TD—LTE網絡2天線和8天線性能對比研究

胡兵

【摘要】 多天線技術（MIMO）是TD-LTE系統的核心技術之一，能夠在不增加頻譜帶寬和天線發(fā)射功率的情況下，大幅提高信道容量、頻譜利用率和數據的傳輸質量。文章對比分析了TD-LTE網絡中2/8天線性能、建網成本和施工難度的差異，給出了各場景應用建議。

【關鍵字】 TD-LTE MIMO 2天線 8天線

一、概述

多天線技術（MIMO）是移動通信技術發(fā)展的重要趨勢，是實現移動通信系統高容量、高頻譜效率的重要手段。TD-LTE系統也引入了多天線技術，結合OFDM以及波束賦形技術，可以顯著提升空間分集的效果、改善小區(qū)邊界區(qū)域的信道條件、很好地實現空、時、頻多維信號的聯合處理和調度，大幅提升系統的靈活性和傳輸效率。

2013年12月4日，工信部向三大運營商頒發(fā)TD-LTE商用牌照，正式開啟了中國的4G時代，TD-LTE的建設進程也大大加快。但是隨著可用站址資源的不斷減少，天面已成為TD-LTE網絡的建設瓶頸所在。基站天線數的選擇是TD-LTE的實際部署和后續(xù)發(fā)展需要考慮的一個重要問題。本文將對比分析2/8天線的性能、建網成本和施工難度的差異，最后給出各場景的應用建議

二、TD-LTE系統天線模式

3GPP的規(guī)范中定義了多種MIMO傳輸模式，以適應不同的信道條件、不同的天線配置等場景的應用。原則上，3GPP對天線數目與所采用的傳輸模式沒有特別的搭配要求，但在實際應用中2天線系統常用模式為TM2、TM3，8天線系統常用模式為TM7、TM8。

TM2采用SFBC方式，屬于2天線的發(fā)射分集方案，在用戶無法進行可靠的信道質量反饋時使用，可以提高用戶傳輸的可靠性。該模式也作為TM3～TM8在信道條件差的情況下的回退方案。TM3主傳輸方式為雙流復用，能在信道調教較好的地方提高用戶頻譜效率一倍，在小區(qū)邊緣回退為TM2。TM7主傳輸方式為單流波束賦形，可以提升邊緣用戶吞吐量，信號條件好的時候可以自適應為TM3，部分條件下可回退為TM2。3GPP Release 9版本中新定義了傳輸模式TM8，TM8模式即雙流波束賦形技術應用于信號散射體比較充分的條件下，結合了智能天線賦形技術和MIMO的空間復用技術，利用了TDD信道的對稱性，同時傳輸多個數據流實現空分復用，能夠保持在傳統單流下實現廣覆蓋，提高小區(qū)容量和減少干擾。小區(qū)邊緣可自適應為TM7，部分條件下可回退為TM2或TM3。

三、2天線和8天線性能對比

TD-LTE中2天線可以獲得分集和復用增益，8天線可綜合獲得3種增益：賦形增益、分集/復用增益。波束賦形一方面能提高覆蓋能力，另一方面可以降低小區(qū)內/間干擾，從而提升系統吞吐量。

3.1 覆蓋性能對比

從鏈路預算上來看，2天線和8天線的主要差別在天線的分集增益、波束賦形增益以及干擾余量。在接收側，8天線基站分集增益取8dB，2天線基站分集增益取3dB，終端為2天線其分集增益取3dB。在發(fā)送側，終端為單天線，因此無發(fā)送分集增益；基站業(yè)務信道，8天線為波束賦形方式，無分集增益，賦形增益取7.5dB；基站控制信道，由于8天線廣播信道，要實現全小區(qū)覆蓋，波束賦形技術在業(yè)務信道的增益不復存在，8天線和2天線相同為發(fā)送分集方式，分集增益取3dB。另外8天線采用了波束賦形技術，其抗干擾能力更強，對覆蓋具有額外的增益，因此，8天線的干擾余量要比2天線的小。2天線和8天線覆蓋性能對比如表1所示。

