TD—LTE網(wǎng)絡(luò)2/8天線性能對比研究

符新 王洪梅 張立武

【摘要】 本文基于移動(dòng)通信中的多天線技術(shù)，尤其是LTE系統(tǒng)的MIMO傳輸模式進(jìn)行分析，并對2/8天線性能對比研究，對未來部署2/8天線提出相應(yīng)的建議。

【關(guān)鍵詞】 LTE MIMO 2/8天線

TD-LTE系統(tǒng)中采用了多天線技術(shù)：在上行鏈路，多天線接收技術(shù)包括上行傳輸天線選擇（TSTD）和MU-MIMO；在下行鏈路，包括傳輸分集（SFBC， SFBC+FSTD，閉環(huán)Rank1預(yù)編碼）、 空間復(fù)用（開環(huán)空間復(fù)用、閉環(huán)空間復(fù)用以及MU-MIMO）。

MIMO即Multiple Input and Multiple Output，它利用多個(gè)發(fā)射天線、多個(gè)接收天線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)并行傳輸；MIMO適用于多散射體的無線環(huán)境，在這種環(huán)境下，來自每個(gè)發(fā)射天線的信號在每個(gè)接收天線中是不相關(guān)的，在接收機(jī)端利用這種不相關(guān)性對多個(gè)天線發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分離和檢測。即通過一系列復(fù)雜的發(fā)送接收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的提升。相比于傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)中對多徑效應(yīng)采取克服和避免的方法，在多天線（MIMO）系統(tǒng)中，多徑效應(yīng)變成了一個(gè)有利因素并被加以利用。（圖1）

在MIMO系統(tǒng)中，當(dāng)各天線相互獨(dú)立時(shí)，較單天線系統(tǒng)可以顯著提高信道容量。增加的信道容量一方面可以用來提高信息傳輸速率，另一方面也可以通過增加信息冗余度來提高系統(tǒng)的傳輸可靠性，或者在兩者之間得一個(gè)合理的折中。MIMO的主要技術(shù)分為空間復(fù)用和分集?？臻g復(fù)用提高頻譜利用率，使系統(tǒng)在一定的頻帶內(nèi)獲得更高的數(shù)據(jù)速率，而分集技術(shù)可以提高系統(tǒng)的傳輸可靠性，降低接收機(jī)靈敏度，從而提高系統(tǒng)容量和小區(qū)覆蓋半徑。

當(dāng)采用MIMO技術(shù)時(shí)，在高SNR情況下，MIMO提供比非MIMO情況高的比特速率；當(dāng)?shù)蚐NR情況下，MIMO作為基本的空間分集技術(shù)使用。見圖2。

一、MIMO技術(shù)的分類

1.1從MIMO的效果分類

傳輸分集（Transmit Diversity）：利用空間信道的弱相關(guān)性，結(jié)合時(shí)間、頻率上的選擇性，發(fā)射或接收一個(gè)數(shù)據(jù)流，避免單個(gè)信道衰落對整個(gè)鏈路的影響。

空間復(fù)用（Spatial Multiplexing）：利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關(guān)性，向一個(gè)終端/基站并行發(fā)射多個(gè)數(shù)據(jù)流，以提高鏈路容量（峰值速率）。

波束賦行（Beamforming）：利用較小間距的天線陣元之間的相關(guān)性，通過陣元發(fā)射的波之間形成干涉，集中能量于某個(gè)（或某些）特定方向上，形成波束，從而實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋和干擾抑制效果。

空分多址（SDMA）：利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關(guān)性，向多個(gè)終端并向發(fā)射數(shù)據(jù)流，或從多個(gè)終端并行接收數(shù)據(jù)流，以提高用戶容量。

四種技術(shù)對應(yīng)空間信道的要求不同，低信噪比區(qū)域斜率較大，傳輸分集和波束賦形可以有效提高信噪比，從而提高容量和覆蓋范圍；高信噪比區(qū)域，容量曲線比較平坦，提高信燥比意義不大，應(yīng)用空間復(fù)用技術(shù)來提高傳輸速率。

1.2從是否在發(fā)射端有信道先驗(yàn)信息分

閉環(huán)（Close-Loop）MIMO：通過反饋或信道互異性得到信道先驗(yàn)信息

開環(huán)（Open-Loop）MIMO：沒有信道先驗(yàn)信息

二、傳輸模式的分類

在3GPP的R8版本中，TD-LTE系統(tǒng)基本的MIMO配置是：下行天線支持2×2，即2天線發(fā)送2天線接收，上行天線支持1×2，即1天線發(fā)送2天線接收。TD-LTE系統(tǒng)中的多天線技術(shù)主要有發(fā)射分集、碼字和層映射、預(yù)編碼、波束賦形等技術(shù)。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中TD-LTE的多天線發(fā)送方式可以根據(jù)信道情況從規(guī)定的8種天線傳輸模式中選擇。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的8種天線傳輸模式如表1所示。

傳輸模式是針對單個(gè)終端的，同小區(qū)不同終端可以有不同傳輸模式。eNB自行決定某一時(shí)刻對某一終端采用什么傳輸模式，并通過RRC信令通知終端。模式3和模式8中均含有單流發(fā)射，當(dāng)信道質(zhì)量快速惡化時(shí)，eNB可以快速切換到模式內(nèi)發(fā)射分集或單流波束賦形模式。

