多天线技术在LTE混合组网中的应用研究

王焕斌 袁泉

【摘 要】

多天线技术是TD-LTE和LTE FDD系统的关键技术，该技术的合理应用将对LTE网络的建设、后期维护、业务发展等具有非常重要的意义。从相关设备性能介绍、链路预算、具体应用场景、覆盖仿真等方面对比分析多天线技术在LTE混合组网中的应用价值，并针对未来LTE混合组网提出建议。

混合组网 天线系统 多天线技术

【关键词】

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.04.003 中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2016）04-0014-05

引用格式：王焕斌，袁泉. 多天线技术在LTE混合组网中的应用研究[J]. 移动通信， 2016，40（4）： 14-18.

1 引言

多天线技术是LTE系统的关键技术之一，结合OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术，能够很好地实现空、时频多维信号的调度和处理，大幅度提升系统的传输效率和灵活性。相比3G系统，LTE系统的平均吞吐量和峰值速率等都得到较高的提升[1]。

随着LTE系统的商用，目前全球已有124个国家和地区开通了312张LTE FDD网络、31张TD-LTE网络、17张TD-LTE与LTE FDD混合网络，全球LTE已进入快速发展期。由于我国工业和信息化部分配给LTE FDD的频段资源较少、分配给TD-LTE频段资源较丰富，而LTE FDD上下行必须要使用对称的频段资源，所以能够供给LTE FDD使用的频段资源非常紧张，加之目前2G、3G在未来较长一段时间不会退出市场，所使用的频段资源暂时无法迁移到LTE网络。与LTE FDD相比，TD-LTE上下行链路能使用非对称频段资源，可以更好地支持非对称数据业务，是数据业务热点区域连续覆盖的最佳选择[2-3]。截至当前，仅中国移动一家运营商已在全国范围内建设30万个左右4G基站，LTE设备已经成熟，组网技术及方案也已大规模应用，但考虑到LTE FDD频段资源较紧缺，合理的天线部署将对LTE混合网络的覆盖、容量等有重要意义和价值[4]。

本文首先对TD-LTE和LTE FDD系统的覆盖能力进行分析对比，结合目前整体的站址情况，给出适合当前形势的站址选择原则；然后分析LTE系统采用多天线技术的可行性，结合实验网测试数据，总结出LTE系统混合组网中天线设计方案；最后根据已得出的天线部署方案策略，在现有网络数据热点区域进行网络仿真验证。

2 LTE系统多天线覆盖性能对比分析

2.1 多天线技术

在LTE网络的规划和建设中，合理利用多天线技术、科学地进行设备选型在很大程度上决定着网络的容量、覆盖性能等。目前，从LTE设备的发展情况以及相关技术和案例来看，多天线技术的发展情况大致如下：

（1）2T2R天线：发展最成熟、稳定，已经在全球部署LTE网络的国家和地区得到了大规模的应用。

（2）2T4R天线：发展成熟、稳定，国内运营商已经在现有LTE网络中大量应用。

（3）2T8R天线：已逐步完善，但主要是基于2T2R或2T4R天线设备进行组合拼接，已在TD-LTE网络中开始大量应用，LTE FDD网络还处于实验网测试验证阶段。

对于LTE系统的上述3种多天线技术应用方案，下行链路一般采用2天线方案，多天线方案主要区别在于上行链路接收天线数量，有上行2天线、4天线、8天线的不同方案。本文对LTE多天线技术部署策略分析主要集中在上行链路，目前2T2R天线系统是LTE网络主流应用方案，而2T4R天线、2T8R天线可认为是LTE系统上行链路多天线技术的增强方案。

2.2 性能对比分析

多天线技术已在LTE系统组网过程中广泛应用，结合收发分集、多用户MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）以及波束赋形等关键技术，可进一步大幅度提升网络覆盖性能。在文献[5]中已描述了2T2R天线和2T4R天线上行接收性能的差异，二者的最大辐射功率相差3dB左右。此外，3GPP在LTE R9中也对2T8R天线上行链路接收性能进行了评估，2T8R天线与2T2R天线二者的最大辐射功率相差6dB左右，前期实验网的测量数据中也基本证明了该结论[6]。为进一步分析不同制式LTE系统采用不同模式天线组网时的覆盖性能，在某市密集区域进行现场数据测试。

