TD-LTE网络中的多天线技术浅析

1 简介

有关多天线概念，在业内很早就有所研究。但是真正取得进展，应用到通信系统中则是在近些年，伴随着相关元器件的高速发展，在3G系统中被广泛开始应用，像MIMO，波束赋型等。本文主要是对近期TD-LTE试验网中所用到的波束赋型, 空分复用和天线分集这几种技术, 从其特点, 性能容量, 和覆盖等方面进行分析比较.

2 各种多天线技术简单描述及优点

多天线技术是一种统称，可根据不同的实现方式分为天线分集，波束赋型和空分复用。

天线分集是指利用多天线间较低的无线信道的相关性，提供额外的（发射或接收）分集来对抗无线信道的衰落，按天线类型可有空间分集，或极化分集。

波束赋型（Beamforming）是指利用发射端或接受段的多根天线，以一定的方式形成一个特定波束，使目标方向上天线增益最大以及抑制/降低干扰。

空分复用（MIMO）是指在一定的高SINR环境中，利用无线信道特性，在空口创建多条并行信道，从而使空口的传输速率大大提高。

以上多天线技术给网络带来的效果大致分为：

更好的覆盖效果

通过天线分集或波束赋型可以提高接收端的SINR从而增强链路储备，同时也可视为同样的距离的条件下对速率的改进

更高的速率

用空分复用实现更高的小区吞吐率及峰值速率，它的效果在较高载干比的无线环境中对数据速率的提高非常明显。

在实际应用中空分复用往往与分集相结合使用，如在低SINR环境时，系统会从空分复用转为天线分集。

3 多天线性能容量分析

针对以上各种多天线技术的特点，目前TD-LTE组网时主要考虑两种配置，8天线波束赋型（单流,双流波束赋型），和2天线 MIMO。对于上面两种配置，各厂家已有许多仿真结果，基本结果大致类似。以下是爱立信的仿真结果：
 

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下行链路

8X2单流波束赋型在小区边缘的覆盖效果好于2X2 MIMO，但小区平均吞吐速率要低于2X2 MIMO场景。

对于8X2双流波束赋型而言，同样，边界速率要好于2X2 天线MIMO,对于小区平均速率，在低负荷条件下（即LTE网络初期部署时期），2X2 MIMO场景的小区平均吞吐速率与8X2双流波束赋型的效果接近。在高负荷条件下，对比2X2 MIMO场景，8X2双流波束赋型的小区平均吞吐速率会有一定幅度改善。

上行链路

8天线上行接收要明显优于2天线的场景，从小区边界速率到小区容量都要好于2天线MIMO

从目前现场路测的单流波束赋型和双流MIMO测试数据看,结果也和上述仿真结果基本一致,在小区边界下行速率单流波束赋型要好;小区路测得出的下行平均速率双流MIMO要好。

4 覆盖能力分析

由于LTE主要针对数据业务，通常在计算LTE覆盖时，往往以一定的边界速率为覆盖目标。依此为设计依据时，网络中通常是上行业务信道为受限信道。如: TD –LTE网络设定上行边界覆盖目标为200kbps时。

然而，实际网络中，从终端最终是否出服务区来判定，决定小区的覆盖半径并非上行业务信道的速率。在多数情况下，在判决是否能驻留在LTE网络，或判决是否应该做异系统切换时，以UE接收到的RSRP（或RSRQ）为判决条件。PDCCH公共信道以及与之对应的RSRP(干扰受限时需参考RSRQ)通常成为受限因素。此时，上行业务信道的速率可维持在40kbps左右。

根据以上两种思路，８天线和２天线覆盖能力分析的结果是不同的。当考虑上行速率要求，以上行业务信道为受限因素时，８天线在上行的链路储备要优于２天线，这种前提下，８天线基站的覆盖要好于２天线。

当考虑覆盖范围最终以终端出ＬＴＥ服务区为判决依据时，8天线的覆盖范围不强于2天线，原因是８天线在公共信道赋型时没有业务信道的赋型增益，而且根据某天线厂家提供的广播信道的赋形权值，可以看到广播信道的发射功率没有达到全部的可用功率。这样, 8天线下行公共信道的覆盖性能和2天线覆盖性能基本相当。

下图是用SCANNER从相同环境中测得的结果,其中2天线的天线增益为17dBi, 8天线的天线增益为15dBi. 从中可看出: 2天线系统中的RSRP覆盖效果与8天线的覆盖相比主瓣方向略强, 但基本相当. 如下图:
 

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上述测试中使用的基站天线为常见的型号。目前市场上在同样物理尺寸的条件下,8天线的增益要小于2天线2-3dB左右。因而，在部署网络中，如果天线高度要求一定，8天线和２天线下行公共信道的覆盖效果基本是相当的。

所以，在网络中根据实际系统中的判决机制，覆盖取决于公共信道的有效辐射功率，8天线的覆盖距离与2天线基本相当。而如果，以一定的速率为准考察覆盖能力，则8天线要好于2天线。

5 应用场景

综合来看，室外部署8天线和2天线各有优势. 利用各自的特点, 他们的部署场景可以互相补充。在城区和密集城区，站间距较小（大约200到500米左右），下行公共信道通常是受限因素，考虑到上述２／８天线的覆盖特点对比及共址时安装条件要求较高，在这类场景下，建议选择两天线.　8天线的优势是可以通过波束赋型在业务功率受限场景，提高网络边界下行的性能，以及总的上行性能，所以在安装条件允许的情况下，也可选择８天线。

6 国际商用情况及未来的演进

目前来看，已经部署LTE的运营商选择2天线MIMO 技术的占主要部分，原因是其侧重点主要在技术的成熟程度和提高下行峰值速率上。而且，在天线安装，抗风能力等方面2天线也较有明显优势。8天线波束赋型虽然在边缘速率等方面有明显改善，但8天线的安装实施要求较高，效果还受制于天线的校准，天线系统随时间的恶化程度等影响，所以目前商用LTE网络中应用不多。

另外，整体基站的费用也是其考虑的一个重点因素。8天线的多通道RRU与天线，以及安装要求等都会增加基站的初期投入,在运维方面，同样8天线基站的运维费用也高于2天线。

在未来演进方面，2天线会向4天线接收及4流MIMO方向演进。目前已有运营商开始考虑先从4X2MIMO部署开始。而目前的8天线单流波束赋型会升级为8天线双流波束赋型。