表1 2天線與8天線無覆蓋性能對比

上行接收方面，8天線接收和2天線接收的差異為3 dB左右。對于下行業(yè)務信道，8天線相對2天線有3.5dB的增益（若考慮干擾余量則增益更大），因此對于業(yè)務信道覆蓋受限的場景，8天線相比2 天線在小區(qū)邊緣更有優(yōu)勢，可以有效提升小區(qū)邊緣用戶吞吐量。

而對于下行控制信道，8天線相對2天線有2dB的差距，由于8 天線傳輸控制信道的短板，使得8 天線的控制信道覆蓋略遜于2 天線，由此可能導致8天線覆蓋增益的不確定性。

3.2 吞吐量對比

圖1和圖2為D頻段、20 MHz帶寬、上下行時隙配比2：2、鄰區(qū)50%加擾條件下，幾個不同的主設備廠家2/8天線在小區(qū)平均吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量對比圖。

從圖1和圖2可以看出，8天線上行小區(qū)平均吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量增益非常明顯，相對于2天線分別平均提升了48%和102%；除個別廠家外，8天線單流的下行小區(qū)平均吞吐量相對于2天線并沒有明顯提升，平均只提升了15%，8天線雙流則平均提升了32%。

四、2天線和8天線建網成本和施工難度對比

4.1 建網成本對比

TD-LTE基站的2天線和8天線站址的配套建設成本都一樣，二者的建站成本主要差別在天線、BBU以及RRU的設備成本不同。

天線：8天線比2天線設備價格高，但天線占單設備總體成本比重較低；

BBU：由于發(fā)射/接收天線數的增加以及波束賦形等復雜算法，采用8天線對基帶的處理能力增加較多，但數字基帶部分成本占單設備總體成本比重也較低；

RRU：8通道RRU的通道數及射頻模塊相應增多，總體成本相應增加；

綜合目前各廠家的設備成本情況，8天線產品的設備成本約為2天線的1.8倍。

表2給出了城區(qū)環(huán)境下10km2覆蓋范圍內2天線和8天線無線網絡建設成本計算過程。由結果可以看出，在相同的邊緣速率要求下，由于8天線的覆蓋半徑較大，雖然單站建設成本8天線要高于2天線，但是總體建網成本8天線的要低于2天線，8天線方案可節(jié)約總體建網成本約36%。

表2 2天線與8天線無線網絡建設成本

4.2 施工難度對比

2天線與8天線的主要參數如表3所示：

表3 2天線與8天線的主要參數

通過對比2天線與8天線的主要參數，可以得出，8天線的RRU及天線尺寸均較大，設備重量較重，對天面要求較高，與2天線相比增加了施工和維護的工作量。

五、結論

通過上述對比研究，可知，8天線在容量和覆蓋性能方面有一定優(yōu)勢，在同等站距情況下可以提升網絡容量；而在同等邊緣用戶速率要求下，采用8天線可減少站址建設需求，從而節(jié)省網絡建設投資。雖然8天線施工實施難度要大于2 天線，但參考TD-SCDMA和TD-LTE試驗網建設經驗，大部分站址具備8天線實施條件，建議在城區(qū)、郊區(qū)以及農村需要連續(xù)覆蓋的大部分基站采用8天線。2天線產品對于天面要求低，饋線少，易于安裝，因此主要在部分實施受限的場景使用，例如天面受限站點、物業(yè)和居民對大面板天線反感較大難以實施的站點、街道站、高速公路站點、補盲站點等。

參 考 文 獻

[1] 3GPP TS 36.211. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）； Physical channels and modulation[S].

[2] 戴源等.TD-LTE無線網絡規(guī)劃與設計.人民郵電出版社[A].2012.4.

[3] 詹鵬，蘇穎博. TD-LTE無線網絡鏈路預算分析[J].郵電設計技術，2011（7）.

[4] 黃岳，蘭來喜. 8通道TD-LTE系統優(yōu)勢分析[J].電信技術，2011（7）.

