1 引言
TETRA为欧洲电信标准协会(ETSI)推荐的数字集群标准,与iDEN、GT800、GOTA并列,为我国四大数字集群标准之一。TETRA标准采用TDMA与FDD技术,将一个载频的25kHz带宽分为4个时隙(信道),可用于承载话音/数据业务、控制信令。TETRA除了具有一般数字集群系统频率效率较高的特点外,在话音功能、数据服务、直通模式、系统容量、市场规模等方面具有比较明显的优势,加上其强大的调度功能,TETRA在国内外得到广泛应用。TETRA也是我国已建的数字集群共网系统普通采用的技术标准。
目前我国已建的TETRA数字集群网络主要有:北京正通政务网、上海电信集群网、深圳公安数字集群网络、广州800M数字集群共网、全国多个城市地铁、机场数字集群专网。随着政府管理水平的提升,对统一的应急通信指挥调度需求日益迫切,TETRA集群业务市场前景广阔,对TETRA无线网络规划技术研究、探讨,具有实际意义。
2 TETRA数字集群网络的服务指标
进行TETRA数字集群网络规划之前,应首先明确相关的网络服务指标,例如:网络接通率、覆盖率、排队等待概率等。这些网络服务指标指出了网络的建设目标,是网络规划的重要输入条件,各参数取值的不同也会直接影响网络规划的结果。表1列出了TETRA数字集群网络的一些主要网络指标。
序号
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网络服务指标
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参数的定义或解释
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典型取值
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1
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网络可用率
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全年网络可用的时间占比
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>99%
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2
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无线信道可用率
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可用的无线信道占总配置无线信道的比例
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90%~96%
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3
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掉话率
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出现掉话的通话占总通话的比例
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3%~5%
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4
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网络接通率
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用户应答、被叫用户忙、被叫用户不应答、终端拒绝和不可用的全部次数与总有效呼叫次数之比
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90%~98%
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5
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覆盖率
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接收电平大于某个取定门限值的面积比
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按不同的覆盖类型(面、线、点)和不同区域(市区、郊区和农村),取80%~98%不等
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6
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排队等待概率
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在同一基站的信道被占满,请求通话的用户排队等待空闲信道的概率
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2%~5%
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3 TETRA覆盖规划
无线覆盖规划,主要针对不同区域类型的基站进行链路预算,得到相应的链路允许最大损耗以及基站覆盖半径,以此为依据进行下一步的无线基站规划及选点。
在TETRA网络规划设计之前,一般要先进行传播模型调校工作,使得最终的模型参数与实际测试结果更加吻合,增加覆盖预测的准确度。考虑到Hata理论模型不大适合直接应用到仿真软件的覆盖预测中,建议采用在国内得到广泛应用的仿真软件ASSET标准传播模型“Standard MacroCell Model”。该模型以Hata模型为基础进行扩展,能方便地利用测试数据进行模型校准,且考虑了地貌及无线信号衍射情况,从而增强了模型的灵活性和精确性,适用于150MHz到2GHz的频率范围。在该标准模型中:
其中:
Prx为接收信号强度(dBm);
Ptx为发射信号强度(dBm);
Ploss为传播路径损耗(dB);
并且:
其中:
K1为衰减常数;
K2为距离衰减系数;
K3和K4为移动台天线高度修正系数;
K5和K6为基站天线高度修正系数;
K7为绕射修正系数;
Kclutters为地物衰减修正值;
dkm为测试基站与移动台之间的距离(km);
Heff为测试基站天线的有效高度(m);
Hmeff为移动台天线的有效高度(m)。
进行基站链路预算时,上行和下行链路有各自不同的发射功率损耗和路径衰落。链路预算可分为前向链路预算和反向链路预算,与其他常见无线移动通信系统类似,TETRA数字集群通信系统的覆盖能力主要也是受限于反向链路预算,故工程上一般通过反向链路预算对TETRA基站的覆盖能力进行估算。
采用上述的ASSET标准模型公式,结合某城市的经过调校后的密集市区、普通市区和郊区农村传播模型,得到TETRA集群基站的典型链路预算结果如表2所示。要指出的是,表2中的分析针对的是800MHz TETRA系统,对350MHz或其它频段的TETRA系统,分析方法一致,主要区别在于传播模型参数的取值。
射频参数
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高密度市区
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一般市区
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郊区农村
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移动台发射功率(dBm)
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30
|
30
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30
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移动台天线增益(dBi)
|
0
|
0
|
0
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基站天线增益(dBi)
|
11
|
