TD-LTE天線HBW在典型場(chǎng)景下的仿真評(píng)估

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

1 引言

隨著移動(dòng)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，數(shù)據(jù)流量將呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，為提升中移動(dòng)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)力，如何通過(guò)天線和網(wǎng)絡(luò)的配合實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能，尤其是提升吞吐量，對(duì)天線的設(shè)計(jì)和發(fā)展提出了一系列的挑戰(zhàn)。

信號(hào)接收電平（RSRP）和小區(qū)平均吞吐量（CAT）指標(biāo)是TD-LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃最重要的指標(biāo)。RSRP代表網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的強(qiáng)度，體現(xiàn)了可接入性；CAT代表網(wǎng)絡(luò)的容量，意味著數(shù)據(jù)傳輸能力的強(qiáng)弱，可以說(shuō)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)性能與RSRP、CAT息息相關(guān)。

本文從網(wǎng)絡(luò)性能的角度，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)仿真評(píng)估，以RSRP、CAT為網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，給出TD-LTE系統(tǒng)天線水平波束寬度（HBW）在密集城區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)及農(nóng)村等場(chǎng)景下的應(yīng)用建議。

2 網(wǎng)規(guī)仿真

2.1 天線模型

水平波束寬度（HBW）天線模型的水平方向圖按照3GPP 25.966的方式生成，即：

2.2 仿真場(chǎng)景

本文采用TD-LTE網(wǎng)規(guī)仿真，仿真參數(shù)參考中移動(dòng)TD-LTE擴(kuò)大規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)系統(tǒng)仿真參數(shù)，部分參數(shù)如下：

* 站間距（m）：300/500/1 732；

* 天線掛高（m）：25/25/35；

* 建筑物穿透損耗（dBm）：20/20/12；

* 傳播模型: Cost-Hata HW。

2.3 HBW仿真結(jié)果及評(píng)估

2.3.1 不同站間距的仿真結(jié)果

根據(jù)不同站間距(ISD)仿真結(jié)果，不同HBW在不同傾角下對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響（包括站間距300 m、500 m、1732 m）如圖 1和圖 2所示。

(1) 根據(jù)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)工參的統(tǒng)計(jì)，站間距為300 m、500 m時(shí)，對(duì)應(yīng)密集城區(qū)、一般城區(qū)場(chǎng)景，根據(jù)不同站間距在最優(yōu)傾角下的性能對(duì)比，最優(yōu)HBW均集中在50°～ 60°；

(2) 站間距為1732 m時(shí)，對(duì)應(yīng)郊區(qū)、農(nóng)村場(chǎng)景，以現(xiàn)有數(shù)據(jù)（HBW=45°～90°），90°最優(yōu)，但鑒于90°時(shí)拐點(diǎn)并未出現(xiàn)，因而需要繼續(xù)分析。

2.3.2 密集城區(qū)、一般城區(qū)場(chǎng)景的仿真評(píng)估

通過(guò)第一階段的仿真評(píng)估，密集城區(qū)和一般城區(qū)場(chǎng)景下最優(yōu)HBW均集中在50°～60°之間，故第二階段將此范圍內(nèi)HBW進(jìn)一步細(xì)化，以便找到更準(zhǔn)確的最優(yōu)HBW。

容量分析：對(duì)比不同HBW在各自最優(yōu)傾角下對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，以最優(yōu)HBW容量為基線，不同HBW在最優(yōu)傾角下的容量增益參考圖 3。

通過(guò)上述的評(píng)估結(jié)果：

(1) 在不同的站間距下，最優(yōu)HBW有所不同：

*ISD=300 m，對(duì)應(yīng)密集城區(qū)場(chǎng)景，最優(yōu)HBW=53°；

圖1 不同HBW，不同傾角對(duì)小區(qū)平均吞吐量（CAT）(Mbit/s）的影響

圖2 不同HBW，不同傾角對(duì)邊緣接收信號(hào)強(qiáng)度（eRSRP）(dBm)的影響

圖3 不同HBW在最優(yōu)傾角下的容量增益

*ISD=500 m，對(duì)應(yīng)一般城區(qū)場(chǎng)景，最優(yōu)HBW=55°。

(2) 以最優(yōu)HBW容量為基線：

*ISD=300 m，HBW=50°～ 56°，CAT相 差<0.5%；

*ISD=500 m，HBW=52°～ 58°，CAT相 差<0.5%。

覆蓋分析：對(duì)比不同HBW在各自最優(yōu)傾角下對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，以最優(yōu)HBW覆蓋為基線，不同HBW在最優(yōu)傾角下的覆蓋增益參考圖4。