【摘要】 多天線技術（MIMO）是TD-LTE系統的核心技術之一，能夠在不增加頻譜帶寬和天線發(fā)射功率的情況下，大幅提高信道容量、頻譜利用率和數據的傳輸質量。文章對比分析了TD-LTE網絡中2/8天線性能、建網成本和施工難度的差異，給出了各場景應用建議。

【關鍵字】 TD-LTE MIMO 2天線 8天線

一、概述

多天線技術（MIMO）是移動通信技術發(fā)展的重要趨勢，是實現移動通信系統高容量、高頻譜效率的重要手段。TD-LTE系統也引入了多天線技術，結合OFDM以及波束賦形技術，可以顯著提升空間分集的效果、改善小區(qū)邊界區(qū)域的信道條件、很好地實現空、時、頻多維信號的聯合處理和調度，大幅提升系統的靈活性和傳輸效率。

2013年12月4日，工信部向三大運營商頒發(fā)TD-LTE商用牌照，正式開啟了中國的4G時代，TD-LTE的建設進程也大大加快。但是隨著可用站址資源的不斷減少，天面已成為TD-LTE網絡的建設瓶頸所在。基站天線數的選擇是TD-LTE的實際部署和后續(xù)發(fā)展需要考慮的一個重要問題。本文將對比分析2/8天線的性能、建網成本和施工難度的差異，最后給出各場景的應用建議

二、TD-LTE系統天線模式

3GPP的規(guī)范中定義了多種MIMO傳輸模式，以適應不同的信道條件、不同的天線配置等場景的應用。原則上，3GPP對天線數目與所采用的傳輸模式沒有特別的搭配要求，但在實際應用中2天線系統常用模式為TM2、TM3，8天線系統常用模式為TM7、TM8。

TM2采用SFBC方式，屬于2天線的發(fā)射分集方案，在用戶無法進行可靠的信道質量反饋時使用，可以提高用戶傳輸的可靠性。該模式也作為TM3～TM8在信道條件差的情況下的回退方案。TM3主傳輸方式為雙流復用，能在信道調教較好的地方提高用戶頻譜效率一倍，在小區(qū)邊緣回退為TM2。TM7主傳輸方式為單流波束賦形，可以提升邊緣用戶吞吐量，信號條件好的時候可以自適應為TM3，部分條件下可回退為TM2。3GPP Release 9版本中新定義了傳輸模式TM8，TM8模式即雙流波束賦形技術應用于信號散射體比較充分的條件下，結合了智能天線賦形技術和MIMO的空間復用技術，利用了TDD信道的對稱性，同時傳輸多個數據流實現空分復用，能夠保持在傳統單流下實現廣覆蓋，提高小區(qū)容量和減少干擾。小區(qū)邊緣可自適應為TM7，部分條件下可回退為TM2或TM3。

三、2天線和8天線性能對比

TD-LTE中2天線可以獲得分集和復用增益，8天線可綜合獲得3種增益：賦形增益、分集/復用增益。波束賦形一方面能提高覆蓋能力，另一方面可以降低小區(qū)內/間干擾，從而提升系統吞吐量。

3.1 覆蓋性能對比

從鏈路預算上來看，2天線和8天線的主要差別在天線的分集增益、波束賦形增益以及干擾余量。在接收側，8天線基站分集增益取8dB，2天線基站分集增益取3dB，終端為2天線其分集增益取3dB。在發(fā)送側，終端為單天線，因此無發(fā)送分集增益；基站業(yè)務信道，8天線為波束賦形方式，無分集增益，賦形增益取7.5dB；基站控制信道，由于8天線廣播信道，要實現全小區(qū)覆蓋，波束賦形技術在業(yè)務信道的增益不復存在，8天線和2天線相同為發(fā)送分集方式，分集增益取3dB。另外8天線采用了波束賦形技術，其抗干擾能力更強，對覆蓋具有額外的增益，因此，8天線的干擾余量要比2天線的小。2天線和8天線覆蓋性能對比如表1所示。