11
|
11
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基站天馈线系统损耗(dB)
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3
|
3
|
3
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基站接收灵敏度(dBm)
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-112
|
-112
|
-112
|
标准方差(dB)
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8
|
8
|
8
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衰落余量(dB)
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12.5
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8.7
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5.4
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覆盖区可通率
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98%
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95%
|
90%
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天线分极增益(dB)
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5
|
5
|
5
|
反向链路允许损耗值(dB)
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142.5
|
146.3
|
149.6
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穿透损耗(dB)
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15
|
12
|
11
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人体损耗(dB)
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3
|
3
|
3
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基站天线高度(m)
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50
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60
|
60
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移动台天线高度(m)
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1.5
|
1.5
|
1.5
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基站覆盖半径(km)
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1.5
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2.7
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5.0
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4 TETRA容量规划
进行容量规划之前,首先需明确网络的话务模型。数字集群通信网络主要有调度、电话和数据传输三种功能,各自所占比例不同,用户忙时话务量差别很大。参考国外的统计资料和国内已建数字集群网络的运营经验,取定话务模型如下:
◆用户分配比例:调度呼叫90%;电话呼叫5%;数据呼叫5%。
◆调度用户忙时话务量:0.01Erl/户。
◆电话互联忙时话务量:0.02Erl/户。
◆数据用户忙时话务量:0.04Erl/户。
◆综合取定每用户忙时平均话务量为0.012Erl/户。
◆集群用户忙时排队概率:≤5%。
容量规划一般在用户预测与用户分布分析的基础上进行,具体步骤为:首先根据用户总数和各类区域的话务分布,得到各区域的话务量;然后结合区域内的基站数量和各基站的覆盖范围,估算出各基站需要承载的话务量,并根据话务热点进行权衡调整;最后根据用户需要的服务等级,并考虑一定的冗余,查询Erlang C表得到承载相应话务量时各基站的载波配置。TETRA容量规划的流程如图1所示:
TETRA集群基站支持1~8载波配置,每个载波有4个时隙(信道),其中第一个载波的第一个信道为主控信道。
按上述取定的话务模型,查Erlang C表得到不同载波配置的TETRA基站容量,如表3所示:
基站配置载波数
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语音信道数(条)
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容纳话务量(Erl)
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容纳用户数(户)
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1
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3
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0.79
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66
|
2
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7
|
3.19
|
266
|
3
|
11
|
6.01
|
501
|
4
|
15
|
9.04
|
753
|
6
|
23
|
15.43
|
1286
|
8
|
31
|
22.08
|
1840
|
根据上述容量表,按照图1的容量规划流程,即可计算出各基站的载波配置信息。
5 TETRA无线网络规划实例
图2为某城市的中心市区,属于高密集市区传播环境,人口密集,且有火车站、重要体育场及武警等场所或机关,为该城市TETRA数字集群网络最重要的保障区域之一。
根据前面的链路预算及覆盖规划,该区域集群基站的覆盖半径为1.5km、站间距为2.6km左右。以此为基础,得到该区域集群基站的理想规划位置。在选点阶段,根据现场楼宇的实际情况以及物业情况等,部分站点在允许的搜索半径内对规划的位置进行了调整,图2为调整后的实际站点位置图。
根据前期相关调研结果,该区域每平方公里的数字集群用户数为120~160户左右。基站覆盖半径按1.5km考虑,各基站按理想蜂窝计算得到的覆盖面积为5.8km2。各基站覆盖范围的集群用户数为160*5.8=928户。若基站容量按照20%的冗余,各基站需支持的用户数为928*1.2=1114户。根据前述的集群话务模型及基站容量表,该区域基站的典型配置为6载波。另外,考虑到D基站靠近大型体育场,比赛期间有大量的安保、竞赛组织集群用户;F基站靠近火车站,在重要活动期间同样集群用户密集,这两个站点调整至8载波。也即该区域范围内:A、B、C、E、G基站按规划计算的6载波配置;D、F基站根据实际情况调整为8载波配置。
综上,实际进行TETRA网络规划时,站点位置、基站配置均要在理想规划的基础上,根据实际情况对部分站点进行适当的调整。
6 结束语
无线网络规划为TETRA数字集群网络建设过程中最重要的环节之一。采取合理、科学的无线网络规划方法,将为建设高质量、低成本TETRA集群网络奠定坚实的基础。