三、2/8天線混合組網(wǎng)研究

2天線和8天線是TD-LTE網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的2種選擇。從理論分析來看，2/8天線各有優(yōu)勢，分別適合不同的應(yīng)用場景。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，往往不會(huì)只存在一種天線模式。由于工程難度，有一定比例站點(diǎn)只能選用2通道天線，因此，現(xiàn)網(wǎng)的實(shí)際情況往往是2天線和8天線混合模式。本項(xiàng)目將從以下幾個(gè)方面來研究TD-LTE在2通道天線和8通道天線混合組網(wǎng)情況下的簇優(yōu)化原則和性能分析：

2通道天線和8通道天線在無線特性上是有差異的，這些差異來自于：

（1）天線絕對增益的差異，相同尺寸2通道天線和8通道天線存在增益的絕對差異，天線的增益差會(huì)同時(shí)反應(yīng)到下行和上行。一般對比情況如下：

（2）在上行方向上，由于8通道天線存在多路分集，因此會(huì)額外有4.5-6dB的增益，這樣對于8通道天線小區(qū)來講，上行的增益會(huì)比較明顯。8通道天線在數(shù)據(jù)信道上有理論上4-5dB的波束賦型增益，但在實(shí)際中是否能完全得到該增益也需要和現(xiàn)場情況結(jié)合。例如：UE根據(jù)CRS上報(bào)CQI，但CRS并沒有賦型增益。

（3）8通道天線的下行控制信道并沒有賦型增益，存在差異。

從組網(wǎng)上看，2/8天線混合組網(wǎng)是可以分為隨機(jī)插花的方式和連續(xù)成片的方式，見圖3。

因?yàn)?通道天線和8通道天線存在不同的無線特性，所以簇優(yōu)化時(shí)需要基于1對1的2/8鄰區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，比如基于鄰區(qū)的CIO參數(shù)，以及結(jié)合CIO進(jìn)行微調(diào)的小區(qū)級參數(shù)a3offset。以上圖為例，隨機(jī)插花相對于小區(qū)連片就存在以下兩方面復(fù)雜性的差異：

（1）鄰區(qū)的類型更為多樣，對于采用連續(xù)成片組網(wǎng)方式的簇，簇內(nèi)只存在純2鄰區(qū)、純8鄰區(qū)和2/8混合鄰區(qū)三種鄰區(qū)類型。但采用隨機(jī)插花組網(wǎng)方式的簇就存在純2鄰區(qū)、純8鄰區(qū)、2/8混合鄰區(qū)、2面向全8的鄰區(qū)和8面向全2的鄰區(qū)這五種鄰區(qū)類型。給多的鄰區(qū)類型帶來更為復(fù)雜的優(yōu)化難度，如優(yōu)化a3offset的難度更大。

（2）1對1的2/8鄰區(qū)數(shù)量更多，對于采用連續(xù)成片組網(wǎng)方式的簇，簇內(nèi)有11個(gè)1對1的2/8鄰區(qū)。但采用隨機(jī)插花組網(wǎng)方式的簇就存在41個(gè)1對1的2/8鄰區(qū)。更多的鄰區(qū)數(shù)量帶來更多的工作量，如有更多的CIO和a3offset需要優(yōu)化。

四、2/8天線混合組網(wǎng)分析結(jié)論

（1）插花場景網(wǎng)絡(luò)性能相比連片場景差，并且優(yōu)化工作量大，建議建網(wǎng)時(shí)優(yōu)選連片場景。

（2）8天線的下行賦形增益在網(wǎng)絡(luò)的邊緣才占優(yōu)勢，而天線增益卻有3dB左右的損失，從測試結(jié)果來看，下行方向上2通道天線中值明顯高于8通道，邊緣值持平。上行方向上8通道天線中值和2通道持平，邊緣值由于接收分集的存在，占有優(yōu)勢。這種特性在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化中需要考慮。

（3）在連片和插花場景通過調(diào)整切換參數(shù)a3offset/CIO，充分發(fā)揮8天線在邊界區(qū)域的下行賦行增益、上行分集增益及覆蓋較好時(shí)的F2天線增益，優(yōu)化2天線和8天線的小區(qū)邊界，使切換前后的性能達(dá)到最優(yōu)。

連片場景：由于邊界小區(qū)的鄰區(qū)既有F2小區(qū)又有F8小區(qū)，所以只能通過調(diào)整CIO進(jìn)行優(yōu)化，如果邊界區(qū)域覆蓋差，需要提高CIO降低F2切換到F8的門限，降低CIO提高F8切換到F2的門限；如果邊界區(qū)域覆蓋較好，需要降低CIO提高F2切換到F8的門限，提高CIO降低F8切換到F2的門限來提高下行速率，反之提高上行速率。

插花場景：可以調(diào)整插花小區(qū)的a3offset（同站鄰區(qū)通過CIO彌補(bǔ)）和CIO相結(jié)合的方法達(dá)到和連片場景同樣的效果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] TD-LTE網(wǎng)絡(luò)2天線和8天線性能對比研究，胡兵，江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，中國新通信雜志.

[2] TD-LTE 2天線與8天線對比分析，鄭毅 王飛姜 大潔 王啟星 金婧 胡臻平 劉光毅，中國移動(dòng)通信研究院無線技術(shù)研究所，移動(dòng)通信雜志.

[3] TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，王映民 孫韶輝等，人民郵電出版社.