TD-LTE 網絡2/8 天線的性能差異

文/李偉輝

關于多天線技術，在移動通信系統演變進程中一直都有所研究。最近幾年內，多天線技術真正的應用到移動通信網絡中。隨著射頻天線的發展，以及材料工業技術的逐步精進，射頻天線的元器件尺寸越做越小，一些元期間在納米級成倍數減少，精度也大幅度提升，所以多天線技術得以有了元器件基礎，在TD-SCDMA 網絡中逐漸開始商用，慢慢產生了像多發多收以及波束賦型等技術等，逐漸的推動了多天線技術發展的腳步。本文以4G 網絡為基礎，重點分析了在4G 網絡中用到的幾種多天線技術的特性，分析了SDM、Beamforming、以及天線分集技術的優缺點、同場景下的覆蓋能力和裝載信號的能力。

1 LTE多天線技術介紹

多天線技術是概括性的說法，根據多天線技術應用的場景、發揮的作用以及實現的方法，多天線技術可以分為SDM、Beamforming和天線分集技術。其中SDM 為空分復用技術，Beamformiing 為波束賦型技術。

天線分集的目標是對抗無線信道間的衰落。這種方法對抗無線信道的衰落是通過了解大量天線之間無線信道彼此的關聯性，在發端或者收端犧牲額外的增益分集來對抗其他信道的干擾和衰落。按照分集的方式可以把天線分集分為兩種。分別是空間、極化形式分集。

Beamforming 技術是的目標是提高天線的增益。Beamforming 技術的基本思想是把位于通信系統中發端或者收端的天線集合到一起，多個小天線組成一個大天線，把每個天線的增益集合到一起，從而達到提升增益的目的。同樣的原理，Beamforming 技術也是把多個小天線集中到一起，達到對抗衰減和干擾的目的。

空分復用是一種實現多發多收的技術，在信號與干擾噪聲比比較高的傳輸環境中，信號無線傳輸的過程中，搭建起多條空中信道，最終實現同時并行發送或者同時并行接收，從而大大提升超寬帶信號的傳輸效率。

圖1：智能天線技術在TD-LTE 系統的應用

多天線技術中最突出最優代表性的技術就是波束賦型，利用多個天線集合到一起，形成一個天線束，集中向一個方向發射或者集中接收一個方向的信號，可以大大的提升增益降低衰落和干擾，從而大大提升接收端收到信號的信號干擾噪聲比。為了在工程中實現波束賦型這一思路，信道估計就顯得尤為重要。通過信道估計，估計出空中信道對信號的造成的衰減或者影響，采用CSI 補償。在通信系統達到多天線技術中，能夠做到波束賦型和信道的同步估計，是因為TD-LTE 網絡采用的是TDD系統，該系統的上行鏈路和下行鏈路采用了一樣頻點。在此基礎上，通過判斷基站往終端發射的信道以及信號的特性，預測終端往基站發射的信道以及信號的特性，從而達到良好的信道估計，達成波束賦型的目的。如果TD-LTE網絡采用的不是TDD 系統，而是FDD 系統，那么就不會有TDD 中那樣相同的頻點，因此在Beamforming 過程中，就要考慮引入其他的技術完成基站的信道估計。但是UE 在速度比較快的移動過程中是特別不穩定的，從而會使得估計的難度大大增加，同時工程實現時會帶來大量的成本預算，實現復雜度極高，在實現過程中可靠性也不完備，并不能正常的工作。因此一般采用的是基于TD-LTE 網絡TDD 系統進行多天線技術。如圖1所示。

在這里總結下上文所描述的三種多天線技術帶來的優勢：

利用天線分集技術和Beamforming 技術，大大提升了天線收到信號的信號干擾噪聲比值，大大提高了信號傳輸的質量，同時大大提升了信號傳輸的速率。

采用多發多收模式的空分復用技術，在信號與干擾噪聲比比較高的傳輸環境中可以大大提升超寬帶信號的傳輸效率。

在多天線技術工程實現過程中，往往是同時采用三種技術，或者三種技術交叉結合著使用，又或者三種技術交替更換使用，以應付各種通信環境和信道場景。比如在信號干擾噪聲比較低的時候，多發多收的空分復用能達到的效果比較微弱，就轉換成天線分集的多天線技術。

通過以上三種多天線技術優勢以及使用情況的說明，在4G 網絡設計組網的過程中，主要會涉及到兩個關鍵性的天線，分別是八天線的Beamforming 技術和兩個天線的多發多收操作。

2 8通道天線和2通道天線對比分析

2.1 容量對比分析

針對上文提出的八天線的Beamforming技術和兩個天線的多發多收操作，業界已經有了較為深入的研究，做了較多的仿真驗證，圖2為愛立信公式的仿真。

仿真結果對比分析如下：

2.1.1 下行鏈路

八天線的Beamforming 技術和兩個天線的多發多收操作。

在第四代移動通信系統的小區邊緣，八天線Beamformign 技術的覆蓋效果要好于兩發兩收的空分復用技術，與之相反，小區平均吞吐速率的狀況則是兩發兩收的空分復用技術效果比較好。

