LTE FDD的覆蓋增強技術

摘要：通過對LTE FDD覆蓋增強關鍵技術的研究和實際外場試驗測試，提出了LTE FDD多天線技術、上行IRC技術和上行功控技術在LTE FDD覆蓋中的綜合應用解決方案。認為通過上行8天線的方式，可以增加6 dB以上的覆蓋增益；通過IRC等覆蓋增強技術能有效地消除小區間的干擾。這些技術的綜合運用，可以有效提高LTE網絡的覆蓋質量，提高用戶體驗。

關鍵詞：LTE；多天線；覆蓋增強；上行IRC；上行MRC

LTE FDD 覆蓋能力主要受限于頻率和干擾兩個方面。目前全球長期演進頻分雙工（LTE FDD）系統部署頻率大部分位于2 GHz頻段及以上。眾所周知，2G以上的高頻段相比于1 GHz低頻段，在覆蓋上有著非常明顯的差別，尤其是針對那些直接從碼分多址/全球移動通信系統（CDMA/GSM）網絡升級到LTE FDD網絡的運營商。

1 LTE多天線技術需求

LTE FDD是一個上行干擾受限的系統，LTE FDD的小區覆蓋半徑主要受上行影響。在2 GHz頻段附近，LTE FDD采用2發2收天線時，如單通道下行發射功率為20 W，覆蓋半徑一般在400 m左右，以滿足LTE FDD小區邊緣用戶下行1 Mbit/s和上行256 Kbit/s的基本業務速率需求。由圖1可以看出，LTE FDD 在2.1 GHz的覆蓋半徑在400 m左右，和2.1 GHz的3G網絡覆蓋范圍相當。而傳統的800 MHz CDMA網絡，在相同條件下，覆蓋半徑會在1 km以上[1-3]。

覆蓋半徑的差異導致在LTE FDD實際網絡建設中，LTE FDD網絡可以和相同頻段的2.1 GHz無線網絡（如3G的UMTS 2.1vGHz）共站，而無法和800 MHz CDMA網絡完全共站。對于那些目前僅有800 MHz CDMA網絡的運營商，需要對LTE FDD站址進行重新規劃，同時還需要尋找新的站址。在此情況下，LTE FDD網絡有可能做不到全網覆蓋[4]。

除了LTE FDD高頻段帶來的覆蓋差異外，LTE FDD的內部干擾也是影響LTE FDD覆蓋的另一個重要因素[5]。圖2顯示的是在一個LTE FDD多小區覆蓋下，小區間的覆蓋距離為500 m左右時，用戶在干擾情況下的速率對比。

在小區中心50 m左右的區域，LTE FDD網絡的業務速率會一直保持在7 Mbit/s以上。當用戶行進至小區邊緣時，業務速率會有一個明顯的下降過程，這時的業務速率會降低至1 Mbit/s以下。可見，LTE FDD網絡中，小區間的干擾確實會影響小區邊緣用戶的業務性能。小區間的干擾會在網絡中，形成大量的數據空洞，導致用戶的實際體驗很差[6-10]。

針對LTE FDD覆蓋中出現的上述問題，全球標準組織和研究機構正在制訂相應標準和技術，以解決LTE FDD系統在覆蓋方面的問題。從目前的研究進展看，LTE FDD多天線技術、上行干擾消除（IRC）技術和上行功控技術是在現階段公認的、可用于LTE FDD覆蓋增強的實用技術。

2 LTE多天線技術研究和

試驗

多天線技術通過對發射和接收信號的空域和時域上的處理，提高系統的覆蓋和容量。其中，多天線的接收分集、發射分集、下行波束賦形和多輸入多輸出（MIMO），即空分復用已經在3G和LTE網絡中得到了很多廣泛應用。

