多天線技術(shù)在LTE混合組網(wǎng)中的應(yīng)用研究

王煥斌 袁泉

【摘 要】

多天線技術(shù)是TD-LTE和LTE FDD系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)的合理應(yīng)用將對LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、后期維護、業(yè)務(wù)發(fā)展等具有非常重要的意義。從相關(guān)設(shè)備性能介紹、鏈路預(yù)算、具體應(yīng)用場景、覆蓋仿真等方面對比分析多天線技術(shù)在LTE混合組網(wǎng)中的應(yīng)用價值，并針對未來LTE混合組網(wǎng)提出建議。

混合組網(wǎng) 天線系統(tǒng) 多天線技術(shù)

【關(guān)鍵詞】

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.04.003 中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2016）04-0014-05

引用格式：王煥斌，袁泉. 多天線技術(shù)在LTE混合組網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J]. 移動通信， 2016，40（4）： 14-18.

1 引言

多天線技術(shù)是LTE系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，結(jié)合OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）技術(shù)，能夠很好地實現(xiàn)空、時頻多維信號的調(diào)度和處理，大幅度提升系統(tǒng)的傳輸效率和靈活性。相比3G系統(tǒng)，LTE系統(tǒng)的平均吞吐量和峰值速率等都得到較高的提升[1]。

隨著LTE系統(tǒng)的商用，目前全球已有124個國家和地區(qū)開通了312張LTE FDD網(wǎng)絡(luò)、31張TD-LTE網(wǎng)絡(luò)、17張TD-LTE與LTE FDD混合網(wǎng)絡(luò)，全球LTE已進入快速發(fā)展期。由于我國工業(yè)和信息化部分配給LTE FDD的頻段資源較少、分配給TD-LTE頻段資源較豐富，而LTE FDD上下行必須要使用對稱的頻段資源，所以能夠供給LTE FDD使用的頻段資源非常緊張，加之目前2G、3G在未來較長一段時間不會退出市場，所使用的頻段資源暫時無法遷移到LTE網(wǎng)絡(luò)。與LTE FDD相比，TD-LTE上下行鏈路能使用非對稱頻段資源，可以更好地支持非對稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)熱點區(qū)域連續(xù)覆蓋的最佳選擇[2-3]。截至當前，僅中國移動一家運營商已在全國范圍內(nèi)建設(shè)30萬個左右4G基站，LTE設(shè)備已經(jīng)成熟，組網(wǎng)技術(shù)及方案也已大規(guī)模應(yīng)用，但考慮到LTE FDD頻段資源較緊缺，合理的天線部署將對LTE混合網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、容量等有重要意義和價值[4]。

本文首先對TD-LTE和LTE FDD系統(tǒng)的覆蓋能力進行分析對比，結(jié)合目前整體的站址情況，給出適合當前形勢的站址選擇原則；然后分析LTE系統(tǒng)采用多天線技術(shù)的可行性，結(jié)合實驗網(wǎng)測試數(shù)據(jù)，總結(jié)出LTE系統(tǒng)混合組網(wǎng)中天線設(shè)計方案；最后根據(jù)已得出的天線部署方案策略，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)熱點區(qū)域進行網(wǎng)絡(luò)仿真驗證。

2 LTE系統(tǒng)多天線覆蓋性能對比分析

2.1 多天線技術(shù)

在LTE網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和建設(shè)中，合理利用多天線技術(shù)、科學(xué)地進行設(shè)備選型在很大程度上決定著網(wǎng)絡(luò)的容量、覆蓋性能等。目前，從LTE設(shè)備的發(fā)展情況以及相關(guān)技術(shù)和案例來看，多天線技術(shù)的發(fā)展情況大致如下：

（1）2T2R天線：發(fā)展最成熟、穩(wěn)定，已經(jīng)在全球部署LTE網(wǎng)絡(luò)的國家和地區(qū)得到了大規(guī)模的應(yīng)用。

（2）2T4R天線：發(fā)展成熟、穩(wěn)定，國內(nèi)運營商已經(jīng)在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)中大量應(yīng)用。

