TDSCDMA链路预算方法Word格式.docx
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1.2预期读者和阅读建议4
1.3文档约定4
1.4参考资料4
1.5缩写术语4
2链路预算简介4
3链路预算方法5
3.1链路预算表5
3.2参数说明7
4链路预算举例14
4.1单小区单用户AWGN信道链路预算14
4.1.1TD-SCDMA系统12.2Kbps业务链路预算14
4.2连续覆盖AWGN信道链路预算15
4.2.1连续覆盖12.2k业务AWGN信道反向链路预算15
4.2.2各种环境下的覆盖半径16
1引言
引言提出了对本文档的纵览,帮助读者理解该文档的编写目的,适用的读者,参考资料,术语解释等等。
1.1编写目的
本文详细描述了3G移动通信系统链路预算的各参数和链路预算方法,并例举了TD-SCDMA系统的链路预算表。
1.2预期读者和阅读建议
TD-SCDMA系统研究和网络规划人员。
1.3文档约定
本文档使用公司开发文档中文模板,利用Word2000撰写。
1.4参考资料
参考文献[1]SelectionproceduresforthechoiceofradiotransmissiontechnologiesoftheUMTS(UMTS30.03version3.2.0)ETSI1998-04
参考文献[2]《Digitalmobileradiotowardsfuturegenerationsystems》COST231FinalReport
参考文献[3]链路仿真曲线报告新技术部系统仿真室2003-6
1.5缩写术语
略
2链路预算简介
无线通信系统中的链路预算是对通信链路中的各种损耗和增益的估算,根据业务QOS要求,来计算出链路所能允许的最大空中损耗,进而根据电磁波传播环境的衰落模型,估算链路最大覆盖距离。
移动通信系统的无线链路分为前向(下行)链路和反向(上行)链路,如图1和图2所示。
在系统设计时,需要对系统进行平衡,使下行链路覆盖半径与上行链路覆盖半径基本相同。
移动通信系统的无线信道按功能分为公共信道和专用信道,在链路预算时,要求公共信道的覆盖能力不低于专用信道,否则,系统会出现终端无法完成随机接入的盲区。
图1前向(下行)链路示意图
图2反向(上行)链路示意图
3链路预算方法
3.1链路预算表
在参考文献1(UMTS30.03)中,给出了用于评估第3代移动通信系统标准的链路预算表,如下表所示:
表1参考链路预算表
该表给出了3G移动通信系统链路预算的主要参数,各项参数的意义和说明参考文献1中有详细描述。
针对TD-SCDMA系统的部分特点,本文对部分参数及其意义进行了修改和补充,如:
针对不同的链路预算要求,修改了功率的定义,略去了背景噪声相关参数等,本文采用的链路预算表如下:
参数
前向链路
反向链路
业务
12.2k话音
单天线最大发射功率(dBm)
Pmax
发射天线数增益(dB)
10*log10(N)
多天线最大发射功率(dBm)
NP=Pmax+10log10(N)
发射天线增益(dBi)
Gtxp
发射馈线损耗(dB)
FLtxp
发射端人体吸收损耗(dB)
BLtxp
发射天线赋形或分集增益(dB)
G1
等效全向发射功率(dBm)
EIRP=NP+Gtxp-FLtxp-BLtxp+G1
EIRP=NP+Gtxp-FLtxp-BLtxp+G1
接收天线增益(dBi)
Grxp
接收天线馈线损耗(dB)
FL
接收天线赋形或分集增益(dB)
G2
接收机天线总增益(dB)
Gant=Grxp–FL+G2
噪声指数
NF
背景噪声功率(dBm)
BK
链路信道模型
AWGN信道,Case3.120km/h等
目标Eb/N0(dB)
T
扩频增益(dB)
SG
接收机灵敏度电平(dBm)
SP=BK+T–SG
干扰储备(dB)
NS
最大允许传播损耗(dB)
MPL=EIRP-SP-NS+Gant
阴影衰落方差(dB)
Delta
衰落储备(dB)
D,95%边缘通信概率
D,85%边缘通信概率
软切换增益dB
HG
最大容许平均路径损耗(dB)
ML=MPL-D+HG
95%边缘通信概率
表2链路预算表
注:
该链路预算表给出的最终结果是最大容许平均路径损耗的值,根据该值和不同的平均路径损耗传播模型,就可以给出不同传播环境下的覆盖半径。
3.2参数说明
下面重点介绍链路预算表中各主要参数的意义,以及表2相对表1中参数不同的地方:
单天线最大发射功率和天线数
