TD—LTE網絡2/8天線性能對比研究

符新 王洪梅 張立武

【摘要】 本文基于移動通信中的多天線技術，尤其是LTE系統的MIMO傳輸模式進行分析，并對2/8天線性能對比研究，對未來部署2/8天線提出相應的建議。

【關鍵詞】 LTE MIMO 2/8天線

TD-LTE系統中采用了多天線技術：在上行鏈路，多天線接收技術包括上行傳輸天線選擇（TSTD）和MU-MIMO；在下行鏈路，包括傳輸分集（SFBC， SFBC+FSTD，閉環Rank1預編碼）、 空間復用（開環空間復用、閉環空間復用以及MU-MIMO）。

MIMO即Multiple Input and Multiple Output，它利用多個發射天線、多個接收天線進行高速數據并行傳輸；MIMO適用于多散射體的無線環境，在這種環境下，來自每個發射天線的信號在每個接收天線中是不相關的，在接收機端利用這種不相關性對多個天線發送的數據進行分離和檢測。即通過一系列復雜的發送接收技術，實現系統容量的提升。相比于傳統單天線系統中對多徑效應采取克服和避免的方法，在多天線（MIMO）系統中，多徑效應變成了一個有利因素并被加以利用。（圖1）

在MIMO系統中，當各天線相互獨立時，較單天線系統可以顯著提高信道容量。增加的信道容量一方面可以用來提高信息傳輸速率，另一方面也可以通過增加信息冗余度來提高系統的傳輸可靠性，或者在兩者之間得一個合理的折中。MIMO的主要技術分為空間復用和分集。空間復用提高頻譜利用率，使系統在一定的頻帶內獲得更高的數據速率，而分集技術可以提高系統的傳輸可靠性，降低接收機靈敏度，從而提高系統容量和小區覆蓋半徑。

當采用MIMO技術時，在高SNR情況下，MIMO提供比非MIMO情況高的比特速率；當低SNR情況下，MIMO作為基本的空間分集技術使用。見圖2。

一、MIMO技術的分類

1.1從MIMO的效果分類

傳輸分集（Transmit Diversity）：利用空間信道的弱相關性，結合時間、頻率上的選擇性，發射或接收一個數據流，避免單個信道衰落對整個鏈路的影響。

空間復用（Spatial Multiplexing）：利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關性，向一個終端/基站并行發射多個數據流，以提高鏈路容量（峰值速率）。

波束賦行（Beamforming）：利用較小間距的天線陣元之間的相關性，通過陣元發射的波之間形成干涉，集中能量于某個（或某些）特定方向上，形成波束，從而實現更大的覆蓋和干擾抑制效果。

空分多址（SDMA）：利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關性，向多個終端并向發射數據流，或從多個終端并行接收數據流，以提高用戶容量。

四種技術對應空間信道的要求不同，低信噪比區域斜率較大，傳輸分集和波束賦形可以有效提高信噪比，從而提高容量和覆蓋范圍；高信噪比區域，容量曲線比較平坦，提高信燥比意義不大，應用空間復用技術來提高傳輸速率。

1.2從是否在發射端有信道先驗信息分

閉環（Close-Loop）MIMO：通過反饋或信道互異性得到信道先驗信息

開環（Open-Loop）MIMO：沒有信道先驗信息

二、傳輸模式的分類

在3GPP的R8版本中，TD-LTE系統基本的MIMO配置是：下行天線支持2×2，即2天線發送2天線接收，上行天線支持1×2，即1天線發送2天線接收。TD-LTE系統中的多天線技術主要有發射分集、碼字和層映射、預編碼、波束賦形等技術。實際網絡中TD-LTE的多天線發送方式可以根據信道情況從規定的8種天線傳輸模式中選擇。標準中規定的8種天線傳輸模式如表1所示。

傳輸模式是針對單個終端的，同小區不同終端可以有不同傳輸模式。eNB自行決定某一時刻對某一終端采用什么傳輸模式，并通過RRC信令通知終端。模式3和模式8中均含有單流發射，當信道質量快速惡化時，eNB可以快速切換到模式內發射分集或單流波束賦形模式。