通过上行链路预算公式计算可证明LTE系统的上行覆盖能力较CDMA2000系统、WCDMA系统和GSM系统弱，但1.8GHz、2.1GHz LTE FDD系统与TD-LTE系统及现网2G、3G系统共站址建设是可行的。

上行链路预算公式[7]：

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

其中，各项参数含义如表1所示：

（1）上行覆盖能力测试

通过室外随机抽样测试，对TD-LTE、LTE FDD采用不同上行接收天线数的覆盖情况进行对比分析，其中TD-LTE系统采用上下行2：2的时隙配比，且下行空载、上行不加载。现场测试数据结果如表2所示。

根据现场测试数据分析，当上行天线数量相同、在同一频段内时，LTE FDD覆盖范围较TD-LTE广，适合基层网络覆盖；当TD-LTE采用2.6GHz频段组网且天线系统采用4天线、8天线时，TD-LTE上行业务速率总体较LTE FDD高。在严格考虑干扰隔离的情况下，可以与3G网络共站址部署，TD-LTE和LTE FDD协同部署以达到较好的上行覆盖效果。

（2）多天线LTE系统吞吐量测试

在同一测试区域采取定点测试不同天线情况下LTE基站的单用户吞吐量，基站上、下行采用默认加载设置（TD-LTE系统配置20MHz带宽、上下行2：2的时隙配比；LTE FDD系统配置上下行对称带宽10MHz），干扰情况忽略。具体测试结果如表3所示：

由表3的测试结果可知，当系统均采用2天线时，同频段、相同覆盖距离，LTE FDD单用户吞吐量均较TD-LTE高；当均采用4天线时，同频段、相同覆盖距离，TD-LTE单用户吞吐量均较LTE FDD高，尤其是2.6GHz频段TD-LTE系统。目前LTE FDD系统还未部署8天线，测试区域只针对TD-LTE进行8天线时的吞吐量测量，无对比数据。

总而言之，从性能角度对比，4天线、8天线在吞吐量和上行覆盖方面相比2天线都具有明显的优势。如何合理地将多天线应用到LTE混合组网中将是未来运营商的重要切入点。

3 LTE混合组网中多天线技术应用分析

综合现有天线系统的相关性能及LTE基站设备厂商的支持、开源情况，分析目前国内运营商所处的境地，合理利用多天线技术无论是从成本、效益还是性能等方面都会有重要意义。下面将从运营商开辟新站址、多天线应用场景等方面开展论述。

3.1 开辟新站址建议

目前开辟新站点的可能性很小，尤其是城区密集区域，物业协调困难，很多现有站址上都已经建设三家运营商的多个制式网络，天线系统安装空间已严重不足。同时，LTE网络相比2G、3G网络对信号质量更为敏感，对提升覆盖、容量性能的需求很迫切，未来LTE网络建设思路应从传统注重场强的思路向注重信号质量转变，使得对天线部署方案的设计更为精准[8]。

通过现场勘查，结合所选LTE系统天线性能参数，根据覆盖需求和站址资源合理部署天面系统对后期网络覆盖有很大帮助。建议在符合干扰隔离度等条件下，共用现有2G、3G系统存量站址资源按需部署天线系统。同时，对覆盖区域及潜在客户进行需求调研，结合运营商网管中心上传的该区域的语音业务、数据业务分布情况，初步确定系统设备选型、天线辐射角度及天线系统建设方式，尽可能采取垂直隔离方式分层部署网络；避免不同制式的天线系统斜射、大角度对射，以降低干扰损耗[9]。

3.2 多天线技术应用场景选型分析

在实际网络建设中，应根据站址现场勘查情况灵活部署天线系统。根据上述情况，建议采取以下应用场景：

场景一：单独部署LTE系统天线，可与具备独立安装天线的现有基站共站或独立新建LTE基站。天线类型推荐选用1.8GHz或2.1GHz宽频双极化定向天线（2端口或4端口），天线端口数可根据实际需求决定。以三扇区基站为例，2端口天线需布放6根馈缆，4端口天线需布放12根馈缆。安装形式可共用已有塔桅安装或新建塔桅安装，同时考虑承重和风荷要求。主设备优先选择分布式基站设备，如果条件允许，也可选用宏基站设备。