（3）2T8R天線：已逐步完善，但主要是基于2T2R或2T4R天線設(shè)備進行組合拼接，已在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中開始大量應(yīng)用，LTE FDD網(wǎng)絡(luò)還處于實驗網(wǎng)測試驗證階段。

對于LTE系統(tǒng)的上述3種多天線技術(shù)應(yīng)用方案，下行鏈路一般采用2天線方案，多天線方案主要區(qū)別在于上行鏈路接收天線數(shù)量，有上行2天線、4天線、8天線的不同方案。本文對LTE多天線技術(shù)部署策略分析主要集中在上行鏈路，目前2T2R天線系統(tǒng)是LTE網(wǎng)絡(luò)主流應(yīng)用方案，而2T4R天線、2T8R天線可認為是LTE系統(tǒng)上行鏈路多天線技術(shù)的增強方案。

2.2 性能對比分析

多天線技術(shù)已在LTE系統(tǒng)組網(wǎng)過程中廣泛應(yīng)用，結(jié)合收發(fā)分集、多用戶MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）以及波束賦形等關(guān)鍵技術(shù)，可進一步大幅度提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。在文獻[5]中已描述了2T2R天線和2T4R天線上行接收性能的差異，二者的最大輻射功率相差3dB左右。此外，3GPP在LTE R9中也對2T8R天線上行鏈路接收性能進行了評估，2T8R天線與2T2R天線二者的最大輻射功率相差6dB左右，前期實驗網(wǎng)的測量數(shù)據(jù)中也基本證明了該結(jié)論[6]。為進一步分析不同制式LTE系統(tǒng)采用不同模式天線組網(wǎng)時的覆蓋性能，在某市密集區(qū)域進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試。

通過上行鏈路預(yù)算公式計算可證明LTE系統(tǒng)的上行覆蓋能力較CDMA2000系統(tǒng)、WCDMA系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)弱，但1.8GHz、2.1GHz LTE FDD系統(tǒng)與TD-LTE系統(tǒng)及現(xiàn)網(wǎng)2G、3G系統(tǒng)共站址建設(shè)是可行的。

上行鏈路預(yù)算公式[7]：

PL_UL=Pout_UE+Ga_BS+Ga_UE-Lf_BS-Mf-Ml-Lp-Lb-S_BS （1）

其中，各項參數(shù)含義如表1所示：

（1）上行覆蓋能力測試

通過室外隨機抽樣測試，對TD-LTE、LTE FDD采用不同上行接收天線數(shù)的覆蓋情況進行對比分析，其中TD-LTE系統(tǒng)采用上下行2：2的時隙配比，且下行空載、上行不加載。現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析，當上行天線數(shù)量相同、在同一頻段內(nèi)時，LTE FDD覆蓋范圍較TD-LTE廣，適合基層網(wǎng)絡(luò)覆蓋；當TD-LTE采用2.6GHz頻段組網(wǎng)且天線系統(tǒng)采用4天線、8天線時，TD-LTE上行業(yè)務(wù)速率總體較LTE FDD高。在嚴格考慮干擾隔離的情況下，可以與3G網(wǎng)絡(luò)共站址部署，TD-LTE和LTE FDD協(xié)同部署以達到較好的上行覆蓋效果。

（2）多天線LTE系統(tǒng)吞吐量測試

在同一測試區(qū)域采取定點測試不同天線情況下LTE基站的單用戶吞吐量，基站上、下行采用默認加載設(shè)置（TD-LTE系統(tǒng)配置20MHz帶寬、上下行2：2的時隙配比；LTE FDD系統(tǒng)配置上下行對稱帶寬10MHz），干擾情況忽略。具體測試結(jié)果如表3所示：

