TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中的多天線技術(shù)

簡介

有關(guān)多天線概念，在業(yè)內(nèi)很早就有所研究。但是真正取得進展，應(yīng)用到通信系統(tǒng)中則是在近些年，伴隨著相關(guān)元器件的高速發(fā)展，在3G系統(tǒng)中被廣泛開始應(yīng)用，像MIMO，波束賦型等。本文主要是對近期TD-LTE試驗網(wǎng)中所用到的波束賦型, 空分復(fù)用和天線分集這幾種技術(shù), 從其特點, 性能容量, 和覆蓋等方面進行分析比較。

各種多天線技術(shù)簡單描述及優(yōu)點

多天線技術(shù)是一種統(tǒng)稱，可根據(jù)不同的實現(xiàn)方式分為天線分集，波束賦型和空分復(fù)用。

天線分集是指利用多天線間較低的無線信道的相關(guān)性，提供額外的(發(fā)射或接收)分集來對抗無線信道的衰落，按天線類型可有空間分集，或極化分集。

波束賦型(Beamforming)是指利用發(fā)射端或接受段的多根天線，以一定的方式形成一個特定波束，使目標(biāo)方向上天線增益最大以及抑制/降低干擾。

空分復(fù)用(MIMO)是指在一定的高SINR環(huán)境中，利用無線信道特性，在空口創(chuàng)建多條并行信道，從而使空口的傳輸速率大大提高。

以上多天線技術(shù)給網(wǎng)絡(luò)帶來的效果大致分為：

更好的覆蓋效果

通過天線分集或波束賦型可以提高接收端的SINR從而增強鏈路儲備，同時也可視為同樣的距離的條件下對速率的改進

更高的速率

用空分復(fù)用實現(xiàn)更高的小區(qū)吞吐率及峰值速率，它的效果在較高載干比的無線環(huán)境中對數(shù)據(jù)速率的提高非常明顯。

在實際應(yīng)用中空分復(fù)用往往與分集相結(jié)合使用，如在低SINR環(huán)境時，系統(tǒng)會從空分復(fù)用轉(zhuǎn)為天線分集。

多天線性能容量分析

針對以上各種多天線技術(shù)的特點，目前TD-LTE組網(wǎng)時主要考慮兩種配置，8天線波束賦型(單流,雙流波束賦型)，和2天線 MIMO。

對于上面兩種配置，各廠家已有許多仿真結(jié)果，基本結(jié)果大致類似。以下是愛立信的仿真結(jié)果：

下行鏈路

8X2單流波束賦型在小區(qū)邊緣的覆蓋效果好于2X2 MIMO，但小區(qū)平均吞吐速率要低于2X2 MIMO場景。

對于8X2雙流波束賦型而言，同樣，邊界速率要好于2X2 天線MIMO;對于小區(qū)平均速率，在低負荷條件下(即LTE網(wǎng)絡(luò)初期部署時期)，2X2 MIMO場景的小區(qū)平均吞吐速率與8X2雙流波束賦型的效果接近。在高負荷條件下，對比2X2 MIMO場景，8X2雙流波束賦型的小區(qū)平均吞吐速率會有一定幅度改善。

上行鏈路

8天線上行接收要明顯優(yōu)于2天線的場景，從小區(qū)邊界速率到小區(qū)容量都要好于2天線MIMO

從目前現(xiàn)場路測的單流波束賦型和雙流MIMO測試數(shù)據(jù)看,結(jié)果也和上述仿真結(jié)果基本一致,在小區(qū)邊界下行速率單流波束賦型要好;小區(qū)路測得出的下行平均速率雙流MIMO要好。

覆蓋能力分析

由于LTE主要針對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，通常在計算LTE覆蓋時，往往以一定的邊界速率為覆蓋目標(biāo)。依此為設(shè)計依據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)中通常是上行業(yè)務(wù)信道為受限信道。如: TD –LTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)定上行邊界覆蓋目標(biāo)為200kbps時。