在LTE協議中，LTE多天線下行規定了多種傳輸模式，并且支持最高8天線的碼本設計。原則上，3GPP對天線數目和傳輸模式沒有特別的搭配要求。從目前LTE網絡，特別是LTE FDD網絡中，運營商一般會采用2天線或4天線解決方案。主要原因是：相比8天線設備成本，2天線或4天線的設備成本會相對較低。同時，運營商采用2天線或4天線也可以和現有的寬帶碼分多址（WCDMA）等網絡進行共天饋建設，以節省工程安裝費用[11]。

但對于傳統的CDMA運營商，由于CDMA網絡向LTE網絡過渡時，頻段上存在比較大的差異，2天線或4天線的方案選擇會帶來LTE網絡覆蓋上的空洞。因此8天線技術，特別是上行8天線技術是傳統CDMA運營商需要重點考慮的技術。

上行多天線技術，在接收端使用多根天線進行信號接收合并，即上行最大比合并（MRC）技術，是最常用并且研究最多的多天線配置技術[12]。多天線接收將接收到的多徑信號按一定規則合并起來，使接收到的有用信號能量最大，從而提高接收信號的信噪比，達到提高系統覆蓋能力和系統容量的目的。

從大量的實驗室測試數據來分析，8天線上行接收技術相對于2天線上行接收技術有5～8 dB的信號增益。并且，8天線的信號增益和加載的信道仿真模型有一定的關聯。當加載加性高斯白噪聲（AWGN）信道模型時，8天線的信號相比于2天線信號會有5 dB的增益；當加載擴展空間的信道模型（SCME）時，8天線的信號相比于2天線的信號則會有8 dB以上的增益。

信號仿真模型和實際外場環境存在一定的對應關系。上面提到的AWGN信道模型基本上可以對應于一般郊區場景，存在直射徑，但反射和折射較少。這種外場環境下，上行8天線接收相比于2天線的信號增益在5 dB左右；在密集城區，會存在比較多的反射徑和折射徑，這種外場環境下，上行8天線接收技術會有效抵抗多徑帶來的衰落，相比于2天線的信號增益在8 dB左右。

為了驗證多天線技術對LTE覆蓋性能的影響。中興通訊于2012年在中國某城市進行了LTE FDD覆蓋增強技術的外場試驗。對LTE FDD多天線技術、上行IRC技術和上行功控制技術對LTE FDD上行覆蓋增強進行了綜合試驗測試。其中，重點對比了相同條件下，上行8天線接收相比2天線接收的信號處理增益。

2.1 測試總體方案說明

測試總共使用兩個基站，一個小區配置一個基站。測試兩個站點分別位于中國某城市的主要商業區，一個站點用于主測站點，另一個站點用于加擾。兩個站點之間相距300 m。

2天線UE和8天線UE在相同條件下，采用上行天線進行大數據業務傳輸。

2.2 多天線性能測試對比

當在UE位于近點時，由于信道條件較好，基站能實現最大碼率的解調。因此測試中2天線UE和8天線UE均能達到上行最大峰值速率，發射功率均小于最大發射功率。其發射功率撒點圖如圖3所示。

當UE進入近點時（RSRP在-60～-80 dBm），8天線UE發射功率相比2天線發射功率低10 dB左右，隨著距離增加，發射功率差值在減小，但平均能維持在5 ～ 6 dB左右。

當UE進入中、遠點時（RSRP 在890 ～ -120 dBm時），8天線UE和2天線UE發射功率一致，均達到最大發射功率。此時，8天線增益主要體現在容量變化上。

圖4是2天線或8天線定點容量測試結果對比。

當UE進入中點位置時（RSRP在-60 ～ -100 dBm），8天線UE吞吐量相比2天線有將近1倍增長；當UE進入了遠點位置時（RSRP在-100 ～-120 dBm），8天線UE吞吐量相比2天線有將近2倍增長。

3 上行IRC技術研究和試驗

上行多天線接收技術主要使用MRC技術，用于抗衰落和抗噪聲。當系統中存在較大的干擾時，對于干擾很大的分支，上行MRC給的權值也很大[13]。因此，這些分支的干擾被放大，致使性能惡化。