由表3的測試結(jié)果可知，當系統(tǒng)均采用2天線時，同頻段、相同覆蓋距離，LTE FDD單用戶吞吐量均較TD-LTE高；當均采用4天線時，同頻段、相同覆蓋距離，TD-LTE單用戶吞吐量均較LTE FDD高，尤其是2.6GHz頻段TD-LTE系統(tǒng)。目前LTE FDD系統(tǒng)還未部署8天線，測試區(qū)域只針對TD-LTE進行8天線時的吞吐量測量，無對比數(shù)據(jù)。

總而言之，從性能角度對比，4天線、8天線在吞吐量和上行覆蓋方面相比2天線都具有明顯的優(yōu)勢。如何合理地將多天線應(yīng)用到LTE混合組網(wǎng)中將是未來運營商的重要切入點。

3 LTE混合組網(wǎng)中多天線技術(shù)應(yīng)用分析

綜合現(xiàn)有天線系統(tǒng)的相關(guān)性能及LTE基站設(shè)備廠商的支持、開源情況，分析目前國內(nèi)運營商所處的境地，合理利用多天線技術(shù)無論是從成本、效益還是性能等方面都會有重要意義。下面將從運營商開辟新站址、多天線應(yīng)用場景等方面開展論述。

3.1 開辟新站址建議

目前開辟新站點的可能性很小，尤其是城區(qū)密集區(qū)域，物業(yè)協(xié)調(diào)困難，很多現(xiàn)有站址上都已經(jīng)建設(shè)三家運營商的多個制式網(wǎng)絡(luò)，天線系統(tǒng)安裝空間已嚴重不足。同時，LTE網(wǎng)絡(luò)相比2G、3G網(wǎng)絡(luò)對信號質(zhì)量更為敏感，對提升覆蓋、容量性能的需求很迫切，未來LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)思路應(yīng)從傳統(tǒng)注重場強的思路向注重信號質(zhì)量轉(zhuǎn)變，使得對天線部署方案的設(shè)計更為精準[8]。

通過現(xiàn)場勘查，結(jié)合所選LTE系統(tǒng)天線性能參數(shù)，根據(jù)覆蓋需求和站址資源合理部署天面系統(tǒng)對后期網(wǎng)絡(luò)覆蓋有很大幫助。建議在符合干擾隔離度等條件下，共用現(xiàn)有2G、3G系統(tǒng)存量站址資源按需部署天線系統(tǒng)。同時，對覆蓋區(qū)域及潛在客戶進行需求調(diào)研，結(jié)合運營商網(wǎng)管中心上傳的該區(qū)域的語音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分布情況，初步確定系統(tǒng)設(shè)備選型、天線輻射角度及天線系統(tǒng)建設(shè)方式，盡可能采取垂直隔離方式分層部署網(wǎng)絡(luò)；避免不同制式的天線系統(tǒng)斜射、大角度對射，以降低干擾損耗[9]。

3.2 多天線技術(shù)應(yīng)用場景選型分析

在實際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，應(yīng)根據(jù)站址現(xiàn)場勘查情況靈活部署天線系統(tǒng)。根據(jù)上述情況，建議采取以下應(yīng)用場景：

場景一：單獨部署LTE系統(tǒng)天線，可與具備獨立安裝天線的現(xiàn)有基站共站或獨立新建LTE基站。天線類型推薦選用1.8GHz或2.1GHz寬頻雙極化定向天線（2端口或4端口），天線端口數(shù)可根據(jù)實際需求決定。以三扇區(qū)基站為例，2端口天線需布放6根饋纜，4端口天線需布放12根饋纜。安裝形式可共用已有塔桅安裝或新建塔桅安裝，同時考慮承重和風(fēng)荷要求。主設(shè)備優(yōu)先選擇分布式基站設(shè)備，如果條件允許，也可選用宏基站設(shè)備。

該方案的優(yōu)點是便于LTE系統(tǒng)后期的網(wǎng)絡(luò)維護和優(yōu)化以及保證LTE網(wǎng)絡(luò)性能、后期的升級改造，而且不會對現(xiàn)網(wǎng)的正常運行產(chǎn)生影響。