单天线发射功率指的是单根天线功放输出的功率,系统可能根据不同的信道类型(如公共信道或者业务信道),以及不同的业务类型,分配不同的最大发射功率。
但是,这个最大发射功率不能超过发射机(终端或者基站)的最大功率输出能力。
终端一般是单天线的。
基站则可能采用多天线的分集发射或者多阵元的智能天线系统,此时,系统的总功率相当于每一根天线上的发射功率之和。
如:
TD-SCDMA系统基站采用了8天线的智能天线系统,若单天线的最大发射功率为25dBm,则基站总的发射功率为25+9(8倍)=34dBm。
TD-SCDMA下行单天线最大发射功率为25dBm,每个时隙RU数为16,所以每个RU最大发射功率为25-12=13dBm,一个12.2Kbps业务占用2个RU,所以,最大发射功率为25-9=16dBm。
发射天线增益
指的是发射天线相对于点源天线的增益作用,不同类型和尺寸的天线,其增益不同。
对于前向链路,根据不同的覆盖要求,基站可以选区不同增益的天线,典型的取值为8、11、15和17dBi。
对于反向链路,终端天线很短,可能存在较小的增益,但通常认为这些增益用以抵消接头等损耗,所以取0dBi。
发射馈线损耗
为了实现大的区域覆盖,基站天线往往架设在较高的位置,因而需要馈线将信号从机房传输到天线。
馈线的损耗和馈线的材质特性,馈线接头工艺,以及馈线的长度有关,通常馈线损耗为1-3dB。
TD-SCDMA采用了特殊的天线校准技术,补偿了馈线损耗,所以馈线损耗为0dB。
终端馈线损耗通常取0dB。
发射赋形增益和分集增益
TD-SCDMA采用了8天线圆阵的智能天线系统,从前向链路预算的角度,智能天线的作用体现在三个方面:
1)降低单根天线的发射功率,例如,基站总的发射功率为34dBm,则每根天线上的发射功率为25dBm。
2)通过基带赋形算法,对用户方向进行定向发射,从而在用户方向,能够带来一定的赋形增益。
3)考虑多小区连续覆盖的实际运营系统时,由于空间滤波作用,能够大大降低用户间的干扰,从而提高系统容量,从而,智能天线对链路预算中的干扰储备有一定的影响。
WCDMA系统中,有时使用2根天线分集发射,分集利用2天线的不相关的特性,要求两根天线的距离尽量的远。
采用空间分集收发也会给链路预算带来一定的增益。
信道环境
最简单的信道环境认为电磁波在自由空间中传播,系统只存在高斯白噪,定义这种信道为AWGN信道。
而实际电磁波在空间传播存在直射、反射、折射、衍射等现象,电磁波传播信道环境相当复杂。
从信号的强度考察,存在快衰落和慢衰落现象;
从信号到达时间和方向上,存在多径和时延。
参考文献1中定义了两种信道冲击响应模型:
3GPP定义的几种典型信道模型如下表所示:
PropagationConditionsforMulti-PathFadingEnvironments
Case1,speed3km/h
Case2,speed3km/h
Case3,speed120km/h
RelativeDelay[ns]
AveragePower[dB]
2928
-10
781
-3
12000
1563
-6
2344
-9
信道环境的不同,会影响链路的性能。
所以信道环境对链路预算的影响可以通过一个最终的链路仿真或者实际测试的输出参数来体现,即各种Qos下的Eb/N0或者C/I的目标值。
电磁波传播平均路径损耗
电磁波在空间传播的平均路径损耗也会随着环境的不同而变化,这直接影响链路预算的覆盖半径;
所以,根据地形地貌选择合理有效的平均路径损耗模型相当重要。
常见的用于2GHz的平均路径损耗模型主要有Cost231-Hata模型和参考文献1中推荐的3种模型,具体损耗公式参考文献[1]和文献[2]。
阴影衰落
由于地形等原因,距离基站相同距离的地方,不同的地理位置衰落不相同,成对数正态分布,称之为阴影衰落。
衰落的均值为0,方差随着地形的不同而变化,通常为6-12dB。
这样,对于链路预算,就存在一个通信可靠度的问题。
例如,位于小区边缘的用户,没有阴影衰落的情况下,接收功率为-108dBm;
由于衰落对数正态分布,则小区边缘接收信号功率>
=-108dBm的概率只有50%;
为了提高边缘用户的正常通信可靠度,就要求提高基站发射功率,也就是阴影衰落储备。
当系统采用软切换技术时,终端可能同时和2个以上基站保持通信链路。
对于链路预算,这就带来了一个软切换增益,软切换增益可以理解为由于两条链路同时通信,可靠度的提高,则所需的衰落储备值降低。
接收天线增益
接收天线的增益和发射天线的增益相同。
接收天线馈线损耗
和发射天线馈线损耗原理相同。
接收天线数:
