多天線技術在LTE 網絡中的應用策略

文/邱東來

隨著國家“提速降費”的持續大力推進，各運營商相關流量優惠套餐陸續推出，4G 流量飛速增長。當前部分網絡平均DOU 已經達到10GB，熱點區域擁塞嚴重，業內預測4G流量年均增長將超50%。面對4G 網絡的流量爆發，受限于頻點及站址資源，傳統的增加頻點、減小站間距的方案已經不能滿足容量增長的需求。

1 多天線技術

多天線技術最早由馬可尼在1908年提出，提出之初是用來抗衰落。馬可尼在發射端利用多個天線發送信號，在接收端同樣用多個天線接收信息。因為傳輸過程中具有多個路徑，相同的信息通過不同路徑從發送端傳送到接收端，在接收端可以獲得相對獨立的信號復制品，經過接收機合并后，可以最大程度復原信息。利用多天線技術可以獲得更高的接收可靠性，從而提高信道抗摔落的能力。多天線系統示意圖如圖1所示。

在20世紀90年代，無線通信領域對多天線技術進行了深入的研究，在傳統抗摔落特性之余，發展出了智能天線技術。目前多天線技術已經發展成為了無線通信領域的一項關鍵技術。

因為我國LTE 主要部署在1.8GHz、2.1GHz、2.6GHz等頻段上，因為收發數量越大，天線體積越大，考慮到承重、物業許可等因素，常用的多天線數量有雙發雙收、雙發四收、四發四收、四發八收、八發八收等。多天線技術可以實現陣列增益、分集增益、空間復用增益和干擾抑制增益等四種增益。

1.1 陣列增益

由于不同天線上的白噪聲是不相關的，對于多天線系統，各天線通道噪聲合并后，總噪聲功率保持不變；而不同天線上的信號是相關的，將各通道信號相干合并后，信號的能量將成倍提高，進而提升信噪比，實現陣列增益。

圖1：多天線系統示意圖

圖2：LTE 站點扇區多天線擴容示意圖

1.2 空間分集增益

對于多天線系統，如果在多根天線上發射相同的數據，當多個發射分集信號在空間上有一定的獨立性時，各分集信號發生快衰落的時刻將不同，在接收端對比不同時刻接收到的各路信號，在每一個時刻選取各路中最優的一路信號最終輸出，這樣可以在一定程度上降低或者去除快衰落的影響，從而獲得空間分集增益。

1.3 干擾抑制增益

在多天線系統中，當空間干擾存在一定的有色性時，通過各路天線可以對干擾的有色性進行估計，從而利用估計獲得的信息對干擾進行抑制，獲得增益。干擾抑制可以在發射端進行，也可以在接收端進行。當在發射端進行干擾抑制時，可減少自身對鄰區的干擾；當在接收端進行干擾抑制時，可減少自身接收到的干擾。

1.4 空間復用增益

空間復用增益指采用多天線系統時，當多路信道的衰落相對獨立時，可以通過預編碼技術，將相互干擾的空間信道等效為相互相對獨立的多個子信道，各個子信道之間無干擾或干擾較小。可以通過同時傳輸多個獨立的數據流提升傳輸速率，每個子信道對應一個單位容量。在理想情況下，多天線信道的極限容量能夠隨著發射接收天線數線性增加。空間復用增益可以改善系統容量，當各路子信道用以同時傳輸單個用戶數據時，可以提升單用戶峰值速率。

2 多天線技術的測試分析

本文選取了一個熱點區域的LTE 站點進行多天線技術測試分析。該站點每扇區的天線為兩發兩收，配置了雙頻點。由于數據流量需求較大，需要對其進行擴容。擴容方案為將每個扇區分裂為兩個雙發雙收小區，相當于原小區擴容為四發四收，同時在空間上進行了分裂。如圖2所示。

對擴容后的效果分別選取了該站點的最忙時和全網忙時，從網管中讀取了該站點的下行PRB 利用率、下行用戶感知速率進行了測試，測試結果見表1。

相比改造前，無論是該站點的最忙時還是全網忙時，改造后站點的下行物理資源利用率、下行用戶感知速率都有了比較大的提升。相對于原來一個雙發雙收的扇區，采用四發四收的方法能夠進行有效的擴容。

表1：多天線技術應用測試分析統計表

表2：多天線技術聚焦場景劃分表

表3：多天線技術應用策略

3 多天線技術在LTE網絡中的應用策略

當網絡頻點資源、站址資源受限時，多天線技術是擴容的有效手段，對于不同的場景應該使用不同的多天線技術。當前LTE 網絡基本建設完成，全網已經有了比較完善的覆蓋，在考慮多天線技術應用時，應該對覆蓋場景進行全面的劃分。

傳統的場景劃分是密集市區、普通市區、縣城城區、郊區鄉鎮、農村開闊地。針對這些場景制定策略，在網絡建設初期可以使資源能夠有效清晰地分階段實施，有助于網絡迅速成型并開拓市場。在網絡成熟之后，傳統的場景劃分已經顯得粗糙。特別是對于擴容的考慮，應該聚焦在一些重要的熱點區域。本文在多天線技術應用上，聚焦表2所示七種場景。

對于以上場景，綜合考慮多天線技術特點，有以下應用策略，見表3。

4 結束語

本文對多天線技術進行了研究，針對LTE網絡擴容進行了場景的劃分，并對每種場景提出了針對性的多天線應用策略。多天線技術在LTE 網絡中的應用能夠提供一種不依賴于頻點資源和站址資源的擴容手段，通過發射分集的增加以及空間分裂，能夠有效地增加網絡容量，滿足數據增長的需求。智能天線技術在LTE 擴容中的應用可以作為本文下一步的研究方向。