TD-LTE網絡中小型化天線的應用研究

董江波，孫浩，劉瑋，陳燕雷，韓云波，李楠

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

TD-LTE網絡中小型化天線的應用研究

董江波，孫浩，劉瑋，陳燕雷，韓云波，李楠

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

本文應用無線網絡規劃仿真的方法，對小型化天線在TD-LTE網絡中應用的性能進行了評估。根據目前小型化天線指標惡化程度的現狀，在理想蜂窩結構以及實際現網工程中，通過仿真對比，給出了小型化天線在實際TD-LTE網絡中的應用建議。

小型化天線；前后比；交叉極化比；業務波束增益圖

近年來隨著普通民眾環保意識的增強，站點建設難度與日俱增。因此小型化天線由于其體積小易安裝等優點受到了業界特別是工程建設人員的高度關注；并在面對業主阻擾進行大尺寸天線建設難度較大時，更加傾向于應用體積小易隱蔽的小型化天線。目前業界已有包括雷克等廠商研發了小型化天線，其體積尺寸僅約為普通雙極化8通道天線的一半左右。但是從天線理論可知，天線長度與天線增益成近似正比關系，天線寬度與成型效果成近似正比關系，背板大小與前后比等指標成近似正比關系，因此天線尺寸變小之后，不可避免地會使天線射頻指標惡化。

面對小型化天線指標的惡化量，在實際現網應用這些天線時會對網絡性能帶來什么影響，網絡性能的惡化量是否在可接受的范圍內？在實際應用時，什么場景下應用這些小型化天線，其對網絡性能的影響相對較小？可以應用的比例與范圍是多大？以上問題都是在實際工程建設中需要給予回答的問題。因此為了更好地支撐省公司的TD-LTE建設方案落地，本課題通過系統仿真的手段，對小型化天線的應用范圍、應用后對網絡性能的影響進行了評估。最后結合理想蜂窩結構仿真結果以及實際現網工程仿真結果，對小型化天線的應用范圍進行了建議。

1 小型化天線指標性能的變化

小型化天線與常規天線相比，尺寸體積明顯減小，長度僅為常規天線的1/3，厚度約為常規天線的1/2，寬度比常規天線略厚。由于天線性能與機械尺寸密切相關，因此相應地其性能指標也出現不同程度的惡化，表1是在微波暗室選取的不同款小型化天線與常規天線的主要電氣指標的對比結果。

由表1可以看出小型化天線與常規天線相比，增益惡化了2～3 dB，前后比惡化了6～11 dB，交叉極化比惡化了9～10 dB，而垂直面半功率波束寬度增大了11°。

下面我們將從理論分析和仿真研究兩個角度對小型化天線應用下的性能進行研究。

表1 常規天線與小型化天線電氣性能指標對比

2 小型化天線應用下的性能研究

2.1 理論分析

天線電氣指標對于TD-LTE網絡性能至關重要，增益值將影響網絡覆蓋能力，即RSRP的達標程度；前后比將影響小區的后向干擾抑制能力；交叉極化比將影響兩個極化方向上信號的相干程度，從而影響到TDLTE網絡中雙流傳送的比例；業務波束增益圖波瓣寬度及零點抑制功能，將影響到TM7模式下小區間干擾抑制能力。因此，從覆蓋角度考慮，增益值、前后比以及廣播波束增益圖的畸變將影響網絡的RSRP以及RSSINR性能；從容量角度考慮，除了前述幾個指標，業務波束增益圖的畸變以及交叉極化比的惡化都會影響TD-LTE網絡的吞吐量性能。

2.2 覆蓋性能研究

為了更加客觀地反映小型化天線應用后TD-LTE網絡的覆蓋性能變化，為此下面將主要采用站間距為500 m，站高為30 m的理想蜂窩結構進行仿真分析。在覆蓋性能評估中，主要評估在應用小型化天線后，TDLTE網絡RSRP以及RS-SINR的性能。首先應用常規天線摸索在這種網絡結構條件下，常規天線的最佳下傾角選擇。其次，對比全部應用小型化天線時最優下傾角的變化。最后，對比在網絡中選擇不同比例站點替換為小型化天線時網絡性能的變化。

2.2.1 常規天線最優下傾角分析

小型化天線相比常規天線的垂直平面半波寬度和增益都所有變化。為了對比小型化天線應用后網絡性能的變化，我們首先來分析在理想蜂窩結構下應用常規天線時，如果取得最優的網絡性能，下傾角的設置情況。為此在本文研究中，仿真對比了常規天線在下傾0°，6°、10°與13°條件下RSRP與RS-SINR的性能，如圖1所示。從CDF曲線分布可以看出，下傾10°時具有最優的RSRP性能，同時也具有最優的RS-SINR性能，因此后續應用小型化天線仿真對比時，將以常規天線下傾10°的性能最優比較對象。同時，通過此仿真也可以看出在常規天線垂直面波瓣較窄的條件下，當下傾角過小時會有明顯的塔下黑現象，網絡的RSRP性能較差。相反，當進一步增加下傾角到13°時，由于覆蓋范圍壓縮過小，RSRP性能出現惡化。

