TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中的多天線技術(shù) - 全文

在無線通信領(lǐng)域，對多天線技術(shù)的研究由來已久。其中天線分集、波束賦形、空分復(fù)用(MIMO)等技術(shù)已在3G和LTE網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。

多天線技術(shù)簡介

根據(jù)不同的天線應(yīng)用方式，常用的多天線技術(shù)簡述如下。

上述多天線技術(shù)給網(wǎng)絡(luò)帶來的增益大致分為：更好的覆蓋(如波束賦形)和更高的速率(如空分復(fù)用)。

3GPP規(guī)范中定義的傳輸模式

3GPP規(guī)范中Rel-9版本中規(guī)定了8種傳輸模式，見下表。其中模式3和4為MIMO技術(shù)，且支持模式內(nèi)(發(fā)送分集和MIMO)自適應(yīng)。模式7、8是單/雙流波束賦形。原則上，3GPP對天線數(shù)目與所采用的傳輸模式?jīng)]有特別的搭配要求。但在實際應(yīng)用中2天線系統(tǒng)常用模式為模式2、3；而8天線系統(tǒng)常用模式為模式2、3、7或模式2、3、8。

在實際應(yīng)用中，不同的天線技術(shù)互為補(bǔ)充，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際信道的變化靈活運用。在TD-LTE系統(tǒng)中，這種發(fā)射技術(shù)的轉(zhuǎn)換可以通過傳輸模式(內(nèi)/間)切換組合實現(xiàn)。

上行目前主流終端芯片設(shè)計仍然以單天線發(fā)射為主，對eNB多天線接收方式3GPP標(biāo)準(zhǔn)沒有明確要求。

多天線性能分析

針對以上多天線技術(shù)的特點及適用場景，目前中國市場TD-LTE主要考慮兩種天線配置：8天線波束賦形(單流/雙流)和2天線MIMO(空分復(fù)用/發(fā)送分集)。

下行業(yè)務(wù)信道性能

下圖是愛立信對上述傳輸模式的前期仿真結(jié)果：

在下行鏈路中，2、8天線的業(yè)務(wù)信道在特定傳輸模式下性能比較歸納如下：

8X2單流波束賦型(sbf)在小區(qū)邊緣的覆蓋效果(邊緣用戶速率)好于2X2空分復(fù)用，但小區(qū)平均吞吐速率要低于2X2 MIMO場景。
8X2雙流波束賦型(dbf)的邊界速率要略好于2X2天線空分復(fù)用。對于小區(qū)平均吞吐速率，在正常負(fù)荷條件下，二者性能相當(dāng)。在高系統(tǒng)負(fù)荷條件下，8X2雙流波束賦型(dbf)增益較為明顯。

在實際深圳外場測試中，測試場景為典型公路環(huán)境。雖然站間距與城區(qū)環(huán)境相同，但無線傳播條件更接近于郊區(qū)的特點，即空曠環(huán)境較多，信道相關(guān)性較強(qiáng)，有利于8天線波束賦形技術(shù)。對固定模式的測試結(jié)果與上述仿真結(jié)果基本一致；引入模式內(nèi)/間切換后8天線在小區(qū)中心采用模式3，邊緣則為模式7，因此在小區(qū)邊緣優(yōu)于2天線，小區(qū)中心相當(dāng)，小區(qū)平均速率較好于2天線。值得注意的是，采用模式7的比例僅有20%左右，大多數(shù)場景采用的是模式3，即與2天線差別不大。

下行控制信道及覆蓋能力

對于8天線廣播信道，由于要實現(xiàn)全小區(qū)覆蓋，波束賦形技術(shù)在業(yè)務(wù)信道的增益不復(fù)存在。通常采用引入廣播權(quán)值靜態(tài)賦形(65o)的方式發(fā)送。根據(jù)不同天線廠家提供的廣播信道的賦形權(quán)值，其廣播信道的發(fā)射功率只有總的可用功率的60%左右。因此，靜態(tài)賦形的方式將導(dǎo)致廣播信道覆蓋比2天線方案差，特別是在小區(qū)邊緣廣播信道功率有很大損失。

