多頻段室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗研究

張炎炎

1 引言

隨著各運(yùn)營(yíng)商LTE建設(shè)速度的加快和中國(guó)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，未來(lái)無(wú)所不在的通信將成為無(wú)線通信的普遍需求。一方面，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已經(jīng)在無(wú)線通信中的比重越來(lái)越大，而大部分的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)，但TD-LTE組網(wǎng)頻段較高，空間傳播損耗和穿透損耗相對(duì)較大，不利于室內(nèi)深度覆蓋，因此室內(nèi)覆蓋的性能將影響運(yùn)營(yíng)商的收益。此外，從業(yè)務(wù)發(fā)展來(lái)看，未來(lái)VoLTE將全面替代CSFB承載語(yǔ)音業(yè)務(wù)，因此需要VoLTE達(dá)到同現(xiàn)網(wǎng)2G/3G的CS業(yè)務(wù)同覆蓋。但是，通過(guò)對(duì)運(yùn)營(yíng)商的現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，深度覆蓋能力和網(wǎng)絡(luò)需求相比仍存在一定差距。

如圖1所示，從某運(yùn)營(yíng)商某城市的4G駐留時(shí)長(zhǎng)占比測(cè)試可以看出，該城市“LTE路測(cè)占網(wǎng)時(shí)長(zhǎng)占比”已接近100%，但4G時(shí)長(zhǎng)駐留比僅占到80%～90%，表現(xiàn)出其4G室外覆蓋能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全網(wǎng)平均覆蓋能力，即室內(nèi)深度覆蓋存在較大不足。

圖1 4G駐留時(shí)長(zhǎng)占比

對(duì)于蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，室外宏蜂窩基站是實(shí)現(xiàn)一個(gè)地區(qū)覆蓋的主要手段，但由于移動(dòng)業(yè)務(wù)主要在室內(nèi)，無(wú)線信號(hào)從室外向室內(nèi)傳播時(shí)會(huì)有損耗，為保證到達(dá)室內(nèi)的信號(hào)能夠保證移動(dòng)業(yè)務(wù)的質(zhì)量，一是可以通過(guò)增加基站數(shù)量，減小基站站距的方法減少信號(hào)在室外傳播的損耗；二是建設(shè)室內(nèi)分布系統(tǒng)直接解決室內(nèi)覆蓋。但是由于室內(nèi)分布系統(tǒng)只能保證個(gè)別樓宇的室內(nèi)覆蓋，所以總體來(lái)說(shuō)，室外基站在宏觀上更有效，因此室外信號(hào)對(duì)室內(nèi)深度覆蓋研究很重要。

為提升LTE的深度覆蓋能力，采用低頻段的LTE FDD制式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋是一種方案。但是，基于已有的GSM及TD-LTE，如何設(shè)定網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃指標(biāo)，以達(dá)到在具有較好的深度覆蓋能力的基礎(chǔ)上，盡量減少由于過(guò)覆蓋帶來(lái)的同頻干擾及投資浪費(fèi)，成為L(zhǎng)TE FDD/TDLTE融合組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的重要問(wèn)題。

為解決以上問(wèn)題，對(duì)FDD/TDD不同系統(tǒng)不同頻段進(jìn)行合理有效的室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗評(píng)估成為重要的研究?jī)?nèi)容之一。本文針對(duì)傳統(tǒng)室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗測(cè)試方法的局限性提出了一種新的測(cè)試方法，該方法應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析的思想，利用室內(nèi)外大量移動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的直接對(duì)比，得出室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗。同時(shí)，為支撐LTE FDD/TD-LTE融合組網(wǎng)，本文利用所述方法對(duì)FDD 900 MHz/1800 MHz，TDD F頻段、D頻段分別進(jìn)行了多處測(cè)試，用于指導(dǎo)LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃指標(biāo)設(shè)計(jì)及規(guī)劃方法研究。

2 傳統(tǒng)室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗的測(cè)試方法分析

傳統(tǒng)室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗的測(cè)試方法是通過(guò)定點(diǎn)測(cè)試，在室外選取站點(diǎn)后尋找視距范圍內(nèi)建筑物，在建筑物內(nèi)進(jìn)行好中差點(diǎn)的定點(diǎn)測(cè)試，將室外直射點(diǎn)RSRP同室內(nèi)定點(diǎn)測(cè)試的RSRP測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖2為一種典型的傳統(tǒng)室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗測(cè)試的方法，可以看出，測(cè)試選取了11個(gè)測(cè)試點(diǎn)，并分別根據(jù)測(cè)試用例的要求將其定義為好點(diǎn)、中點(diǎn)和差點(diǎn)，以獲取不同深度覆蓋要求下的室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗值。