圖1 大天線RSRP與RS-SINR CDF分布圖

圖2 小型化天線RSRP與RS-SINR CDF分布圖

2.2.2 小型化天線性能

以下仿真結果對比小型化天線在下傾角為0°、5°、11°以及13°條件下與常規天線10°相比的覆蓋性能，如圖2。與圖1進行對比，可以看到由于小型化天線的垂直半波寬度較大，在小傾角條件下塔下黑現象不明顯。同時，綜合考慮RSRP與RS-SINR，對于小型化天線為了獲得更好的SINR性能，需要進一步加大下傾角來控制小區覆蓋范圍，從而有效控制干擾。但與常規天線的覆蓋性能相比，小型化天線的RSRP性能與常規天線相比差異不明顯，但是在RS-SINR方面，其性能遠遠差于常規天線的應用。

2.2.3 小型化天線的應用研究

從上面的分析我們可以看出整網全部小型化天線應用后網絡的覆蓋性能，尤其是RS-SINR會進一步惡化，并且在應用時需要更大的下傾角。那么在實際現網中考慮到存在個別站點建站困難的情形，那么在應用范圍上應該如何進行控制呢？為此，我們應用不同比例小型化天線應用下網絡性能對比的方法來進行分析。從下面的仿真結果如圖3可以看出，以滿足全網95%概率SINR大于-3 dB為要求，那么小型化天線的應用比例應該控制在10%以下，才能保證網絡的覆蓋性能滿足規劃指標要求。

圖3 不同小型化天線應用比例下RS-SINR CDF分布圖

綜上，從覆蓋性能的角度考慮小型化天線在整網的應用比例不能太高，同時應用時需要更大的下傾角。

2.3 容量性能研究

前面已經分析了小型化天線各個指標惡化產生的影響。由于公共信道主要采用分集方式傳送，對于覆蓋性能的影響主要來自于天線增益大小、旁瓣抑制、前后比以及垂直面半波寬度等。但是對于交叉極化比以及業務波束畸變等指標的惡化，帶來的更多是網絡容量性能的影響。從理論上分析，交叉極化比指標惡化將使得兩個天線信號相關性增強，那么當UE工作在分集模式時，將降低分集增益，從而降低傳輸有效性；當UE工作在復用模式時，由于天線相關性增加，從而增加了信道相關性，最終將降低雙流形成的比例，這兩種情形都將帶來網絡吞吐量的降低。另外，由于業務波束增益圖的畸變，使得UE工作在波束賦型模式時，鄰小區干擾抑制能力將降低，從而也降低了UE工作在TM7模式下的吞吐量。為此，本文采用了實際現網蜂窩結構仿真小型化天線應用下網絡的容量性能。現網對一般城區場景137站范圍進行仿真，平均站間距為440 m，平均站高為26.5 m，區域如圖4所示。

圖4 一般城區

仿真結果如表2所示，在網絡中全部使用小型化天線與全部使用常規天線相比，并且網絡負載為50%時，下行小區吞吐量下降59.3%，下行邊緣吞吐量下降62.1%。

表2 小型化天線與常規天線容量性能對比

3 總結

本文采用系統仿真的手段對小型化天線的應用進行了研究。通過對覆蓋性能和容量性能的對比分析，我們可以看到由于小型化天線射頻指標的惡化帶來了LTE網絡性能的損失。同時，通過理想蜂窩結構下網絡性能的仿真對比，可以看出在小型化天線應用時需要控制應用比例與下傾角的調整。因此，在小型化天線指標沒有改進之前在現網中應該慎用，盡量應用在覆蓋范圍比較小并且下傾角較大的小區，從而有效控制由于小型化天線帶來的對整網性能的影響。

[1] 3GPP TS 36.211 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);PhysicalChannels and Modulation(Release 8)[S]，2013年3月.

[2] 沈嘉，索士強，全海洋等. 3GPP長期演進技術（LTE）技術原理與系統設計[M]. 北京：人民郵電出版社，2008,11.

Study on network performance with small antenna in TD-LTE system

DONG Jiang-bo, SUN Hao, LIU Wei, CHEN Yan-lei, HAN Yun-bo, LI Nan
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

The network performance with small antenna is investigated with TD-LTE network simulation platform. From the simulation results in ideal network and real network, the application suggestion is provided in this paper.

small antenna; front to back ratio; cross polarization ratio; traffc beam gain pattern

TN929.5

A

1008-5599（2014）01-0006-04

2014-01-03