表1 2天線與8天線無覆蓋性能對比

上行接收方面，8天線接收和2天線接收的差異為3 dB左右。對于下行業(yè)務信道，8天線相對2天線有3.5dB的增益（若考慮干擾余量則增益更大），因此對于業(yè)務信道覆蓋受限的場景，8天線相比2 天線在小區(qū)邊緣更有優(yōu)勢，可以有效提升小區(qū)邊緣用戶吞吐量。

而對于下行控制信道，8天線相對2天線有2dB的差距，由于8 天線傳輸控制信道的短板，使得8 天線的控制信道覆蓋略遜于2 天線，由此可能導致8天線覆蓋增益的不確定性。

3.2 吞吐量對比

圖1和圖2為D頻段、20 MHz帶寬、上下行時隙配比2：2、鄰區(qū)50%加擾條件下，幾個不同的主設備廠家2/8天線在小區(qū)平均吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量對比圖。

從圖1和圖2可以看出，8天線上行小區(qū)平均吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量增益非常明顯，相對于2天線分別平均提升了48%和102%；除個別廠家外，8天線單流的下行小區(qū)平均吞吐量相對于2天線并沒有明顯提升，平均只提升了15%，8天線雙流則平均提升了32%。

四、2天線和8天線建網成本和施工難度對比

4.1 建網成本對比

TD-LTE基站的2天線和8天線站址的配套建設成本都一樣，二者的建站成本主要差別在天線、BBU以及RRU的設備成本不同。

天線：8天線比2天線設備價格高，但天線占單設備總體成本比重較低；

BBU：由于發(fā)射/接收天線數的增加以及波束賦形等復雜算法，采用8天線對基帶的處理能力增加較多，但數字基帶部分成本占單設備總體成本比重也較低；

RRU：8通道RRU的通道數及射頻模塊相應增多，總體成本相應增加；

綜合目前各廠家的設備成本情況，8天線產品的設備成本約為2天線的1.8倍。

表2給出了城區(qū)環(huán)境下10km2覆蓋范圍內2天線和8天線無線網絡建設成本計算過程。由結果可以看出，在相同的邊緣速率要求下，由于8天線的覆蓋半徑較大，雖然單站建設成本8天線要高于2天線，但是總體建網成本8天線的要低于2天線，8天線方案可節(jié)約總體建網成本約36%。

表2 2天線與8天線無線網絡建設成本

4.2 施工難度對比

2天線與8天線的主要參數如表3所示：

表3 2天線與8天線的主要參數

通過對比2天線與8天線的主要參數，可以得出，8天線的RRU及天線尺寸均較大，設備重量較重，對天面要求較高，與2天線相比增加了施工和維護的工作量。

五、結論

通過上述對比研究，可知，8天線在容量和覆蓋性能方面有一定優(yōu)勢，在同等站距情況下可以提升網絡容量；而在同等邊緣用戶速率要求下，采用8天線可減少站址建設需求，從而節(jié)省網絡建設投資。雖然8天線施工實施難度要大于2 天線，但參考TD-SCDMA和TD-LTE試驗網建設經驗，大部分站址具備8天線實施條件，建議在城區(qū)、郊區(qū)以及農村需要連續(xù)覆蓋的大部分基站采用8天線。2天線產品對于天面要求低，饋線少，易于安裝，因此主要在部分實施受限的場景使用，例如天面受限站點、物業(yè)和居民對大面板天線反感較大難以實施的站點、街道站、高速公路站點、補盲站點等。

參 考 文 獻

[1] 3GPP TS 36.211. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）； Physical channels and modulation[S].

[2] 戴源等.TD-LTE無線網絡規(guī)劃與設計.人民郵電出版社[A].2012.4.

[3] 詹鵬，蘇穎博. TD-LTE無線網絡鏈路預算分析[J].郵電設計技術，2011（7）.

[4] 黃岳，蘭來喜. 8通道TD-LTE系統優(yōu)勢分析[J].電信技術，2011（7）.