三、2/8天線混合組網研究

2天線和8天線是TD-LTE網絡組網的2種選擇。從理論分析來看，2/8天線各有優勢，分別適合不同的應用場景。在實際網絡中，往往不會只存在一種天線模式。由于工程難度，有一定比例站點只能選用2通道天線，因此，現網的實際情況往往是2天線和8天線混合模式。本項目將從以下幾個方面來研究TD-LTE在2通道天線和8通道天線混合組網情況下的簇優化原則和性能分析：

2通道天線和8通道天線在無線特性上是有差異的，這些差異來自于：

（1）天線絕對增益的差異，相同尺寸2通道天線和8通道天線存在增益的絕對差異，天線的增益差會同時反應到下行和上行。一般對比情況如下：

（2）在上行方向上，由于8通道天線存在多路分集，因此會額外有4.5-6dB的增益，這樣對于8通道天線小區來講，上行的增益會比較明顯。8通道天線在數據信道上有理論上4-5dB的波束賦型增益，但在實際中是否能完全得到該增益也需要和現場情況結合。例如：UE根據CRS上報CQI，但CRS并沒有賦型增益。

（3）8通道天線的下行控制信道并沒有賦型增益，存在差異。

從組網上看，2/8天線混合組網是可以分為隨機插花的方式和連續成片的方式，見圖3。

因為2通道天線和8通道天線存在不同的無線特性，所以簇優化時需要基于1對1的2/8鄰區進行優化，比如基于鄰區的CIO參數，以及結合CIO進行微調的小區級參數a3offset。以上圖為例，隨機插花相對于小區連片就存在以下兩方面復雜性的差異：

（1）鄰區的類型更為多樣，對于采用連續成片組網方式的簇，簇內只存在純2鄰區、純8鄰區和2/8混合鄰區三種鄰區類型。但采用隨機插花組網方式的簇就存在純2鄰區、純8鄰區、2/8混合鄰區、2面向全8的鄰區和8面向全2的鄰區這五種鄰區類型。給多的鄰區類型帶來更為復雜的優化難度，如優化a3offset的難度更大。

（2）1對1的2/8鄰區數量更多，對于采用連續成片組網方式的簇，簇內有11個1對1的2/8鄰區。但采用隨機插花組網方式的簇就存在41個1對1的2/8鄰區。更多的鄰區數量帶來更多的工作量，如有更多的CIO和a3offset需要優化。

四、2/8天線混合組網分析結論

（1）插花場景網絡性能相比連片場景差，并且優化工作量大，建議建網時優選連片場景。

（2）8天線的下行賦形增益在網絡的邊緣才占優勢，而天線增益卻有3dB左右的損失，從測試結果來看，下行方向上2通道天線中值明顯高于8通道，邊緣值持平。上行方向上8通道天線中值和2通道持平，邊緣值由于接收分集的存在，占有優勢。這種特性在網絡規劃和優化中需要考慮。

（3）在連片和插花場景通過調整切換參數a3offset/CIO，充分發揮8天線在邊界區域的下行賦行增益、上行分集增益及覆蓋較好時的F2天線增益，優化2天線和8天線的小區邊界，使切換前后的性能達到最優。

連片場景：由于邊界小區的鄰區既有F2小區又有F8小區，所以只能通過調整CIO進行優化，如果邊界區域覆蓋差，需要提高CIO降低F2切換到F8的門限，降低CIO提高F8切換到F2的門限；如果邊界區域覆蓋較好，需要降低CIO提高F2切換到F8的門限，提高CIO降低F8切換到F2的門限來提高下行速率，反之提高上行速率。

插花場景：可以調整插花小區的a3offset（同站鄰區通過CIO彌補）和CIO相結合的方法達到和連片場景同樣的效果。

參 考 文 獻

[1] TD-LTE網絡2天線和8天線性能對比研究，胡兵，江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司，中國新通信雜志.

[2] TD-LTE 2天線與8天線對比分析，鄭毅 王飛姜 大潔 王啟星 金婧 胡臻平 劉光毅，中國移動通信研究院無線技術研究所，移動通信雜志.

[3] TD-LTE技術原理與系統設計，王映民 孫韶輝等，人民郵電出版社.