前向链路的接收天线(终端天线)数一般为1,反向链路接收天线数往往超过1,TD-SCDMA系统采用智能天线技术,接收天线数为8;
采用空间分集接收的WCDMA系统的上行接收天线数为2。
接收天线赋形或分集增益
智能天线系统通过赋形接收,理想情况下,接收信号的相位完全对齐,带来N倍的幅度提升,从而对信号有N*N的功率增益。
对于多天线接收机的背景噪声,由于背景噪声信号是没有方向性的,同时各天线的噪声是独立的高斯过程,所以,基带赋形(乘相位系数后相加)不改变各路噪声的平均功率,最后相当于对各噪声功率的叠加,这样,赋形叠加后的背景噪声功率应该是原来的N倍。
为了便于理解,通常认为上行智能天线系统只有最大N倍的赋形增益。
接收机噪声指数
接收机热噪声指数为接收机性能参数,决定背景噪声大小;
当然,噪声指数越低,造价越高。
通常,终端接收机噪声指数为9,这样常温下,TD-SCDMA终端背景噪声为-104dBm,WCDMA终端背景噪声约为-99dBm。
基站的噪声指数为7,这样常温下,TD-SCDMA基站背景噪声为-106dBm,WCDMA基站背景噪声约为-101dBm。
背景噪声的计算过程如下:
是Boltzmann常数为
,
是绝对温度,常温下等于290K,
是接收机的噪声系数。
是接收机噪声带宽。
考虑到整个接收通道包括基带匹配滤波器的作用,TD-SCDMA系统噪声带宽应设为1.28MHz。
在接收机带宽
中的热噪声功率为:
dBm。
WCDMA系统的噪声带宽应设为3.84MHz。
干扰储备
在单小区单用户下,链路预算不需要考虑干扰储备,这样算得的覆盖半径为系统最大覆盖半径。
而对于实际的运营系统,每个小区内有多个用户同时通信,周围还有多个相邻的小区,存在本小区干扰和邻小区干扰,所以,在多小区连续覆盖的运营环境下,一个用户受到的总干扰要大于背景噪声。
由于CDMA系统是自干扰系统,就必须控制系统总的干扰电平在一定门限内,否则,系统无法正常工作。
通常情况下,总的干扰应该在什么范围内呢?
CDMA系统下行链路,计算信噪比的公式为:
(公式1)
其中:
为第i用户下行的发射功率;
为本小区基站到第i用户的总的损耗;
邻小区基站总的发射功率;
第j个邻小区基站到第I用户的总的损耗;
背景噪声;
下行链路正交因子。
分母中第一项为本小区内用户的干扰;
第二项为其他小区基站的干扰;
第三项为背景噪声。
可见,通常情况下,很难估计位于小区不同位置的用户的干扰水平,从而很难估计系统最大用户数。
为了简化,我们假定所有用户都位于小区的边缘,并且有同样的路径损耗,同时,统计意义上,其他小区基站干扰和本小区用户干扰的比例是一个常数
的大小取决于网络模型和衰减系数,且假设所有小区有相同的用户数N。
这样,公式1简化为:
(公式2)
在理想的功率控制下,所有用户的功率和信噪比相同,取这个信噪比为目标信噪比,当干扰远远大于背景噪声
时,系统达到极限容量:
(公式3)
此时,发射功率也为无穷大。
一般情况下,控制系统总的干扰在N0的4倍,这时用户数
(公式4)
约为极限容量的75%。
所以,一般CDMA系统的干扰储备为6dB,有时干扰储备为3dB,这时,系统容量约为极限容量的50%。
同理,对于理想功率控制的上行链路,计算信噪比的公式为:
(公式5)
分母第一项为本小区内用户的干扰,
为多用户检测干扰消除因子,第二项为其他小区用户的干扰,统计意义上,它和本小区用户之间的干扰的比例是一个常数
的大小取决于网络模型和衰减系数。
在理想功率控制下,所有用户的功率和信噪比相同,这个信噪比为目标信噪比。
得到当接收噪声远远大于N0时,系统达到极限容量
(公式6)
此时,发射功率为无穷大。
一般情况下,控制系统总的干扰在N0的4倍,这时
(公式7)
所以,一般系统的干扰储备为6dB。
有时干扰储备为3dB,这时,系统容量约为极限容量的50%。
TD-SCDMA系统上下行链路都采用了多用户检测技术和智能天线技术。
多用户检测技术能够尽量的减少本小区内用户间的干扰,智能天线技术能够很好的抑制本小区和邻小区的干扰,所以,TD-SCDMA系统相对于WCDMA系统在要求同样的Eb/N0时,能够承受更大的宽带总噪声。
在AWGN信道环境下,设目标的Eb/N0为3.1dB。
理想的多用户检测(100%干扰消除)和智能天线平均干扰抑制A=8dB下,TD-SCDMA系统极限容量远远超过了满码道容量(码道数受限)。
例如,对于12.2k业务,按照公式7,取干扰比例常数k=2/3,由于多用户检测因子
=1.0:
=37.8
即使50%的容量,也超过了满码道容量。
