2/8天線性能對比

盧正偉

【摘要】隨著4G牌照的發(fā)放，三家運營商都得到了TD-LTE牌照，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，到底是選擇2天線來建設(shè)還是選擇8天線，運營商需要根據(jù)各自對4G網(wǎng)絡(luò)制式期許及建設(shè)計劃來進行抉擇。本文對2/8天線從技術(shù)性能、建網(wǎng)成本和施工難度三個維度來做對比分析，希望對運營商的天線選擇有所借鑒。

【關(guān)鍵詞】4G；TD-LTE；2/8天線；MIMO

2/8 antenna performance comparison

Lu Zheng-wei

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）

【Abstract】With 4 g licences issued， three carriers have been the td-scdma LTE licences， in the construction of the network， whether to build or 2 antenna selection eight antenna， operators need to 4 g network system according to their respective expectations and construction plans to make choices. This paper makes a comparative analysis of the technical performance， construction cost and construction difficulty of 2/8 antenna， and hopes to learn from the antenna selection of operators.

【Key words】4G；The td-scdma LTE；2/8 antenna；MIMO

1. 背景

（1）隨著2013年12月，工業(yè)和信息化部向三家電信運營商發(fā)放了第四代移動通信TD-LTE牌照，標志著我國4G時代的到來。

（2）多天線技術(shù)（MIMO）是TD-LTE系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實現(xiàn)移動通信系統(tǒng)高容量、高頻譜效率的重要手段。通過與OFDM、波束賦形等技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，可以顯著提升空間分集的效果、改善小區(qū)邊界區(qū)域的信道條件、很好的實現(xiàn)空、時、頻多維信號的聯(lián)合處理和調(diào)度，大幅度提升系統(tǒng)的靈活性和傳輸效率。

（3）TD-LTE系統(tǒng)繼承了TDD的固有特點和優(yōu)勢，能夠很好的滿足非對稱移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求。TD-LTE牌照的發(fā)放，我國三大電信運營商也開始部署TD-LTE網(wǎng)絡(luò)。鐵塔公司的成立，租金問題也成為擺在各大運營商面前需要考慮的現(xiàn)實問題之一，到底是選擇TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的2通道天線還是選擇8通道天線，相信每個運營商都有自己的盤算。因此，本文對2通道天線和8通道天線從性能對比、建設(shè)成本和施工難度3個維度來做分析，為TD-LTE的天線選擇、實際部署和后續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

2. 多天線技術(shù)（MIMO）

（1）MIMO（Multiple Input Multiple Output）：在發(fā)射機和接收機處設(shè)置兩根或多根天線進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的技術(shù)。多天線技術(shù)是一種統(tǒng)稱，根據(jù)實現(xiàn)方式的不同可以分為傳輸分集、空間復用、波束賦形和空分多址。

（2）四種技術(shù)對應(yīng)空間信道的要求不同，在低信噪比場景，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；在高信噪比場景，空間復用可以提高傳輸速率。

（3）從LTE的發(fā)展過程來看，最基本的LTE MIMO形式采用了兩端口的2x2的形式。因此，多天線技術(shù)在TD-LTE系統(tǒng)中的發(fā)展及應(yīng)用對于TD-LTE的發(fā)展發(fā)揮著非常重要的作用。最優(yōu)的MIMO算法對于不同的天線屬配置來說存在一定的差異（TD-LTE多天線技術(shù)支持能力見表1）。

（4）在TD-LTE系統(tǒng)中，常見傳輸方式主要包括TM2、TM3、TM4、TM7及TM8，其中2天線主要采用的傳輸模式包括TM2、TM3和TM4；8天線除了支持2天線的傳輸模式之外，還支持TM7和TM8。表1給出了2天線和8天線的上下行對天線模式的支持能力。從表1來看，在上行都是采用MIMO的分集模式，下行由于采用了模式間的自適應(yīng)技術(shù)，當信道條件較好時會采用雙流技術(shù)，而當信道條件較差時，則采用了單流技術(shù)。

3. 2/8天線性能對比

3.12/8天線下行信道性能對比。

（1）表2給出了2/8天線SU-MIMO的系統(tǒng)性能對比數(shù)據(jù)，基于3GPP Casel-3D場景進行仿真，2天線采用TM4模式，8天線采用TM8模式，均支持單雙流自適應(yīng)（2/8天線SU-MIMO性能對比（單位：bps/Hz）見表2）。

（2）從表2中的數(shù)據(jù)來看，8天線相對于2天線來說，平均頻譜效率的增益達到了19%，邊緣頻譜效率的增益達到了22%。8天線的性能增益主要是由于其本身的空間自由度更高，能夠形成更窄、指向性更強的波束，使有用信號提高，干擾也大幅度降低。同時2天線通過終端反饋碼本的方式存在碼本量化損失，而8天線通過信道互易性得到的信道進行矩陣分解，可以得到更加準確的預(yù)編碼向量。