该方案的优点是便于LTE系统后期的网络维护和优化以及保证LTE网络性能、后期的升级改造，而且不会对现网的正常运行产生影响。

场景二：与现有基站共站建设，且缺少空余天面空间独立部署LTE系统天线。天线类型推荐选用2.1GHz或2.6GHz宽频双极化多模定向天线（4端口、6端口或8端口），天线端口数可根据实际需求决定。部署天线系统时需利用该多模天线替换掉原有2G或3G天线，利旧原有塔桅安装，同时考虑承重和风荷要求。主设备优先选择分布式基站设备，如果条件允许，也可选用宏基站设备，需注意天线端口数的对应。

该方案的优点是可以更好地利用紧张的天面资源，通过多天线、波束赋形等技术显著提升系统容量、平均吞吐量等；缺点是施工时会中断原有网络的运行，后期网络维护优化时不可以独立调试单一制式网络的天线角度及其他参数。

目前大部分天线系统的具体参数如表4、表5所示：

综上所述，4天线、8天线尺寸和重量均比较大，这对施工会增加一定的难度，但是4天线、8天线在LTE网络中应用会使吞吐量和覆盖质量显著提高，而且使用多端口多模宽频天线还会节省天面空间，非常适用于天面难开辟或站址资源紧缺的市区密集区域场景，合理利用该技术将会对实现LTE网络连续、高质量覆盖有很大帮助。2天线产品对于天面要求低、馈线少且易于安装，因此可主要在部分实施受限的场景使用，如天面受限站点、物业和居民对大面板天线反感较大难以实施的站点、街道站、高速公路站点、补盲站点等。下面将就上述多天线应用场景进行覆盖仿真分析。

4 覆盖能力仿真结果分析

考虑到多天线技术应用的成熟度以及上述多天线技术应用场景，在现有2G、3G网络站点的数据热点区域进行TD-LTE与LTE FDD系统混合组网站点规划，在此基础上进行公共信道的覆盖性能仿真，其主要参数如表6所示。

规划仿真结果如图1所示。由仿真结果可以看出，RSRP（Reference Signal Receiving Power，参考信号接收功率）>-110dBm的比例占到90%以上，RSRP> -100dBm的比例达到65%以上，规划区域RSRP平均值为-110dBm以上，基本达到工程标准。在实际组网建设过程中，通过科学的基站设备选型、天线部署以及后期详细的网络优化可以达到更好的覆盖效果。

5 结束语

不同于以往传统的2G、3G通信系统，LTE系统可采用多天线、波束赋形等关键技术提升系统的综合性能，而且相比2G、3G系统，LTE系统对信号质量更敏感，对提升系统覆盖性能、容量性能、数据速率等的需求非常迫切。这些都说明未来的LTE网络建设思路应从传统的注重场强的思路向注重信号质量转变，使得对天线部署方案的设计更为精准。同时，未来物业的要求、多系统长期共存的性能需求都需要改变过去传统的天线系统部署策略，需要利用LTE系统的多天线、波束赋形等天线增强技术提出更加精细化、更加适合提升LTE混合组网系统性能的天线系统部署方案[10]。

参考文献：

[1] 王映民，孙韶辉，王可，等. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.

[2] Erik Dahlman， Stefan Parkvall， Johan Skold. 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband[M]. UK： Southeast University Press， 2011.

[3] 李晓莺. FDD与TDD完美融合 构建面向未来的优质LTE网络[J]. 通信世界， 2013（30）： 33.

[4] 高頔. LTE-FDD与LTE-TDD混合组网研究[J]. 电信技术， 2014（6）： 66-68.

[5] 3GPP TS 36.104. 3rd Generation Partnership Project； Technical Specification Group Radio Access Network； Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Base Station （BS） radio transmission and reception[S]. 2009.

[6] 陈建刚. LTE-FDD多天线部署策略浅析[J]. 电信网技术， 2013（8）： 57-61.

[7] 程鸿雁，朱晨鸣，王太峰，等. LTE FDD网络规划与设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2013.

[8] 蓝万顺. 基于TD-LTE多天线技术的精细化天面设计方案研究[J]. 通讯世界， 2014（16）： 23-24.

[9] 张忠皓. TD-LTE和LTE FDD融合组网天馈部署策略研究[J]. 邮电设计技术， 2014（7）： 62-66.

[10] 徐晖，艾明，等. LTE网络融合技术[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2014.