IRC是一種更高級的分集接收技術，相較于傳統的MRC算法，IRC考慮了空間特征，抗干擾效果更加明顯。圖5是MRC和IRC的實驗室/性能仿真的對比。

LTE FDD基站配置為2天線，信道模型低相關，UE上行資源塊（RB）個數為6，系統帶寬20 MHz，信號源在相同位置上，進行6個RB的干擾。

從以上仿真結果可看出，當存在強干擾時，即使SNR不斷增加，MRC也無法達到誤塊率（BLER）的10%。而IRC卻在一定的SNR下，可以達到BLER的 10%。

因此，在外部強干擾情況下，IRC技術是一個有效的抗干擾的技術，能保證小區邊緣用戶良好的覆蓋和容量[14-15]。當然，IRC技術要求干擾信號相對有用信號，有一個比較強的方向性。

圖6是外場測試時，開啟IRC功能后，2天線或8天線的性能對比圖（限定上行速率為256 Kbit/s）。

此時鄰區UE使用和主測小區相同的RB塊進行加擾；同時，主測小區的2天線或8天線UE同時采用上行數據業務傳輸；上行并采用IRC功能進行測試，測試時限定上行固定為256 Kbit/s）。

通過這個測場景，我們可以發現：當UE位于近點或者中點（RSRP > -100 dBm）時，2天線或8天線均能達到上行256 Kbit/s上行限速能力，但8天線的信號與干擾加噪聲比 （SINR）明顯高于2天線，表明此時8天線相比2天線有接收分集的增益。當UE位于遠點位置時（RSRP < -100 dBm），2天線已不能達到256 Kbit/s，但8天線卻可以達到。

因此，在上行加擾情況下，當采用IRC功能后，8天線相比2天線的性能提升更加明顯。

從上面的技術研究和試驗可得出：LTE FDD多天線技術、上行IRC技術，上行功控技術能有效解決目前LTE FDD上行覆蓋不足的問題。

上述這些技術可以綜合應用，以期達到最大限度提高覆蓋，抗干擾和提高小區邊緣用戶的容量。

4 結束語

通過上述對LTE FDD覆蓋增強關鍵技術的研究和實際外場試驗測試，可以得知LTE FDD多天線技術、上行IRC技術和上行功控技術能夠提高LTE FDD覆蓋能力，降低干擾，降低近點UE的發射功率并能大幅提高上行容量。

但LTE FDD多天線技術也會面臨諸如工程安裝相對困難，設備和配套成本較高，并且8天線本身的天線工藝制作水平也有待提高等一系列問題。目前試驗的LTE FDD多天線技術主要著力解決上行覆蓋問題，當上行覆蓋問題得到緩解后，下行覆蓋問題可能會顯露出來。因此，LTE FDD覆蓋增強技術下一步將繼續解決下行覆蓋的相關問題問題，以期做到上、下行鏈路完全平衡，以更好滿足用戶對LTE FDD網絡高速業務的需求。

2天線UE和8天線UE在相同條件下，采用上行天線進行大數據業務傳輸。

2.2 多天線性能測試對比

當在UE位于近點時，由于信道條件較好，基站能實現最大碼率的解調。因此測試中2天線UE和8天線UE均能達到上行最大峰值速率，發射功率均小于最大發射功率。其發射功率撒點圖如圖3所示。

當UE進入近點時（RSRP在-60～-80 dBm），8天線UE發射功率相比2天線發射功率低10 dB左右，隨著距離增加，發射功率差值在減小，但平均能維持在5 ～ 6 dB左右。

當UE進入中、遠點時（RSRP 在890 ～ -120 dBm時），8天線UE和2天線UE發射功率一致，均達到最大發射功率。此時，8天線增益主要體現在容量變化上。