圖2 一種典型的傳統(tǒng)室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗測(cè)試方法

傳統(tǒng)測(cè)試方法對(duì)于差點(diǎn)的選取符合深度覆蓋的定義，但是由于差點(diǎn)較難尋找，測(cè)試條件要求高，測(cè)試場(chǎng)景選取困難，難以有效遍歷常見(jiàn)的深度覆蓋場(chǎng)景，而且定點(diǎn)測(cè)試RSRP等值變化很大，所尋找的“差點(diǎn)”可能會(huì)發(fā)生變化。因此還要結(jié)合更全面的，更準(zhǔn)確的方法來(lái)反映網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問(wèn)題、質(zhì)量問(wèn)題。

3 一種新的室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗測(cè)試方法

為對(duì)不同測(cè)試目標(biāo)進(jìn)行測(cè)試結(jié)果輸出，本文提出的測(cè)試方法分為宏觀測(cè)試方法和微觀測(cè)試方法。其中宏觀測(cè)試方法是對(duì)整個(gè)測(cè)試區(qū)域（一般建議20個(gè)站點(diǎn)覆蓋范圍）的穿透損耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到的結(jié)果用于計(jì)算所測(cè)場(chǎng)景下的室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗指標(biāo)分析。微觀測(cè)試方法是針對(duì)某種特定的穿透介質(zhì)，如常見(jiàn)的玻璃幕墻、混凝土墻等進(jìn)行穿透損耗測(cè)試，得到特定介質(zhì)的穿透損耗，用于進(jìn)行如3D規(guī)劃仿真中的建筑物參數(shù)輸入等。

3.1 宏觀測(cè)試方法

如上所述，宏觀測(cè)試方法是對(duì)整個(gè)測(cè)試區(qū)域（一般建議20個(gè)站點(diǎn)覆蓋范圍）的穿透損耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到的結(jié)果用于計(jì)算所測(cè)場(chǎng)景下的室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗指標(biāo)分析。該測(cè)試方法可描述如下：

（1）進(jìn)行室外精細(xì)道路測(cè)試，道路長(zhǎng)度同測(cè)試區(qū)域面積的比例達(dá)到一定要求；

（2）在測(cè)試區(qū)域內(nèi)進(jìn)行室內(nèi)步行測(cè)試；

（3）將以上室內(nèi)外測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)求差，進(jìn)行不同頻段室外覆蓋室內(nèi)電平差計(jì)算。

對(duì)于宏觀測(cè)試方法來(lái)說(shuō)，其室外精細(xì)化測(cè)試的道路長(zhǎng)度同測(cè)試區(qū)域面積的比例是一個(gè)重要參數(shù)。如表1所示，通過(guò)對(duì)深圳某區(qū)域的精細(xì)化道路測(cè)試和主干道測(cè)試進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)主干道測(cè)試結(jié)果明顯高于精細(xì)化道路測(cè)試結(jié)果，反映了網(wǎng)絡(luò)對(duì)主干道的覆蓋一般會(huì)優(yōu)于對(duì)普通道路的覆蓋。通過(guò)對(duì)不同里程面積比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，一般取里程面積比為8:1。

表1 不同精細(xì)化測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3.2 微觀分析方法

微觀測(cè)試方法是針對(duì)某種特定的穿透介質(zhì)，如常見(jiàn)的玻璃幕墻、混凝土墻等進(jìn)行穿透損耗測(cè)試，得到特定介質(zhì)的穿透損耗，用于進(jìn)行如3D規(guī)劃仿真中的建筑物參數(shù)輸入等。微觀測(cè)試方法的主要原理同宏觀測(cè)試方法相似，主要區(qū)別在于該方法主要針對(duì)某單一建筑物的室內(nèi)室外進(jìn)行打點(diǎn)測(cè)試得到該建筑物穿透介質(zhì)的穿透損耗。

由以上分析可以看出，新的測(cè)試方法較傳統(tǒng)測(cè)試方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）測(cè)試范圍廣，測(cè)試場(chǎng)景豐富，選點(diǎn)方便，測(cè)試難度低；

（2）測(cè)試結(jié)果可用性高，符合實(shí)際用戶感知；

（3）測(cè)試數(shù)據(jù)量大。

因此，通過(guò)采用本文提出的方法進(jìn)行室內(nèi)外穿透損耗測(cè)試具有較強(qiáng)的實(shí)用性和合理性，對(duì)提升網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的準(zhǔn)確性具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

4 TDD/FDD多頻段穿透損耗研究

為指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃指標(biāo)的制定和LTE FDD/TD-LTE融合組網(wǎng)規(guī)劃，本文采用所提出的方法對(duì)LTE FDD 900 MHz/1800 MHz，GSM 900MHz/1800 MHz，TD-LTE F頻段及D頻段進(jìn)行了穿透損耗測(cè)試。其中，測(cè)試區(qū)域?yàn)榻K蘇州的古城區(qū)和越溪區(qū)，受GSM Refarming頻段的影響，古城區(qū)僅測(cè)試了LTE FDD 900 MHz，越溪區(qū)僅測(cè)試了LTE FDD 1800 MHz，因此無(wú)法在相同地點(diǎn)進(jìn)行同比測(cè)試。

