TD-LTE網(wǎng)絡(luò )中的多天線(xiàn)技術(shù)

簡(jiǎn)介

有關(guān)多天線(xiàn)概念，在業(yè)內很早就有所研究。但是真正取得進(jìn)展，應用到通信系統中則是在近些年，伴隨著(zhù)相關(guān)元器件的高速發(fā)展，在3G系統中被廣泛開(kāi)始應用，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, 空分復用和天線(xiàn)分集這幾種技術(shù), 從其特點(diǎn), 性能容量, 和覆蓋等方面進(jìn)行分析比較。

各種多天線(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)單描述及優(yōu)點(diǎn)

多天線(xiàn)技術(shù)是一種統稱(chēng)，可根據不同的實(shí)現方式分為天線(xiàn)分集，波束賦型和空分復用。

天線(xiàn)分集是指利用多天線(xiàn)間較低的無(wú)線(xiàn)信道的相關(guān)性，提供額外的(發(fā)射或接收)分集來(lái)對抗無(wú)線(xiàn)信道的衰落，按天線(xiàn)類(lèi)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(xiàn)，以一定的方式形成一個(gè)特定波束，使目標方向上天線(xiàn)增益最大以及抑制/降低干擾。

空分復用(MIMO)是指在一定的高SINR環(huán)境中，利用無(wú)線(xiàn)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(xiàn)技術(shù)給網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)的效果大致分為：

更好的覆蓋效果

通過(guò)天線(xiàn)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(shí)也可視為同樣的距離的條件下對速率的改進(jìn)

更高的速率

用空分復用實(shí)現更高的小區吞吐率及峰值速率，它的效果在較高載干比的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中對數據速率的提高非常明顯。

在實(shí)際應用中空分復用往往與分集相結合使用，如在低SINR環(huán)境時(shí)，系統會(huì )從空分復用轉為天線(xiàn)分集。

多天線(xiàn)性能容量分析

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

對于上面兩種配置，各廠(chǎng)家已有許多仿真結果，基本結果大致類(lèi)似。以下是愛(ài)立信的仿真結果：

下行鏈路

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

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

上行鏈路

8天線(xiàn)上行接收要明顯優(yōu)于2天線(xiàn)的場(chǎng)景，從小區邊界速率到小區容量都要好于2天線(xiàn)MIMO

從目前現場(chǎng)路測的單流波束賦型和雙流MIMO測試數據看,結果也和上述仿真結果基本一致,在小區邊界下行速率單流波束賦型要好;小區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主要針對數據業(yè)務(wù)，通常在計算LTE覆蓋時(shí)，往往以一定的邊界速率為覆蓋目標。依此為設計依據時(shí)，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 )設定上行邊界覆蓋目標為200kbps時(shí)。

然而，實(shí)際網(wǎng)絡(luò )中，從終端最終是否出服務(wù)區來(lái)判定，決定小區的覆蓋半徑并非上行業(yè)務(wù)信道的速率。在多數情況下，在判決是否能駐留在LTE網(wǎng)絡(luò )，或判決是否應該做異系統切換時(shí)，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的RSRP(干擾受限時(shí)需參考RSRQ)通常成為受限因素。此時(shí)，上行業(yè)務(wù)信道的速率可維持在40kbps左右。

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

當考慮覆蓋范圍最終以終端出LTE服務(wù)區為判決依據時(shí)，8天線(xiàn)的覆蓋范圍不強于2天線(xiàn)，原因是8天線(xiàn)在公共信道賦型時(shí)沒(méi)有業(yè)務(wù)信道的賦型增益，而且根據某天線(xiàn)廠(chǎng)家提供的廣播信道的賦形權值，可以看到廣播信道的發(fā)射功率沒(méi)有達到全部的可用功率。這樣, 8天線(xiàn)下行公共信道的覆蓋性能和2天線(xiàn)覆蓋性能基本相當。

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

上述測試中使用的基站天線(xiàn)為常見(jiàn)的型號。目前市場(chǎng)上在同樣物理尺寸的條件下,8天線(xiàn)的增益要小于2天線(xiàn)2-3dB左右。因而，在部署網(wǎng)絡(luò )中，如果天線(xiàn)高度要求一定，8天線(xiàn)和2天線(xiàn)下行公共信道的覆蓋效果基本是相當的。

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

應用場(chǎng)景

綜合來(lái)看，室外部署8天線(xiàn)和2天線(xiàn)各有優(yōu)勢. 利用各自的特點(diǎn), 他們的部署場(chǎng)景可以互相補充。在城區和密集城區，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(xiàn)的覆蓋特點(diǎn)對比及共址時(shí)安裝條件要求較高，在這類(lèi)場(chǎng)景下，建議選擇兩天線(xiàn).　8天線(xiàn)的優(yōu)勢是可以通過(guò)波束賦型在業(yè)務(wù)功率受限場(chǎng)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(xiàn)。

國際商用情況及未來(lái)的演進(jìn)

目前來(lái)看，已經(jīng)部署LTE的運營(yíng)商選擇2天線(xiàn)MIMO 技術(shù)的占主要部分，原因是其側重點(diǎn)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(xiàn)安裝，抗風(fēng)能力等方面2天線(xiàn)也較有明顯優(yōu)勢。8天線(xiàn)波束賦型雖然在邊緣速率等方面有明顯改善，但8天線(xiàn)的安裝實(shí)施要求較高，效果還受制于天線(xiàn)的校準，天線(xiàn)系統隨時(shí)間的惡化程度等影響，所以目前商用LTE網(wǎng)絡(luò )中應用不多。

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