多天線技術在LTE混合組網中的應用研究

王煥斌 袁泉

【摘 要】

多天線技術是TD-LTE和LTE FDD系統的關鍵技術，該技術的合理應用將對LTE網絡的建設、后期維護、業務發展等具有非常重要的意義。從相關設備性能介紹、鏈路預算、具體應用場景、覆蓋仿真等方面對比分析多天線技術在LTE混合組網中的應用價值，并針對未來LTE混合組網提出建議。

混合組網 天線系統 多天線技術

【關鍵詞】

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.04.003 中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2016）04-0014-05

引用格式：王煥斌，袁泉. 多天線技術在LTE混合組網中的應用研究[J]. 移動通信， 2016，40（4）： 14-18.

1 引言

多天線技術是LTE系統的關鍵技術之一，結合OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）技術，能夠很好地實現空、時頻多維信號的調度和處理，大幅度提升系統的傳輸效率和靈活性。相比3G系統，LTE系統的平均吞吐量和峰值速率等都得到較高的提升[1]。

隨著LTE系統的商用，目前全球已有124個國家和地區開通了312張LTE FDD網絡、31張TD-LTE網絡、17張TD-LTE與LTE FDD混合網絡，全球LTE已進入快速發展期。由于我國工業和信息化部分配給LTE FDD的頻段資源較少、分配給TD-LTE頻段資源較豐富，而LTE FDD上下行必須要使用對稱的頻段資源，所以能夠供給LTE FDD使用的頻段資源非常緊張，加之目前2G、3G在未來較長一段時間不會退出市場，所使用的頻段資源暫時無法遷移到LTE網絡。與LTE FDD相比，TD-LTE上下行鏈路能使用非對稱頻段資源，可以更好地支持非對稱數據業務，是數據業務熱點區域連續覆蓋的最佳選擇[2-3]。截至當前，僅中國移動一家運營商已在全國范圍內建設30萬個左右4G基站，LTE設備已經成熟，組網技術及方案也已大規模應用，但考慮到LTE FDD頻段資源較緊缺，合理的天線部署將對LTE混合網絡的覆蓋、容量等有重要意義和價值[4]。

本文首先對TD-LTE和LTE FDD系統的覆蓋能力進行分析對比，結合目前整體的站址情況，給出適合當前形勢的站址選擇原則；然后分析LTE系統采用多天線技術的可行性，結合實驗網測試數據，總結出LTE系統混合組網中天線設計方案；最后根據已得出的天線部署方案策略，在現有網絡數據熱點區域進行網絡仿真驗證。

2 LTE系統多天線覆蓋性能對比分析

2.1 多天線技術

在LTE網絡的規劃和建設中，合理利用多天線技術、科學地進行設備選型在很大程度上決定著網絡的容量、覆蓋性能等。目前，從LTE設備的發展情況以及相關技術和案例來看，多天線技術的發展情況大致如下：

（1）2T2R天線：發展最成熟、穩定，已經在全球部署LTE網絡的國家和地區得到了大規模的應用。

（2）2T4R天線：發展成熟、穩定，國內運營商已經在現有LTE網絡中大量應用。

（3）2T8R天線：已逐步完善，但主要是基于2T2R或2T4R天線設備進行組合拼接，已在TD-LTE網絡中開始大量應用，LTE FDD網絡還處于實驗網測試驗證階段。

對于LTE系統的上述3種多天線技術應用方案，下行鏈路一般采用2天線方案，多天線方案主要區別在于上行鏈路接收天線數量，有上行2天線、4天線、8天線的不同方案。本文對LTE多天線技術部署策略分析主要集中在上行鏈路，目前2T2R天線系統是LTE網絡主流應用方案，而2T4R天線、2T8R天線可認為是LTE系統上行鏈路多天線技術的增強方案。