?針對這些問題，愛立信提出了無功率損失的增強(qiáng)型公共信道發(fā)送方案，有效克服了靜態(tài)賦形的功率損失問題，提升廣播信道的覆蓋。使得8天線公共信道獲得與2天線相當(dāng)?shù)母采w能力。在深圳外場測試中，我們看到類似的現(xiàn)象。下圖是用掃頻儀在相同環(huán)境中測得的結(jié)果。從圖中可以看到，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(qiáng)，但基本相當(dāng)。

上行天線接收分集增益

上行接收方面，理論上當(dāng)8天線的單元天線增益與2天線的增益相同時，會有6dB 的接收分集增益。而實際系統(tǒng)中，在天線長度相當(dāng)時，2天線的增益往往高于相同高度的8天線的單元天線增益1.5-2.5dB左右。

例如，在進(jìn)行中的TD-LTE試驗網(wǎng)中，選用了2天線和8天線(FAD)天線方案。在同為140cm 長度的條件下，8天線(FAD)的單元天線的增益為16-17dBi，而國際上在LTE-FDD/TD-LTE 廣泛應(yīng)用的凱士林(Kathrein)和安德魯(Andrew)的2天線增益均可以達(dá)到18.5dB以上。

這一差異也反映在目前的一些工程設(shè)計實踐中，例如在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中將2天線的增益設(shè)定為18dBi， 而8天線的單元有效增益設(shè)定為14.5 dBi。 因此，實際網(wǎng)絡(luò)中的8天線接收和2天線接收的差異應(yīng)當(dāng)為3dB左右。

多天線應(yīng)用場景

波束賦型在業(yè)務(wù)信道功率受限時，可以提高網(wǎng)絡(luò)邊界的下行和上行速率，適用于有視距傳輸(LOS)、強(qiáng)相關(guān)的環(huán)境，例如郊區(qū)、鄉(xiāng)村等以覆蓋為目的的環(huán)境。在城區(qū)和密集城區(qū)(站間距大約200到500米左右時)，無線傳播環(huán)境復(fù)雜，雜散嚴(yán)重，以NLOS為主，信道相關(guān)性大大降低，此時下行波束賦型的效果大打折扣，而空分復(fù)用在該場景下有很大優(yōu)勢(2、8天線的空分復(fù)用無大差異)。

在規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)覆蓋時，往往以小區(qū)邊界速率為設(shè)計目標(biāo)。在上行邊緣速率要求較高時，網(wǎng)絡(luò)中通常是上行業(yè)務(wù)信道受限。然而在實際網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)覆蓋半徑由終端最終是否移出服務(wù)區(qū)來判定，此時的決定因素并非是業(yè)務(wù)信道的速率而是廣播信道的覆蓋。具體來看：

當(dāng)上行業(yè)務(wù)信道為受限因素(例如邊緣速率要求很高)時，8天線方案的覆蓋范圍要大于2天線。
當(dāng)上行業(yè)務(wù)信道不構(gòu)成限制而以終端是否出服務(wù)區(qū)作為覆蓋范圍的判決依據(jù)時(這往往是更為常見的情況)，由于前面提到的8天線在廣播信道的短板，使得8天線的覆蓋范圍有可能小于2天線。

由此可知，8天線方案雖然能夠提升上下行的業(yè)務(wù)信道性能，但固有的廣播信道的短板使得工程實踐中可能無法達(dá)到擴(kuò)大覆蓋，減少站點的目的。

國際商用情況及未來的演進(jìn)

8天線雖然在邊緣速率等方面性能優(yōu)于2天線，但在實際應(yīng)用中，具體效果還受天線的校準(zhǔn)精度、天線性能(隨時間)惡化等因素影響有所縮小。工程安裝實施方面，8天線的天面要求較高，建站方案更為復(fù)雜，需兼顧承重、風(fēng)荷、共天線等因素。這將導(dǎo)致站點成本顯著增加。另外故障隱患的激增，以及耗電的增加(如采用8通道RRU)，都將直接提升OPEX。

迄今為止，全球已商用的LTE網(wǎng)絡(luò)多采用2天線部署(空分復(fù)用/發(fā)送分集)，主要原因是2天線方案技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈更為成熟，運維成本低。其穩(wěn)定優(yōu)良的性能在廣泛的商用中得到驗證。而8天線方案目前商用LTE網(wǎng)絡(luò)中還沒有可借鑒的成功經(jīng)驗。