測(cè)試中，將FDD功率與TDD功率配置對(duì)齊，三部UE能力相同的LTE終端同時(shí)做下行fullbuffer業(yè)務(wù)，一部GSM終端做語(yǔ)音撥打，室外圍繞建筑進(jìn)行GPS打點(diǎn)拉網(wǎng)測(cè)試，記錄GPS打點(diǎn)、RSRP/SINR/THP等。此后，室內(nèi)步行打點(diǎn)拉網(wǎng)測(cè)試，盡可能走到脫網(wǎng)的區(qū)域（對(duì)于高層建筑，選擇低中高層分別測(cè)試）記錄GPS打點(diǎn)、RSRP/SINR/THP等。分別選擇不同材質(zhì)的建筑（木質(zhì)、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土、玻璃）測(cè)GSM900、FDD900、FDD1800、TD-LTE F頻段的穿透損耗。

本次測(cè)試共對(duì)9個(gè)建筑物進(jìn)行了穿透損耗測(cè)試，以下首先對(duì)其中一個(gè)典型建筑物的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，然后對(duì)所有測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4.1 國(guó)美電器大廳

國(guó)美電器大廳由鋼筋混凝土與外部隔開，以步行的方式進(jìn)行室內(nèi)外對(duì)比測(cè)試，測(cè)試其穿透損耗性能，選點(diǎn)的平面圖如圖3所示。

根據(jù)室內(nèi)外終端接收信號(hào)，記錄電平、SINR、速率，各網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)外測(cè)試平均值記錄如表2所示。

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果可以看出，在國(guó)美電器大廳的玻璃墻阻隔下，TD-LTE F頻段穿透損耗為14.2 dB，LTE TDD D頻段的穿透損耗為15.06 dB，LTE FDD的穿透損耗為12.1 dB，GSM 900M穿透損耗為11.53 dB，GSM 1800M的穿透損耗為13.12 dB，F(xiàn)DD 900M頻段損耗與GSM 900M基本相同，TDD頻段損耗略大于GSM 1800M，TDD D頻段損耗大于TDD F頻段，TDD F頻段損耗大于FDD。

圖3 國(guó)美電器大廳測(cè)試示意圖

4.2 玻璃門墻場(chǎng)景下的測(cè)試結(jié)果分析

各玻璃門隔斷建筑物，包括國(guó)稅辦稅廳、蘇州銀行、光大銀行測(cè)試結(jié)果如表3所示。由于測(cè)試場(chǎng)景限制，該測(cè)試僅包括FDD 900M，無(wú)FDD 1800M頻段。

通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各系統(tǒng)頻段穿透損耗如圖4所示，可以看出GSM 900M穿透損耗略小于FDD 900M。

4.3 混凝土場(chǎng)景下的測(cè)試結(jié)果分析

各混凝土隔斷建筑物，包括國(guó)美電器、久久酒店、五星電器、體育中心、職業(yè)大學(xué)、全家超市，其測(cè)試結(jié)果如表4所示，該測(cè)試場(chǎng)景包含F(xiàn)DD 900M和FDD 1800M，因此其結(jié)果分析更具廣泛性。

表2 國(guó)美電器測(cè)試結(jié)果

表3 玻璃隔斷下多頻段室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗測(cè)試 dB

表4 混凝土隔斷下多頻段室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗測(cè)試 dB

圖4 多頻段玻璃隔斷平均穿透損耗

通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各系統(tǒng)頻段穿透損耗如圖5所示，可以看出GSM900穿透損耗略小于FDD 900M，GSM 1800M同F(xiàn)DD 1800M相當(dāng)，F(xiàn)DD 1800M穿透損耗小于TD-LTE F頻段。

圖5 多頻段混凝土隔斷平均穿透損耗

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)LTE深度覆蓋網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中需測(cè)試室外覆蓋室內(nèi)穿透損耗的問(wèn)題，提出了一種新的覆蓋室內(nèi)穿透損耗測(cè)試方法，并利用該方法對(duì)LTE FDD 900M、LTE FDD 1800M、TD-LTE F頻段、TD-LTE D頻段、GSM 900M以及GSM 1800M頻段進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果可以看出，頻段越高則穿透損耗越大，同時(shí)可以看出，GSM系統(tǒng)穿透能力略高于LTE FDD系統(tǒng)，此外，F(xiàn)DD 1800M系統(tǒng)穿透損耗略大于TD-LTE F頻段。需要說(shuō)明的是，由于測(cè)試環(huán)境搭建、測(cè)試終端協(xié)調(diào)等原因，僅協(xié)同部分廠家在少數(shù)場(chǎng)景下進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，因此測(cè)試數(shù)據(jù)僅代表相關(guān)測(cè)試的結(jié)果并僅作為研究參考數(shù)據(jù)，不代表作者所在單位對(duì)該技術(shù)的官方結(jié)論。

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