【摘要】 多天線技術（MIMO）是TD-LTE系統的核心技術之一，能夠在不增加頻譜帶寬和天線發(fā)射功率的情況下，大幅提高信道容量、頻譜利用率和數據的傳輸質量。文章對比分析了TD-LTE網絡中2/8天線性能、建網成本和施工難度的差異，給出了各場景應用建議。

【關鍵字】 TD-LTE MIMO 2天線 8天線

一、概述

多天線技術（MIMO）是移動通信技術發(fā)展的重要趨勢，是實現移動通信系統高容量、高頻譜效率的重要手段。TD-LTE系統也引入了多天線技術，結合OFDM以及波束賦形技術，可以顯著提升空間分集的效果、改善小區(qū)邊界區(qū)域的信道條件、很好地實現空、時、頻多維信號的聯合處理和調度，大幅提升系統的靈活性和傳輸效率。

2013年12月4日，工信部向三大運營商頒發(fā)TD-LTE商用牌照，正式開啟了中國的4G時代，TD-LTE的建設進程也大大加快。但是隨著可用站址資源的不斷減少，天面已成為TD-LTE網絡的建設瓶頸所在。基站天線數的選擇是TD-LTE的實際部署和后續(xù)發(fā)展需要考慮的一個重要問題。本文將對比分析2/8天線的性能、建網成本和施工難度的差異，最后給出各場景的應用建議

二、TD-LTE系統天線模式

3GPP的規(guī)范中定義了多種MIMO傳輸模式，以適應不同的信道條件、不同的天線配置等場景的應用。原則上，3GPP對天線數目與所采用的傳輸模式沒有特別的搭配要求，但在實際應用中2天線系統常用模式為TM2、TM3，8天線系統常用模式為TM7、TM8。

TM2采用SFBC方式，屬于2天線的發(fā)射分集方案，在用戶無法進行可靠的信道質量反饋時使用，可以提高用戶傳輸的可靠性。該模式也作為TM3～TM8在信道條件差的情況下的回退方案。TM3主傳輸方式為雙流復用，能在信道調教較好的地方提高用戶頻譜效率一倍，在小區(qū)邊緣回退為TM2。TM7主傳輸方式為單流波束賦形，可以提升邊緣用戶吞吐量，信號條件好的時候可以自適應為TM3，部分條件下可回退為TM2。3GPP Release 9版本中新定義了傳輸模式TM8，TM8模式即雙流波束賦形技術應用于信號散射體比較充分的條件下，結合了智能天線賦形技術和MIMO的空間復用技術，利用了TDD信道的對稱性，同時傳輸多個數據流實現空分復用，能夠保持在傳統單流下實現廣覆蓋，提高小區(qū)容量和減少干擾。小區(qū)邊緣可自適應為TM7，部分條件下可回退為TM2或TM3。

三、2天線和8天線性能對比

TD-LTE中2天線可以獲得分集和復用增益，8天線可綜合獲得3種增益：賦形增益、分集/復用增益。波束賦形一方面能提高覆蓋能力，另一方面可以降低小區(qū)內/間干擾，從而提升系統吞吐量。

3.1 覆蓋性能對比

從鏈路預算上來看，2天線和8天線的主要差別在天線的分集增益、波束賦形增益以及干擾余量。在接收側，8天線基站分集增益取8dB，2天線基站分集增益取3dB，終端為2天線其分集增益取3dB。在發(fā)送側，終端為單天線，因此無發(fā)送分集增益；基站業(yè)務信道，8天線為波束賦形方式，無分集增益，賦形增益取7.5dB；基站控制信道，由于8天線廣播信道，要實現全小區(qū)覆蓋，波束賦形技術在業(yè)務信道的增益不復存在，8天線和2天線相同為發(fā)送分集方式，分集增益取3dB。另外8天線采用了波束賦形技術，其抗干擾能力更強，對覆蓋具有額外的增益，因此，8天線的干擾余量要比2天線的小。2天線和8天線覆蓋性能對比如表1所示。