從第四代移動通信系統小區邊界速率上考慮，八天線Beamformign 技術的效果要好于兩發兩收的空分復用技術；從第四代移動通信系統小區的平均速率上考慮，在4G 網絡剛剛商用，基站鋪建比較少的情況下，八天線Beamformign 技術與兩發兩收的空分復用技術達到的效果相當；在4G 已經大規模商用基站已經完備的情況下，八天線Beamformign 技術效果更優。

圖2：8 天線和2 天線仿真容量對比

圖3：8 天線和2 天線覆蓋效果對比

2.1.2 上行鏈路

基于上行鏈路的考慮，在第四代移動通信系統小區邊界速度和小區的容量上，都是八天線Beamformign 技術產生的效果更優

2.2 覆蓋能力對比分析

4G 網絡在商用的過程中，涉及最多的就是數據方面的業務，所以在估算4G 網絡覆蓋量的時候，都要采用特定的小區邊緣速率作為覆蓋目標。按照特定的小區邊緣速率作為覆蓋目標的標準來看，在4G 網絡商用過程中，上行業務鏈路是受到限制的信道。

但是在真正的4G 網絡中，通過移動設備是不是還在服務區來決定，4G 小區的上行業務信道是否受限。在判定移動設備終端能不能還待著該4G 網絡中，或者決定該終端要不要切換到3G 網絡或者切換到鄰區時，通常以RSRP也就是接收端功率作為一個決定的條件。

由上面的分析可以看出，八根天線和兩根天線它們的覆蓋能力是不一樣的。在以特定的小區邊速率作為覆蓋目標，也就是上行業務信道的速率受到限制的時候，八根天線的業務覆蓋能力會比兩根天線的好些。

如果只以最后終端是否還在4G 網絡的服務區來決定的話，八根天線的業務覆蓋能力并不會比兩根天線的好，因為此時并沒有把八根天線都集合到一起做波束賦型，沒有起到增益疊加的效果，所以天線數目并不影響覆蓋范圍和覆蓋能力。

由圖3可以看出，八根天線的增益是15dBi，兩根天線為15dBi。

圖3中仿真的兩種天線都是4G 網絡中最普遍的兩種基站天線。通過調研分析可以發現，如果天線尺寸一樣，八天線的增益要比2 天線小兩到三個dB。所以，在4G 網絡建設過程中，如果對基站的天線高度有特定的需求，那么兩種模式的天線的覆蓋能力是幾乎一樣的。

2.3 其他方面對比分析

通過上文分析可以看出，4G 網絡中，8天線和2 天線都有各自的優缺點，兩種天線方式可以相互結合，在建設4G 網絡的過程中保證兩種方式優缺點互補，從而達到更好的覆蓋能力。

在人口比較多、業務量比較大的地方，為了保證通信的質量，4G 網絡基站之間的距離很短，這時就變成了下行業務信道受限，這種情況下通常采用2 天線。

此外，8 天線也具有提升網絡邊界下行速率的能力，通過Beamformign 技術應對業務功率受限制的情況，在一些比較重要的人口密集場合，可以考慮同時安裝2 天線和8 天線，從而提升上下行的效率。

三種多天線技術中，4G 網絡在建設過程中，使用最多的兩天線的多發多收技術，因為2 天線的多發多收技術基本上已經成熟，在4G 網絡之前就已經做了大量的研究，同時2天線的多發多收技術也可以相對較好的提升上下行業務信道的速率。同時，2 天線的多發多收技術相對于8 天線的Beamformign 技術，在基站的安裝過程更簡單，使用中抗性比較好，不容易壞，受環境因素影響較小，因此2 天線的多發多收技術在4G 系統中用的最多。此外，如果不考慮性能和環境影響，成本也決定了2天線的多發多收技術能得到普及，因為兩天線的多發多收技術安裝成本和運行維護成本大大低于8 天線的Beamformign 技術，因此才有了2 天線MIMO 技術普及了的現狀。

3 結束語

隨著4G 網絡的逐漸發展，多天線技術已經成為4G 網絡部署中必不可少的技術。本文首先介紹了多天線技術的基本概念，描述了多天線技術發展的必然性，隨后詳細的闡述了多天線技術的三種分類，分析了三種多天線技術的優缺點以及三種多天線技術在4G 網絡中的應用。接著重點對比了8 天線Beamformign 技術和2 天線的MIMO 技術，分析了兩種方式的優缺點以及在各種場景下兩種方式的使用情況，分析了兩種方式的性能，對以后4G 網絡部署提出了自己的展望。