系统满码道用户数N=8(12.2k业务),计算这时的干扰储备,根据公式5有:
得
从而一个用户总的干扰与N0之比为:
所以AWGN信道下,TD-SCDMA系统由于码资源受限,干扰储备约为10*log10(1.0373)=0.159dB。
而实际运营的系统,不会所有的小区都工作在满码道,所以干扰储备几乎为0dB。
WCDMA系统在AWGN信道(Eb/N0=3.1)下的极限容量。
另外假设WCDMA系统在后两种信道下解调性能优于TD-SCDMA系统0.5dB。
=37.99
可见,极限容量不能够达到满码道,所以对应的50%极限容量时,WCDMA系统的干扰储备都取3dB。
相同条件下,TD-SCDMA要求的干扰储备低于WCDMA系统。
在Case3120Km/h信道环境下,设TD-SCDMA系统多用户检测因子为0.8,目标信噪比为7.2-9=-1.8;
智能天线平均干扰抑制7dB。
则:
=9.7321
当用户数为N=8时,
所以,干扰储备约为2.572dB,而实际运营系统中,由于不可能所有的小区都满码道工作,干扰储备小于2.5dB,后面的链路预算中,取值为2dB。
扩频解扩
物理层链路仿真给出的参数是Eb/N0,而链路预算要求通过接收信号功率和目标的C/I计算目标的接收信号功率。
所以,需要考察Eb/N0和C/I的关系。
对于链路中解调前点测出的Eb/N0,不存在编码打孔问题,Eb/N0和C/I相差倍数为扩频增益。
对于12.2k业务,TD-SCDMA系统的扩频系数为8,对应9dB。
而WCDMA系统,12.2k业务的扩频系数为128,对应21dB。
如果物理层链路仿真给出的参数是编码后的Eb/N0,则C/I和Eb/N0的关系为:
其中
Rc信道编码器速率(取决于服务)
M数据符号表的大小(4)
B用户带宽
Q每符号码片数(16)
Tc码片时长
物理层算法(调制解调、信道估计、纠错编码)
对于链路预算,物理层算法主要影响对目标Eb/N0的要求;
另外,如果采用了某些特殊的物理层技术(联合检测和智能天线)后,系统解调性能大大提高,以至于系统为码道受限而非干扰受限时,则对链路预算中的干扰储备有一定影响。
Qos要求
不同速率业务,要求的误块率等级不同,一定环境下的Qos要求决定了这种业务要求的目标信噪比Eb/N0。
4链路预算举例
4.1单小区单用户AWGN信道链路预算
4.1.1TD-SCDMA系统12.2Kbps业务链路预算
方向
系统
单天线每用户最大发射功率(dBm)
25-9=16①
21
发射天线数
8
1
多天线每用户最大发射功率(dBm)
25
14
人体损耗
3②
9③
48
18
接收天线赋形增益(dB)
9
23
7
5
背景噪声(dBm)
-106
-108
AWGN信道
3.1
接收机灵敏度
-111.9
-113.9
0④
159.9
154.9
6
9.9,95%边缘通信概率
150⑤
145⑤
表3链路预算表
1TD-SCDMA下行单天线最大发射功率为25dBm,每个时隙RU数为16,所以每个RU最大发射功率为25-12=13dBm,一个12.2Kbps业务占用2个RU,所以,最大发射功率为25-9=16dBm。
2上行链路话音业务,终端靠近人体发射,所以存在人体吸收损耗。
3理想信道环境下,智能天线赋形增益为9dB。
4考虑单小区单用户,干扰储备为0dB。
5从结果可以看出,TD-SCDMA系统的前向链路容许的最大损耗大于反向链路,TD-SCDMA系统每用户允许最大发射功率系统是上行受限的,系统最大覆盖半径取决于反向链路的覆盖半径。
在下面的链路预算中,考察反向链路。
4.2连续覆盖AWGN信道链路预算
4.2.1连续覆盖12.2k业务AWGN信道反向链路预算
3
0.1
154.8
144.9
表4链路预算表
4.2.2各种环境下的覆盖半径
各种传播模型下的覆盖半径
业务类型
12.2Kbps
系统类型
Cost231-Hata模型(2GHz)
密集市区(Km)
1.4044
市区(Km)
1.7129
郊区(Km)
3.8598
农村(Km)
7.5350
开阔地区(Km)
14.7417
M.1225模型(2GHz)
车载环境模型(Km)
2.7889
室外到室内模型(Km)
0.8255
表5覆盖半径
以上各传播模型的参数取值
M.1225车载环境模型:
基站相对建筑物顶平均高度15米;
载波频率2GHz
M.1225室外到室内模型:
参考文献1中典型参
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- TDSCDMA 预算 方法