（3）由于8天線相對于2天線來說具有更大的空間自由度，因此8天線能夠?qū)U-MIMO進行更好的支持。表3給出了8天線的SU-MIMO和MU-MIMO的性能對比，其中SU-MIMO采用了單雙流自適應(yīng)技術(shù)，MU-MIMI則采用了2用戶配對的單流技術(shù)。從表中的數(shù)據(jù)能夠看出，MU-MIMO相對于SU-MIMO的平均頻譜效率和邊緣頻譜效率均有15%左右的提升。8天線MU-MIMO模式下，用戶配對準則以及用戶之間的干擾消除的預(yù)編碼算法會在較大程度上影響傳輸性能（8天線下行SU-MIMO與MU-MIMO性能對比（單位：bps/Hz）見表3）。

3.22/8天線上行信道性能對比。

（1）從上行鏈路的性能來看，8天線相對于2天線具有更大的接收分集增益。同時，8天線的空間自由度優(yōu)勢方便基站通過更具有優(yōu)勢的接收算法來提升處理增益。表4給出了2/8天線系統(tǒng)上行仿真性能對比，仿真基于理想的信道估計（2/8天線系統(tǒng)上行性能對比（單位：bps/Hz）見表4）。

（2）接收端通過采用8天線和基于MMSE的干擾消除接收算法，8天線在平均頻譜效率以及邊緣頻譜效率具有50%以上的增益效果，尤其是邊緣頻譜效率的增益接近80%左右。

（3）因為8天線具有很好的干擾消除性能，因此8天線的基站上行引入MU-MIMO技術(shù)能夠進一步替身系統(tǒng)性能增益。

4. 建網(wǎng)成本

（1）TD-LTE基站的2天線和8天線站址的配套建設(shè)成本是一樣的，鐵塔的租金方面也沒有區(qū)別，建設(shè)的主要成本區(qū)別是天線及設(shè)備價格及施工費用的差異。

（2）主設(shè)備價格：8端口設(shè)備單價比2端口設(shè)備單價價格略高，但由于8端口設(shè)備集采量大，目前兩種設(shè)備價格相仿，我們認為兩者價格相同。

（3）天線價格：8天線單價是2天線單價的4倍，但由于天線價格占比較小，對總價格影響不太大。

（4）施工費用：8天線施工費用比2天線多20%左右。

（5）綜合目前各大無線和天線設(shè)備廠商的價格，8天線的建網(wǎng)總成本約為2天線成本的1.15倍。

（6）表5給出了城區(qū)環(huán)境下10Km2覆蓋范圍內(nèi)2天線和8天線無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本計算過程。由結(jié)果可以看出，在相同的邊緣速率要求下，由于8天線的覆蓋半徑較大，雖然單站建設(shè)成本8天線較高，但總體建網(wǎng)成本低于2天線，可節(jié)約成本47%（2天線和8天線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對比見表5）。

5. 施工難度對比

（1）2天線和8天線的主要參數(shù)如表6所示。

（2）通過對比可以得出，8天線的RRU及天線尺寸均較大，設(shè)備重量較重，對天面要求較高，與2天線相比增加了施工和維護的工作量。

6. 結(jié)語

TDD-LTE繼承了TDD的優(yōu)勢和特點，具有較高的靈活性和性能。通過分析可以看出，8天線在容量和覆蓋性能方面有一定優(yōu)勢，在同等站距情況下可以提升網(wǎng)絡(luò)容量；而在同等邊緣用戶速率要求下，采用8天線可以減少站址建設(shè)需求，從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資。雖然8天線施工難度大于2天線，但參考網(wǎng)絡(luò)建設(shè)經(jīng)驗，大部分站址具備8天線安裝條件，建議在城區(qū)、郊區(qū)以及農(nóng)村等需要連續(xù)覆蓋的區(qū)域采用8天線。2天線產(chǎn)品對于天面要求低，饋線少，易于安裝，因此主要在部分實施受限的場景使用，例如天面受限站點、物業(yè)和居民對大面板天線反感較大難以實施的炸點、街道站、高速公路站點、補盲站點等。

參考文獻

[1]畢奇.LTE多天線技術(shù)發(fā)展趨勢[J].電信科學，2014（10）：1～7.

[2]黃岳.蘭來喜.8通道TD-LTE系統(tǒng)優(yōu)勢分析[J].電信技術(shù)，2011（7）.

[3]戴源等.TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計.人民郵電出版社[A]. 2012.4.

[4]符新.TD-LTE網(wǎng)絡(luò)2/8天線性能對比研究[J].中國新電信，2015（01）：56～58.