圖4是2天線或8天線定點容量測試結果對比。

當UE進入中點位置時（RSRP在-60 ～ -100 dBm），8天線UE吞吐量相比2天線有將近1倍增長；當UE進入了遠點位置時（RSRP在-100 ～-120 dBm），8天線UE吞吐量相比2天線有將近2倍增長。

3 上行IRC技術研究和試驗

上行多天線接收技術主要使用MRC技術，用于抗衰落和抗噪聲。當系統中存在較大的干擾時，對于干擾很大的分支，上行MRC給的權值也很大[13]。因此，這些分支的干擾被放大，致使性能惡化。

IRC是一種更高級的分集接收技術，相較于傳統的MRC算法，IRC考慮了空間特征，抗干擾效果更加明顯。圖5是MRC和IRC的實驗室/性能仿真的對比。

LTE FDD基站配置為2天線，信道模型低相關，UE上行資源塊（RB）個數為6，系統帶寬20 MHz，信號源在相同位置上，進行6個RB的干擾。

從以上仿真結果可看出，當存在強干擾時，即使SNR不斷增加，MRC也無法達到誤塊率（BLER）的10%。而IRC卻在一定的SNR下，可以達到BLER的 10%。

因此，在外部強干擾情況下，IRC技術是一個有效的抗干擾的技術，能保證小區邊緣用戶良好的覆蓋和容量[14-15]。當然，IRC技術要求干擾信號相對有用信號，有一個比較強的方向性。

圖6是外場測試時，開啟IRC功能后，2天線或8天線的性能對比圖（限定上行速率為256 Kbit/s）。

此時鄰區UE使用和主測小區相同的RB塊進行加擾；同時，主測小區的2天線或8天線UE同時采用上行數據業務傳輸；上行并采用IRC功能進行測試，測試時限定上行固定為256 Kbit/s）。

通過這個測場景，我們可以發現：當UE位于近點或者中點（RSRP > -100 dBm）時，2天線或8天線均能達到上行256 Kbit/s上行限速能力，但8天線的信號與干擾加噪聲比 （SINR）明顯高于2天線，表明此時8天線相比2天線有接收分集的增益。當UE位于遠點位置時（RSRP < -100 dBm），2天線已不能達到256 Kbit/s，但8天線卻可以達到。

因此，在上行加擾情況下，當采用IRC功能后，8天線相比2天線的性能提升更加明顯。

從上面的技術研究和試驗可得出：LTE FDD多天線技術、上行IRC技術，上行功控技術能有效解決目前LTE FDD上行覆蓋不足的問題。

上述這些技術可以綜合應用，以期達到最大限度提高覆蓋，抗干擾和提高小區邊緣用戶的容量。

4 結束語

通過上述對LTE FDD覆蓋增強關鍵技術的研究和實際外場試驗測試，可以得知LTE FDD多天線技術、上行IRC技術和上行功控技術能夠提高LTE FDD覆蓋能力，降低干擾，降低近點UE的發射功率并能大幅提高上行容量。

但LTE FDD多天線技術也會面臨諸如工程安裝相對困難，設備和配套成本較高，并且8天線本身的天線工藝制作水平也有待提高等一系列問題。目前試驗的LTE FDD多天線技術主要著力解決上行覆蓋問題，當上行覆蓋問題得到緩解后，下行覆蓋問題可能會顯露出來。因此，LTE FDD覆蓋增強技術下一步將繼續解決下行覆蓋的相關問題問題，以期做到上、下行鏈路完全平衡，以更好滿足用戶對LTE FDD網絡高速業務的需求。

2天線UE和8天線UE在相同條件下，采用上行天線進行大數據業務傳輸。

2.2 多天線性能測試對比

當在UE位于近點時，由于信道條件較好，基站能實現最大碼率的解調。因此測試中2天線UE和8天線UE均能達到上行最大峰值速率，發射功率均小于最大發射功率。其發射功率撒點圖如圖3所示。