2.2 性能對比分析

多天線技術已在LTE系統組網過程中廣泛應用，結合收發分集、多用戶MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）以及波束賦形等關鍵技術，可進一步大幅度提升網絡覆蓋性能。在文獻[5]中已描述了2T2R天線和2T4R天線上行接收性能的差異，二者的最大輻射功率相差3dB左右。此外，3GPP在LTE R9中也對2T8R天線上行鏈路接收性能進行了評估，2T8R天線與2T2R天線二者的最大輻射功率相差6dB左右，前期實驗網的測量數據中也基本證明了該結論[6]。為進一步分析不同制式LTE系統采用不同模式天線組網時的覆蓋性能，在某市密集區域進行現場數據測試。

通過上行鏈路預算公式計算可證明LTE系統的上行覆蓋能力較CDMA2000系統、WCDMA系統和GSM系統弱，但1.8GHz、2.1GHz LTE FDD系統與TD-LTE系統及現網2G、3G系統共站址建設是可行的。

上行鏈路預算公式[7]：

PL_UL=Pout_UE+Ga_BS+Ga_UE-Lf_BS-Mf-Ml-Lp-Lb-S_BS （1）

其中，各項參數含義如表1所示：

（1）上行覆蓋能力測試

通過室外隨機抽樣測試，對TD-LTE、LTE FDD采用不同上行接收天線數的覆蓋情況進行對比分析，其中TD-LTE系統采用上下行2：2的時隙配比，且下行空載、上行不加載。現場測試數據結果如表2所示。

根據現場測試數據分析，當上行天線數量相同、在同一頻段內時，LTE FDD覆蓋范圍較TD-LTE廣，適合基層網絡覆蓋；當TD-LTE采用2.6GHz頻段組網且天線系統采用4天線、8天線時，TD-LTE上行業務速率總體較LTE FDD高。在嚴格考慮干擾隔離的情況下，可以與3G網絡共站址部署，TD-LTE和LTE FDD協同部署以達到較好的上行覆蓋效果。

（2）多天線LTE系統吞吐量測試

在同一測試區域采取定點測試不同天線情況下LTE基站的單用戶吞吐量，基站上、下行采用默認加載設置（TD-LTE系統配置20MHz帶寬、上下行2：2的時隙配比；LTE FDD系統配置上下行對稱帶寬10MHz），干擾情況忽略。具體測試結果如表3所示：

由表3的測試結果可知，當系統均采用2天線時，同頻段、相同覆蓋距離，LTE FDD單用戶吞吐量均較TD-LTE高；當均采用4天線時，同頻段、相同覆蓋距離，TD-LTE單用戶吞吐量均較LTE FDD高，尤其是2.6GHz頻段TD-LTE系統。目前LTE FDD系統還未部署8天線，測試區域只針對TD-LTE進行8天線時的吞吐量測量，無對比數據。

總而言之，從性能角度對比，4天線、8天線在吞吐量和上行覆蓋方面相比2天線都具有明顯的優勢。如何合理地將多天線應用到LTE混合組網中將是未來運營商的重要切入點。

3 LTE混合組網中多天線技術應用分析

綜合現有天線系統的相關性能及LTE基站設備廠商的支持、開源情況，分析目前國內運營商所處的境地，合理利用多天線技術無論是從成本、效益還是性能等方面都會有重要意義。下面將從運營商開辟新站址、多天線應用場景等方面開展論述。

3.1 開辟新站址建議

目前開辟新站點的可能性很小，尤其是城區密集區域，物業協調困難，很多現有站址上都已經建設三家運營商的多個制式網絡，天線系統安裝空間已嚴重不足。同時，LTE網絡相比2G、3G網絡對信號質量更為敏感，對提升覆蓋、容量性能的需求很迫切，未來LTE網絡建設思路應從傳統注重場強的思路向注重信號質量轉變，使得對天線部署方案的設計更為精準[8]。

通過現場勘查，結合所選LTE系統天線性能參數，根據覆蓋需求和站址資源合理部署天面系統對后期網絡覆蓋有很大幫助。建議在符合干擾隔離度等條件下，共用現有2G、3G系統存量站址資源按需部署天線系統。同時，對覆蓋區域及潛在客戶進行需求調研，結合運營商網管中心上傳的該區域的語音業務、數據業務分布情況，初步確定系統設備選型、天線輻射角度及天線系統建設方式，盡可能采取垂直隔離方式分層部署網絡；避免不同制式的天線系統斜射、大角度對射，以降低干擾損耗[9]。

