3G網(wǎng)絡(luò)2T4R覆蓋增強技術(shù)研究

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

1 引言

目前運營商3G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的建設(shè)已基本實現(xiàn)了重點城市、縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的連續(xù)覆蓋。但是，在部分地區(qū)尤其是農(nóng)村地區(qū)，3G網(wǎng)絡(luò)仍然存在覆蓋深度不足的問題，這嚴重影響了業(yè)務(wù)質(zhì)量。如何便捷高效地提升農(nóng)村覆蓋效果，改善用戶體驗是亟待解決的問題。為了提高3G基站的覆蓋能力，改善用戶體驗，考慮引入2T4R（2 Transmit 4 Receive，即基站下行2天線發(fā)射，上行4天線接收）技術(shù)解決部分農(nóng)村地區(qū)存在無覆蓋、弱覆蓋、覆蓋不連續(xù)的現(xiàn)象，相比現(xiàn)網(wǎng)中傳統(tǒng)的1T2R，2T4R能夠獲得更好的發(fā)射/接收增益，提升覆蓋效果。本文通過對2T4R技術(shù)深度覆蓋能力及效果的驗證結(jié)果進行分析，研究在不同區(qū)域不同設(shè)備配置下2T4R的覆蓋性能，并與傳統(tǒng)的1T2R技術(shù)進行覆蓋效果的對比，總結(jié)2T4R技術(shù)的增益效果，給出網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的應(yīng)用意見。

2 2T4R技術(shù)原理

隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷加快、移動用戶的飛速增加，在大中城市地區(qū)已經(jīng)基本可以做到無縫覆蓋，但在農(nóng)村地方由于用戶密度小，初期的基站建設(shè)僅僅實現(xiàn)了基本覆蓋。隨著移動資費的降低，鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村等地區(qū)的用戶數(shù)也在快速提升，話務(wù)量也在快速增長，部分地區(qū)由于距離基站過遠，加之建筑墻體和樹木等遮擋物造成的路徑損耗，導(dǎo)致了弱覆蓋。另外，有些基站由于基站擴容時合路方式發(fā)生變化帶來的插損也會造成部分地區(qū)的弱覆蓋，出現(xiàn)信號覆蓋不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)速率較低、呼叫失敗、掉話、話音質(zhì)量差等問題。

為了提高3G基站的覆蓋能力，解決農(nóng)村地區(qū)的弱覆蓋問題，目前可以采用RRU（Remote Radio Unit，射頻拉遠單元）拉遠、提高發(fā)射功率、升級到2T4R等方法[1]。本文將重點介紹2T4R技術(shù)。

目前3G現(xiàn)網(wǎng)中基站天線一般是按照1T2R建設(shè)的，2T4R技術(shù)就是在現(xiàn)有1T2R基礎(chǔ)上增加1路發(fā)射和2路接收。2T4R增強技術(shù)本質(zhì)上屬于MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出）技術(shù)，包含多個發(fā)射天線和接收天線的MIMO系統(tǒng)可以獲得比單天線系統(tǒng)高得多的頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率[2]。

在非相關(guān)衰落信道下，MIMO系統(tǒng)都可等效地看成min(Nt,Nr)個并行單天線系統(tǒng)的疊加，其信道容量隨信噪比線性增加，是單天線系統(tǒng)信道容量的min(Nt,Nr)倍。Nt為發(fā)射天線數(shù)量，Nr為接收天線數(shù)量。

系統(tǒng)的傳輸速率必定不會大于信道容量，所以可以假設(shè)MIMO系統(tǒng)的傳輸速率為：

其中l(wèi)og2(1+SNR)是單天線系統(tǒng)的最大傳輸速率，而MIMO系統(tǒng)的空間復(fù)用增益r即為能夠得到的傳輸速率與SISO（Single Input Single Output，單輸入單輸出）系統(tǒng)的最大傳輸速率log2(1+SNR)的比值，即：

M I M O系統(tǒng)能夠得到的最大空間復(fù)用增益為min(Nt,Nr)[3]。

通過以上分析可以看出，傳統(tǒng)的1T2R并沒有帶來容量的提升，而2T4R系統(tǒng)可以帶來復(fù)用增益，成倍地增加系統(tǒng)容量。另外，和傳統(tǒng)的1T2R相比較，理論上2T4R在下行和上行也可以獲得每副天線3dB的設(shè)備增益[4]，更好地對抗多徑衰落，可以降低誤碼率，提高上行速率，擴大覆蓋范圍，顯著提高邊緣地區(qū)的用戶體驗。