當UE進入近點時（RSRP在-60～-80 dBm），8天線UE發射功率相比2天線發射功率低10 dB左右，隨著距離增加，發射功率差值在減小，但平均能維持在5 ～ 6 dB左右。

當UE進入中、遠點時（RSRP 在890 ～ -120 dBm時），8天線UE和2天線UE發射功率一致，均達到最大發射功率。此時，8天線增益主要體現在容量變化上。

圖4是2天線或8天線定點容量測試結果對比。

當UE進入中點位置時（RSRP在-60 ～ -100 dBm），8天線UE吞吐量相比2天線有將近1倍增長；當UE進入了遠點位置時（RSRP在-100 ～-120 dBm），8天線UE吞吐量相比2天線有將近2倍增長。

3 上行IRC技術研究和試驗

上行多天線接收技術主要使用MRC技術，用于抗衰落和抗噪聲。當系統中存在較大的干擾時，對于干擾很大的分支，上行MRC給的權值也很大[13]。因此，這些分支的干擾被放大，致使性能惡化。

IRC是一種更高級的分集接收技術，相較于傳統的MRC算法，IRC考慮了空間特征，抗干擾效果更加明顯。圖5是MRC和IRC的實驗室/性能仿真的對比。

LTE FDD基站配置為2天線，信道模型低相關，UE上行資源塊（RB）個數為6，系統帶寬20 MHz，信號源在相同位置上，進行6個RB的干擾。

從以上仿真結果可看出，當存在強干擾時，即使SNR不斷增加，MRC也無法達到誤塊率（BLER）的10%。而IRC卻在一定的SNR下，可以達到BLER的 10%。

因此，在外部強干擾情況下，IRC技術是一個有效的抗干擾的技術，能保證小區邊緣用戶良好的覆蓋和容量[14-15]。當然，IRC技術要求干擾信號相對有用信號，有一個比較強的方向性。

圖6是外場測試時，開啟IRC功能后，2天線或8天線的性能對比圖（限定上行速率為256 Kbit/s）。

此時鄰區UE使用和主測小區相同的RB塊進行加擾；同時，主測小區的2天線或8天線UE同時采用上行數據業務傳輸；上行并采用IRC功能進行測試，測試時限定上行固定為256 Kbit/s）。

通過這個測場景，我們可以發現：當UE位于近點或者中點（RSRP > -100 dBm）時，2天線或8天線均能達到上行256 Kbit/s上行限速能力，但8天線的信號與干擾加噪聲比 （SINR）明顯高于2天線，表明此時8天線相比2天線有接收分集的增益。當UE位于遠點位置時（RSRP < -100 dBm），2天線已不能達到256 Kbit/s，但8天線卻可以達到。

因此，在上行加擾情況下，當采用IRC功能后，8天線相比2天線的性能提升更加明顯。

從上面的技術研究和試驗可得出：LTE FDD多天線技術、上行IRC技術，上行功控技術能有效解決目前LTE FDD上行覆蓋不足的問題。

上述這些技術可以綜合應用，以期達到最大限度提高覆蓋，抗干擾和提高小區邊緣用戶的容量。

4 結束語

通過上述對LTE FDD覆蓋增強關鍵技術的研究和實際外場試驗測試，可以得知LTE FDD多天線技術、上行IRC技術和上行功控技術能夠提高LTE FDD覆蓋能力，降低干擾，降低近點UE的發射功率并能大幅提高上行容量。

但LTE FDD多天線技術也會面臨諸如工程安裝相對困難，設備和配套成本較高，并且8天線本身的天線工藝制作水平也有待提高等一系列問題。目前試驗的LTE FDD多天線技術主要著力解決上行覆蓋問題，當上行覆蓋問題得到緩解后，下行覆蓋問題可能會顯露出來。因此，LTE FDD覆蓋增強技術下一步將繼續解決下行覆蓋的相關問題問題，以期做到上、下行鏈路完全平衡，以更好滿足用戶對LTE FDD網絡高速業務的需求。