、地域差异以及周围植被情况有关。

总余量：主要包括阴影衰落余量和干扰余量，其中阴影衰落余量跟具体场景相关，干扰余量跟邻区负荷相关。

总增益：主要包括eNodeB天线增益、UE天线增益、切换增益。

2.2 链路预算参数取定

为了更好对比不同频段下的最大路径损耗，从而比较各自的覆盖效果，本文设定以下公共参数，以减少频段以外因素的干扰，具体参数如表1所示。

考虑到800M频率资源紧张，故在链路预算时将带宽设定为10MHz，这也跟LTE 800M的应用前景基本吻合。上下行边缘速率设定值的变化会影响上下行的覆盖，但对两种频段的影响基本一致，兼顾考虑农村场景，本文设定下行边缘速率为1 024kbps，上行边缘速率为256kbps。MIMO方式采用目前中国电信主流的配置，其中基站侧2T4R，手机侧1T2R。基站天线也采用目前电信主流的配置，考虑使用18dBi增益的2T4R天线，UE侧受限于终端尺寸，一般天线增益为0。

2.3 最大路径损耗对比

根据选定的上述参数，分别对800MHz和1 800MHz两种频段进行上下行链路预算，其中接收机灵敏度和干扰余量与厂商设备性能存在较大关系，文中只选取了目前一家主流厂家的参数，由公式（1）和公式（2）可以得出不同频段的MAPL值如表2所示。

分析800MHz和1 800MHz的链路预算结果可知，在设备性能相同、无线环境相同、使用业务相同的情况下，MAPL的主要差别在于接头损耗、馈线损耗和穿透损耗。由于LTE主要采用BBU+RRU分布式基站，大部分RRU采取近天线的安装模式，1/2跳线长度在3米左右，故两种频段的接头损耗和馈线损耗差异可忽略不计，主要考虑穿透损耗对MAPL的影响。

由表2可知，上下行对比时下行的MAPL明显好于上行的MAPL，可知在1 024kbps/256kbps的业务模型下，LTE网络为上行覆盖受限;另通过计算可知，当下行采用4Mbps边缘速率时，下行的接收机灵敏度会下降约5dB左右，但仍是上行覆盖受限，鉴于篇幅有限，本文不再详述。

2.4 传播模型选取

Okumura-Hata模型是在Okumura模型的基础上简化推演得出的，适用于频率范围为150―1 500MHz、小区半径大于1km的宏蜂窝系统的路径损耗的预测。Okumura-Hata模型路径损耗计算的经验公式为：

L（dB）=69.55+26.16lgfc-13.83lghte-a（hre）+（44.9-6.55lghte）lgd+Ccell+Cterrain （3）

式中，fc为电磁波工作频率，单位为MHz;hte为基站天线有效高度，单位为m;hre为移动台有效天线高度，单位为m;d为基站天线和移动台天线之间的水平距离，单位为km;a（hre）为有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数，且满足公式（4）：

（4）

Ccell为小区类型校正因子，且满足公式（5）：

（5）

其中，Cterrain为地形因子，单位为dB。

COST 231-Hata模型是COST工作委员会开发的Hata模型的扩展版本，其应用频率扩展到1 500MHz至2 000MHz之间，而其他适用条件与Okumura-Hata模型相同，因此也有专家称COST 231-Hata模型是Hata模型在2G频段上的扩展。COST 231-Hata模型路径损耗计算的经验公式如下所示：

L（dB）=46.3+33.9lgfc-13.82lghte-a（hre）+（44.9-6.55lghte）lgd+Ccell+Cterrain+CM （6）

式中，CM为大城市中心校正因子，单位为dB，且满足公式（7）：

（7）

其他参量与Okumura-Hata模型的参量所代表含义相同。

本文中，对于800M系统电波传播预测的模型采用Okumura-Hata模型，对于1 800M系统电波传播预测的模型采用COST 231-Hata模型。在实际应用时，需要根据不同地域的差异情况进行传播模型校正，使得模型更加贴合当地的实际情况。

2.5 覆盖半径差异

根据表2计算得出的不同频段最大路径损耗值，结合公式（3）和（6），可以得出LTE 800M频段和LTE 1 800M频段的覆盖半径如表3所示。

3 结论

根据表3可知，在农村场景下LTE800M覆盖性能优于LTE1 800M，而且考虑到中国电信现网CDMA 800M农村站间距基本为3―4km，当LTE采用1 800M频段组网时，为了实现连续覆盖，将需要新增大量的物理站址，而采用800M频段组网时，现有的CDMA站址已基本可以满足LTE的站址需求，不再需要大量的新建站址，因此采用800M频段组网不仅可以节约工程投资，而且可以大大加快工程进度。

当然，LTE 800M频段在农村组网同样存在一定的问题，首先便是频率资源的缺乏，由于中国电信现有的10M×2的800MHz频段已被CDMA网络占用，而目前LTE还不能完全替代CDMA，因此如果在800MHz频段上组建LTE网络，就需要对现网进行清频，腾出至少5MHz的带宽，这势必对现网造成一定的影响。

其次LTE和CDMA同处800MHz频段，农村地区部分800MHz频段用于LTE，市区、县城所有频段用于CDMA，这将导致两网的边界地区产生同频干扰，为了避免干扰，需要设定相应的缓冲区，而如何合理设定缓冲区，也是需要关注的一个问题。

再次，终端技术方面还不够成熟，即便LTE 800M能快速建网，终端的限制也将影响用户的发展。

总而言之，虽然LTE 800M还存在一定的问题，但鉴于其在农村区域优异的覆盖能力，因此本着节约投资、快速建网的原则，LTE 800M农村覆盖是一个非常值得探讨的思路。

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