3 2T4R性能分析

通過選取農(nóng)村不同的典型場景，通過對1T2R和2T4R的覆蓋效果進行對比，分析2T4R技術(shù)帶來的增益。2T4R驗證方案如表1所示：

表1 2T4R驗證方案

表1簡要列出了天線配置、典型的應(yīng)用場景以及驗證的內(nèi)容?；咎炀€的配置主要有4種：1T2R 2×20W、1T2R 2×40W、2T4R 2×20W和2T4R 2×40W。主要從3個方面驗證2T4R的增益效果：

（1）室外覆蓋距離：不同配置下單站的語音業(yè)務(wù)、下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)HSDPA（High Speed Downlink Packet Access，高速下行分組接入技術(shù)）和上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)HSUPA（High Speed Uplink Packet Access，高速上行分組接入技術(shù)）的室外最大覆蓋距離。

（2）室內(nèi)覆蓋：在小區(qū)邊緣室內(nèi)場景并且滿足可進行語音和中低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最低要求下最遠的覆蓋距離。

（3）評估升級到2T4R技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)整體性能的改善。

3.1 典型場景下2T4R增益分析

2T4R的性能分析主要包括密集遮擋的場景和較為空曠的場景這2類典型場景下2T4R的覆蓋效果，以及2T4R對網(wǎng)絡(luò)信號和速率的改善分析。

（1）場景1——密集遮擋場景

該場景模擬了農(nóng)村室外道路兩旁有密集遮擋的情況，主要特點是存在連續(xù)密集的樹木或者建筑物等遮擋物。該場景下站高50m，天線下傾角2°，天線增益18dBi。建筑物的遮擋大約在10dB左右。

圖1給出了4種不同配置下語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的覆蓋距離，其中第1組數(shù)據(jù)表示進行語音業(yè)務(wù)直到RSCP低于-100dBm時的距離；第2、3組數(shù)據(jù)分別代表HSDPA和HSUPA速率為0時的距離?？梢钥闯?T4R的配置能夠提升覆蓋距離，特別是在HSUPA的情況下尤為明顯。進行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時覆蓋距離明顯地受限于上行業(yè)務(wù)。

圖1 場景1室外覆蓋距離

表2給出了不同配置下室內(nèi)外覆蓋的對比。根據(jù)表2的結(jié)果，1T2R站點升級到2T4R（2×20W）后，室外覆蓋距離從1.6km左右擴展到1.91km左右，室外上行覆蓋距離能夠增加大約20%。1T2R的室內(nèi)覆蓋距離為1.26km左右，2T4R可將其擴展到1.88km左右，也可以帶來大約50%的提升。對比1T2R和2T4R室內(nèi)外的覆蓋距離的差值可以明顯看出：2T4R對抗衰落和建筑遮擋的能力更強，能夠有效保證室內(nèi)外的覆蓋效果。

表2 密集遮擋場景4種不同配置下的室內(nèi)外覆蓋對比

（2）場景2——空曠場景

該場景主要是以沒有遮擋的公路、鐵路等場景為代表的相對比較空曠的部署場景。該場景下天線站高以及建筑物的損耗基本與場景1一致?？諘鐖鼍?種不同配置下室內(nèi)外覆蓋對比如表3所示：

表3 空曠場景4種不同配置下的室內(nèi)外覆蓋對比

由表3可以看出，對于空曠場景，2T4R帶來的覆蓋改善效果同樣十分明顯，1T2R室外覆蓋距離約為4.2km左右，改造成2T4R之后，覆蓋范圍擴展到至少5.8km以上，室外上行覆蓋距離增加30%以上。而該場景室內(nèi)覆蓋，1T2R的室內(nèi)覆蓋距離為3km左右，2T4R可擴展到3.7km左右。

（3）全網(wǎng)增益

站點進行2T4R升級改造后，對由2T4R站點組成的整網(wǎng)的深度覆蓋效果的提升進行綜合分析。信號強度的對比如圖2所示：

圖2 信號強度對比

圖2直觀地反映出經(jīng)過2T4R技術(shù)升級后，覆蓋效果得到了明顯的改善。RSCP小于-95dBm的比例，從1T2R 2×20W的31.65%，下降到2T4R 2×20W的21.57%，進一步提升功率到40W后更是下降到6.05%，有效擴大了高質(zhì)量信號所占的區(qū)域。

整網(wǎng)下行/上行平均速率對比如圖3所示。

從圖3能夠看出升級到2T4R之后，下行的平均速率從4900kbps上升到了5600kbps左右，提升了大約15%；上行平均速率也從1370kbps提升至1570kbps左右，提升了15%，這顯著地改善了用戶體驗。