3.2 多天線技術應用場景選型分析

在實際網絡建設中，應根據站址現場勘查情況靈活部署天線系統。根據上述情況，建議采取以下應用場景：

場景一：單獨部署LTE系統天線，可與具備獨立安裝天線的現有基站共站或獨立新建LTE基站。天線類型推薦選用1.8GHz或2.1GHz寬頻雙極化定向天線（2端口或4端口），天線端口數可根據實際需求決定。以三扇區基站為例，2端口天線需布放6根饋纜，4端口天線需布放12根饋纜。安裝形式可共用已有塔桅安裝或新建塔桅安裝，同時考慮承重和風荷要求。主設備優先選擇分布式基站設備，如果條件允許，也可選用宏基站設備。

該方案的優點是便于LTE系統后期的網絡維護和優化以及保證LTE網絡性能、后期的升級改造，而且不會對現網的正常運行產生影響。

場景二：與現有基站共站建設，且缺少空余天面空間獨立部署LTE系統天線。天線類型推薦選用2.1GHz或2.6GHz寬頻雙極化多模定向天線（4端口、6端口或8端口），天線端口數可根據實際需求決定。部署天線系統時需利用該多模天線替換掉原有2G或3G天線，利舊原有塔桅安裝，同時考慮承重和風荷要求。主設備優先選擇分布式基站設備，如果條件允許，也可選用宏基站設備，需注意天線端口數的對應。

該方案的優點是可以更好地利用緊張的天面資源，通過多天線、波束賦形等技術顯著提升系統容量、平均吞吐量等；缺點是施工時會中斷原有網絡的運行，后期網絡維護優化時不可以獨立調試單一制式網絡的天線角度及其他參數。

目前大部分天線系統的具體參數如表4、表5所示：

綜上所述，4天線、8天線尺寸和重量均比較大，這對施工會增加一定的難度，但是4天線、8天線在LTE網絡中應用會使吞吐量和覆蓋質量顯著提高，而且使用多端口多模寬頻天線還會節省天面空間，非常適用于天面難開辟或站址資源緊缺的市區密集區域場景，合理利用該技術將會對實現LTE網絡連續、高質量覆蓋有很大幫助。2天線產品對于天面要求低、饋線少且易于安裝，因此可主要在部分實施受限的場景使用，如天面受限站點、物業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。下面將就上述多天線應用場景進行覆蓋仿真分析。

4 覆蓋能力仿真結果分析

考慮到多天線技術應用的成熟度以及上述多天線技術應用場景，在現有2G、3G網絡站點的數據熱點區域進行TD-LTE與LTE FDD系統混合組網站點規劃，在此基礎上進行公共信道的覆蓋性能仿真，其主要參數如表6所示。

規劃仿真結果如圖1所示。由仿真結果可以看出，RSRP（Reference Signal Receiving Power，參考信號接收功率）>-110dBm的比例占到90%以上，RSRP> -100dBm的比例達到65%以上，規劃區域RSRP平均值為-110dBm以上，基本達到工程標準。在實際組網建設過程中，通過科學的基站設備選型、天線部署以及后期詳細的網絡優化可以達到更好的覆蓋效果。

5 結束語

不同于以往傳統的2G、3G通信系統，LTE系統可采用多天線、波束賦形等關鍵技術提升系統的綜合性能，而且相比2G、3G系統，LTE系統對信號質量更敏感，對提升系統覆蓋性能、容量性能、數據速率等的需求非常迫切。這些都說明未來的LTE網絡建設思路應從傳統的注重場強的思路向注重信號質量轉變，使得對天線部署方案的設計更為精準。同時，未來物業的要求、多系統長期共存的性能需求都需要改變過去傳統的天線系統部署策略，需要利用LTE系統的多天線、波束賦形等天線增強技術提出更加精細化、更加適合提升LTE混合組網系統性能的天線系統部署方案[10]。

參考文獻：

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