表1 2天線與8天線無覆蓋性能對比

上行接收方面，8天線接收和2天線接收的差異為3 dB左右。對于下行業(yè)務信道，8天線相對2天線有3.5dB的增益（若考慮干擾余量則增益更大），因此對于業(yè)務信道覆蓋受限的場景，8天線相比2 天線在小區(qū)邊緣更有優(yōu)勢，可以有效提升小區(qū)邊緣用戶吞吐量。

而對于下行控制信道，8天線相對2天線有2dB的差距，由于8 天線傳輸控制信道的短板，使得8 天線的控制信道覆蓋略遜于2 天線，由此可能導致8天線覆蓋增益的不確定性。

3.2 吞吐量對比

圖1和圖2為D頻段、20 MHz帶寬、上下行時隙配比2：2、鄰區(qū)50%加擾條件下，幾個不同的主設備廠家2/8天線在小區(qū)平均吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量對比圖。

從圖1和圖2可以看出，8天線上行小區(qū)平均吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量增益非常明顯，相對于2天線分別平均提升了48%和102%；除個別廠家外，8天線單流的下行小區(qū)平均吞吐量相對于2天線并沒有明顯提升，平均只提升了15%，8天線雙流則平均提升了32%。

四、2天線和8天線建網成本和施工難度對比

4.1 建網成本對比

TD-LTE基站的2天線和8天線站址的配套建設成本都一樣，二者的建站成本主要差別在天線、BBU以及RRU的設備成本不同。

天線：8天線比2天線設備價格高，但天線占單設備總體成本比重較低；

BBU：由于發(fā)射/接收天線數的增加以及波束賦形等復雜算法，采用8天線對基帶的處理能力增加較多，但數字基帶部分成本占單設備總體成本比重也較低；

RRU：8通道RRU的通道數及射頻模塊相應增多，總體成本相應增加；

綜合目前各廠家的設備成本情況，8天線產品的設備成本約為2天線的1.8倍。

表2給出了城區(qū)環(huán)境下10km2覆蓋范圍內2天線和8天線無線網絡建設成本計算過程。由結果可以看出，在相同的邊緣速率要求下，由于8天線的覆蓋半徑較大，雖然單站建設成本8天線要高于2天線，但是總體建網成本8天線的要低于2天線，8天線方案可節(jié)約總體建網成本約36%。

表2 2天線與8天線無線網絡建設成本

4.2 施工難度對比

2天線與8天線的主要參數如表3所示：

表3 2天線與8天線的主要參數

通過對比2天線與8天線的主要參數，可以得出，8天線的RRU及天線尺寸均較大，設備重量較重，對天面要求較高，與2天線相比增加了施工和維護的工作量。

五、結論

通過上述對比研究，可知，8天線在容量和覆蓋性能方面有一定優(yōu)勢，在同等站距情況下可以提升網絡容量；而在同等邊緣用戶速率要求下，采用8天線可減少站址建設需求，從而節(jié)省網絡建設投資。雖然8天線施工實施難度要大于2 天線，但參考TD-SCDMA和TD-LTE試驗網建設經驗，大部分站址具備8天線實施條件，建議在城區(qū)、郊區(qū)以及農村需要連續(xù)覆蓋的大部分基站采用8天線。2天線產品對于天面要求低，饋線少，易于安裝，因此主要在部分實施受限的場景使用，例如天面受限站點、物業(yè)和居民對大面板天線反感較大難以實施的站點、街道站、高速公路站點、補盲站點等。

參 考 文 獻

[1] 3GPP TS 36.211. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）； Physical channels and modulation[S].

[2] 戴源等.TD-LTE無線網絡規(guī)劃與設計.人民郵電出版社[A].2012.4.

[3] 詹鵬，蘇穎博. TD-LTE無線網絡鏈路預算分析[J].郵電設計技術，2011（7）.

[4] 黃岳，蘭來喜. 8通道TD-LTE系統優(yōu)勢分析[J].電信技術，2011（7）.