場景二：與現(xiàn)有基站共站建設(shè)，且缺少空余天面空間獨立部署LTE系統(tǒng)天線。天線類型推薦選用2.1GHz或2.6GHz寬頻雙極化多模定向天線（4端口、6端口或8端口），天線端口數(shù)可根據(jù)實際需求決定。部署天線系統(tǒng)時需利用該多模天線替換掉原有2G或3G天線，利舊原有塔桅安裝，同時考慮承重和風(fēng)荷要求。主設(shè)備優(yōu)先選擇分布式基站設(shè)備，如果條件允許，也可選用宏基站設(shè)備，需注意天線端口數(shù)的對應(yīng)。

該方案的優(yōu)點是可以更好地利用緊張的天面資源，通過多天線、波束賦形等技術(shù)顯著提升系統(tǒng)容量、平均吞吐量等；缺點是施工時會中斷原有網(wǎng)絡(luò)的運行，后期網(wǎng)絡(luò)維護優(yōu)化時不可以獨立調(diào)試單一制式網(wǎng)絡(luò)的天線角度及其他參數(shù)。

目前大部分天線系統(tǒng)的具體參數(shù)如表4、表5所示：

綜上所述，4天線、8天線尺寸和重量均比較大，這對施工會增加一定的難度，但是4天線、8天線在LTE網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用會使吞吐量和覆蓋質(zhì)量顯著提高，而且使用多端口多模寬頻天線還會節(jié)省天面空間，非常適用于天面難開辟或站址資源緊缺的市區(qū)密集區(qū)域場景，合理利用該技術(shù)將會對實現(xiàn)LTE網(wǎng)絡(luò)連續(xù)、高質(zhì)量覆蓋有很大幫助。2天線產(chǎn)品對于天面要求低、饋線少且易于安裝，因此可主要在部分實施受限的場景使用，如天面受限站點、物業(yè)和居民對大面板天線反感較大難以實施的站點、街道站、高速公路站點、補盲站點等。下面將就上述多天線應(yīng)用場景進行覆蓋仿真分析。

4 覆蓋能力仿真結(jié)果分析

考慮到多天線技術(shù)應(yīng)用的成熟度以及上述多天線技術(shù)應(yīng)用場景，在現(xiàn)有2G、3G網(wǎng)絡(luò)站點的數(shù)據(jù)熱點區(qū)域進行TD-LTE與LTE FDD系統(tǒng)混合組網(wǎng)站點規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上進行公共信道的覆蓋性能仿真，其主要參數(shù)如表6所示。

規(guī)劃仿真結(jié)果如圖1所示。由仿真結(jié)果可以看出，RSRP（Reference Signal Receiving Power，參考信號接收功率）>-110dBm的比例占到90%以上，RSRP> -100dBm的比例達到65%以上，規(guī)劃區(qū)域RSRP平均值為-110dBm以上，基本達到工程標準。在實際組網(wǎng)建設(shè)過程中，通過科學(xué)的基站設(shè)備選型、天線部署以及后期詳細的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化可以達到更好的覆蓋效果。

5 結(jié)束語

不同于以往傳統(tǒng)的2G、3G通信系統(tǒng)，LTE系統(tǒng)可采用多天線、波束賦形等關(guān)鍵技術(shù)提升系統(tǒng)的綜合性能，而且相比2G、3G系統(tǒng)，LTE系統(tǒng)對信號質(zhì)量更敏感，對提升系統(tǒng)覆蓋性能、容量性能、數(shù)據(jù)速率等的需求非常迫切。這些都說明未來的LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)思路應(yīng)從傳統(tǒng)的注重場強的思路向注重信號質(zhì)量轉(zhuǎn)變，使得對天線部署方案的設(shè)計更為精準。同時，未來物業(yè)的要求、多系統(tǒng)長期共存的性能需求都需要改變過去傳統(tǒng)的天線系統(tǒng)部署策略，需要利用LTE系統(tǒng)的多天線、波束賦形等天線增強技術(shù)提出更加精細化、更加適合提升LTE混合組網(wǎng)系統(tǒng)性能的天線系統(tǒng)部署方案[10]。

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