然而，實際網(wǎng)絡(luò)中，從終端最終是否出服務(wù)區(qū)來判定，決定小區(qū)的覆蓋半徑并非上行業(yè)務(wù)信道的速率。在多數(shù)情況下，在判決是否能駐留在LTE網(wǎng)絡(luò)，或判決是否應(yīng)該做異系統(tǒng)切換時，以UE接收到的RSRP(或RSRQ)為判決條件。PDCCH公共信道以及與之對應(yīng)的RSRP(干擾受限時需參考RSRQ)通常成為受限因素。此時，上行業(yè)務(wù)信道的速率可維持在40kbps左右。

根據(jù)以上兩種思路，8天線和2天線覆蓋能力分析的結(jié)果是不同的。當(dāng)考慮上行速率要求，以上行業(yè)務(wù)信道為受限因素時，8天線在上行的鏈路儲備要優(yōu)于2天線，這種前提下，8天線基站的覆蓋要好于2天線。

當(dāng)考慮覆蓋范圍最終以終端出LTE服務(wù)區(qū)為判決依據(jù)時，8天線的覆蓋范圍不強于2天線，原因是8天線在公共信道賦型時沒有業(yè)務(wù)信道的賦型增益，而且根據(jù)某天線廠家提供的廣播信道的賦形權(quán)值，可以看到廣播信道的發(fā)射功率沒有達到全部的可用功率。這樣, 8天線下行公共信道的覆蓋性能和2天線覆蓋性能基本相當(dāng)。

下圖是用SCANNER從相同環(huán)境中測得的結(jié)果,其中2天線的天線增益為17dBi, 8天線的天線增益為15dBi. 從中可看出: 2天線系統(tǒng)中的RSRP覆蓋效果與8天線的覆蓋相比主瓣方向略強, 但基本相當(dāng). 如下圖:

上述測試中使用的基站天線為常見的型號。目前市場上在同樣物理尺寸的條件下,8天線的增益要小于2天線2-3dB左右。因而，在部署網(wǎng)絡(luò)中，如果天線高度要求一定，8天線和2天線下行公共信道的覆蓋效果基本是相當(dāng)?shù)摹?/p>

所以，在網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)實際系統(tǒng)中的判決機制，覆蓋取決于公共信道的有效輻射功率，8天線的覆蓋距離與2天線基本相當(dāng)。而如果，以一定的速率為準(zhǔn)考察覆蓋能力，則8天線要好于2天線。

應(yīng)用場景

綜合來看，室外部署8天線和2天線各有優(yōu)勢. 利用各自的特點, 他們的部署場景可以互相補充。在城區(qū)和密集城區(qū)，站間距較小(大約200到500米左右)，下行公共信道通常是受限因素，考慮到上述2/8天線的覆蓋特點對比及共址時安裝條件要求較高，在這類場景下，建議選擇兩天線.　8天線的優(yōu)勢是可以通過波束賦型在業(yè)務(wù)功率受限場景，提高網(wǎng)絡(luò)邊界下行的性能，以及總的上行性能，所以在安裝條件允許的情況下，也可選擇8天線。

國際商用情況及未來的演進

目前來看，已經(jīng)部署LTE的運營商選擇2天線MIMO 技術(shù)的占主要部分，原因是其側(cè)重點主要在技術(shù)的成熟程度和提高下行峰值速率上。而且，在天線安裝，抗風(fēng)能力等方面2天線也較有明顯優(yōu)勢。8天線波束賦型雖然在邊緣速率等方面有明顯改善，但8天線的安裝實施要求較高，效果還受制于天線的校準(zhǔn)，天線系統(tǒng)隨時間的惡化程度等影響，所以目前商用LTE網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用不多。

另外，整體基站的費用也是其考慮的一個重點因素。8天線的多通道RRU與天線，以及安裝要求等都會增加基站的初期投入;在運維方面，同樣8天線基站的運維費用也高于2天線。

在未來演進方面，2天線會向4天線接收及4流MIMO方向演進。目前已有運營商開始考慮先從4X2MIMO部署開始。而目前的8天線單流波束賦型會升級為8天線雙流波束賦型。