圖4 不同HBW在最優(yōu)傾角下的eRSRP增益

通過(guò)上述的評(píng)估結(jié)果：

(1) 最優(yōu)傾角下，HBW越大，eRSRP越大；

(2) 以最優(yōu)HBW的eRSRP為基線，其它HBW的eRSRP相差<1 dB。

2.3.3 郊區(qū)、農(nóng)村場(chǎng)景的仿真評(píng)估

通過(guò)第一階段的仿真評(píng)估，對(duì)于站間距為1732 m時(shí)，從45°～90°，容量一直在提升，沒(méi)有出現(xiàn)拐點(diǎn)。為了得出評(píng)估結(jié)論，第二階段將HBW的角度范圍調(diào)整為 70°～ 120°。

覆蓋分析：對(duì)比不同HBW在各自最優(yōu)傾角下對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，以最優(yōu)HBW覆蓋為基線，不同HBW在最優(yōu)傾角下的覆蓋增益參考圖5。

圖5 不同HBW在最優(yōu)傾角下的eRSRP(dBm）及增益

通過(guò)上述的評(píng)估結(jié)果：

(1)ISD=1732 m，對(duì)應(yīng)郊區(qū)、農(nóng)村場(chǎng)景，HBW=100°時(shí)，eRSRP最優(yōu)，即最優(yōu)HBW為100°；

(2) 以最優(yōu)HBW的eRSRP為基線，ISD=1732 m時(shí)，HBW=70°～120°，eRSRP相差<0.3 dB。

容量分析：對(duì)比不同HBW在各自最優(yōu)下傾角下對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，以最優(yōu)HBW容量為基線，不同HBW在最優(yōu)傾角下的容量增益參考圖6。

圖 6 不同HBW在最優(yōu)傾角下的CAT(Mbit/s)及增益

通過(guò)上述的評(píng)估結(jié)果：ISD=1 732 m，HBW=70°～120°，CAT隨著HBW的增大而明顯減小。在以覆蓋為主要指標(biāo)且保證容量不過(guò)差的情況下，可適當(dāng)將HBW減小。

3 初步結(jié)論及應(yīng)用建議

3.1 初步結(jié)論

3.1.1 各種典型場(chǎng)景下的最優(yōu)HBW

不同站間距在最優(yōu)傾角下的最優(yōu)HBW不同，其中密集城區(qū)、一般城區(qū)場(chǎng)景均以容量為主要指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，郊區(qū)、農(nóng)村場(chǎng)景以覆蓋為主要指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估：

(1) ISD=300 m時(shí)，對(duì)應(yīng)密集城區(qū)場(chǎng)景，最優(yōu)HBW=53°；

(2) ISD=500 m時(shí)，對(duì)應(yīng)一般城區(qū)場(chǎng)景，最優(yōu)HBW=55°；

(3) ISD=1 732 m時(shí)，對(duì)應(yīng)郊區(qū)、農(nóng)村場(chǎng)景，最優(yōu)HBW=100°。

3.1.2 HBW偏離最優(yōu)值時(shí)網(wǎng)絡(luò)惡化情況

(1) 密集城區(qū)、一般城區(qū)場(chǎng)景，HBW偏離最優(yōu)值：

* ±3°以內(nèi)時(shí)，CAT惡化＜0.5%，eRSRP波動(dòng)＜1 dB；

* ±5°以內(nèi)時(shí)，CAT惡化＜2.0%，eRSRP波動(dòng)＜1 dB；

* ±10°以內(nèi)時(shí)，CAT惡化＜7%，eRSRP波動(dòng)＜2 dB。

(2) 郊區(qū)&農(nóng)村場(chǎng)景，當(dāng)HBW=90°～100°，既保證了eRSRP又提升了系統(tǒng)的容量。

3.2 應(yīng)用建議

對(duì)于密集城區(qū)、一般城區(qū)場(chǎng)景，TD-LTE系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先滿足容量需求，同時(shí)兼顧覆蓋需求。最優(yōu)HBW附近，在容量上有拐點(diǎn)，而覆蓋單調(diào)上升，因此取值范圍不宜以最優(yōu)容量點(diǎn)為中心，而應(yīng)偏向大于最優(yōu)值方向。TDLTE天線HBW推薦范圍：56°～66°，相對(duì)于傳統(tǒng)觀念城區(qū)HBW以65°為中心有一定的差別。

對(duì)于郊區(qū)和農(nóng)村場(chǎng)景，用戶對(duì)于流量的需求相對(duì)較小，因而覆蓋是衡量網(wǎng)絡(luò)的重要參數(shù)。最優(yōu)HBW附近，在覆蓋上有拐點(diǎn)，而容量單調(diào)下降，因此取值范圍不宜以最優(yōu)覆蓋點(diǎn)為中心，而應(yīng)偏向小于最優(yōu)值方向。TDLTE天線HBW推薦范圍：87°～97°，相對(duì)于傳統(tǒng)觀念郊區(qū)、農(nóng)村HBW選90°或以上有小幅的偏差。

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