圖3 整網(wǎng)下行/上行平均速率對比

（4）覆蓋規(guī)劃

綜合以上分析，農(nóng)村和郊區(qū)場景下，WCDMA系統(tǒng)一般為上行覆蓋受限，考慮到至少能夠滿足室內(nèi)可進行語音和中低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最低要求，農(nóng)村典型場景的參考覆蓋范圍和站間距參考如表4所示：

表4 農(nóng)村典型場景的1T2R/2T4R覆蓋范圍和站間距

2×20W發(fā)射功率配置的2T4R系統(tǒng)相對于原有的20W發(fā)射功率配置的1T2R系統(tǒng)，室外覆蓋范圍和站間至少也有20%以上的增益。在農(nóng)村目前基站數(shù)量較少或者建設(shè)新站存在困難的場景下，2T4R技術(shù)可以有效地拓展覆蓋距離，利用已有的基站實現(xiàn)更好的覆蓋效果，減少覆蓋盲點，改善用戶體驗，提升系統(tǒng)容量。

4 2T4R改造成本分析

2T4R升級改造方案示意圖如圖4所示。

圖4 2T4R升級改造方案

如圖4所示，在實際的改造中，2T4R是在原有天饋基礎(chǔ)上添加一根雙極化天線或者將原網(wǎng)天線替換為一面四端口天線，還需要在現(xiàn)網(wǎng)基礎(chǔ)上新增一套RRU、光纖連接BBU（Building Baseband Unit，基帶處理單元）至新RRU以及新的天線。若增加天線則新增天線應(yīng)與原有天線型號參數(shù)相同，同時為了避免不必要的損耗，兩副天線的饋線長度應(yīng)該保持一致。因此升級2T4R會帶來天線、RRU等設(shè)備、配套耗材的成本以及一定的人工成本。

圖5給出了4種配置下的耗電對比，升級到2T4R 20W，由于增加了1套RRU和天線，功耗比1T2R 20W增加36%；進一步增加功率到40W，功耗比1T2R 2 0W增加53%。為了達到更好的覆蓋效果，升級2T4R或者進一步增加功率均會帶來一定的耗電成本。

圖5 不同配置耗電對比

5 2T4R技術(shù)應(yīng)用總結(jié)

本節(jié)根據(jù)2T4R技術(shù)帶來的覆蓋增益以及成本的分析結(jié)果給出2T4R技術(shù)的應(yīng)用總結(jié)。2T4R的優(yōu)勢總結(jié)如下：

（1）和1T2R對比來看，2T4R對室外上行覆蓋改善更明顯：密集遮擋場景覆蓋距離增益20%，空曠場景距離增益30%以上。

（2）網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過2T4R改造升級后，RSCP>-95dBm的比例從68%提升到94%，用戶上下行平均速率提高15%。

2T4R可以增強穿透覆蓋能力。針對存在密集遮擋的場景以及室內(nèi)場景，若1T2R站點的覆蓋被阻擋的較為嚴重，可以考慮用2T4R技術(shù)穿透遮擋區(qū)域，提高覆蓋效果，改善信號質(zhì)量，提升業(yè)務(wù)平均速率。2T4R增強的系統(tǒng)容量可以接納更多的語音和數(shù)據(jù)用戶，帶來更多的經(jīng)濟效益。

2T4R技術(shù)需要增加一套射頻系統(tǒng)，對現(xiàn)網(wǎng)改動相對較小，對現(xiàn)有3G終端也沒有額外要求。但需要新的成本支出，包括增加的天線、RRU以及相關(guān)的耗材和人力成本。另外，2T4R還會帶來額外的耗電，增加電力成本。

綜上所述，2T4R技術(shù)很適合用于縣城城區(qū)、郊區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村等典型區(qū)域來解決弱覆蓋或者無覆蓋的問題?？紤]到成本問題，在實際應(yīng)用中可以在弱覆蓋、強干擾等問題較嚴重的地區(qū)，或者建設(shè)新站存在困難的場景下利用已有的站點進行2T4R改造，減少覆蓋漏洞，提升全網(wǎng)的覆蓋水平。

6 結(jié)束語

文章簡要介紹了2T4R的技術(shù)原理，然后在4種不同的配置情況下，對比不同場景下2T4R和1T2R的覆蓋效果。最后總結(jié)了2T4R技術(shù)帶來的覆蓋增益，信號質(zhì)量改善效果和速率的增益。2T4R技術(shù)能夠帶來較為明顯的覆蓋增強，并且改造升級對現(xiàn)網(wǎng)和終端的影響非常小，但是2T4R技術(shù)會帶來一定的改造成本和額外的耗電。針對現(xiàn)網(wǎng)弱覆蓋區(qū)域選擇基站部署2T4R技術(shù)，能夠有效解決鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村深度覆蓋的問題，改善用戶語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗。

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