基于多天線技術的LTE混合組網建設研究

王煥斌，袁泉,2( 重慶郵電大學通信新技術應用研究所，重慶 400065; 2 重慶信科設計有限公司，重慶 400065)

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基于多天線技術的LTE混合組網建設研究

王煥斌1，袁泉1,2
(1 重慶郵電大學通信新技術應用研究所，重慶 400065; 2 重慶信科設計有限公司，重慶 400065)

摘要多天線技術是TD-LTE和LTE FDD系統(tǒng)的關鍵技術，該技術的合理應用將對LTE網絡的建設、后期維護、業(yè)務發(fā)展等具有非常重要的意義。本文將從相關設備性能介紹、鏈路預算、站址選取、具體應用場景、覆蓋仿真等方面對比分析多天線技術在LTE混合組網建設中的應用價值，并針對未來LTE混合組網建設提出建議。

關鍵詞LTE；混合組網；天線系統(tǒng)；多天線技術

1　引言

隨著LTE的商用，目前全球已有124個國家和地區(qū)開通近360張LTE商用網絡，其中312張LTE FDD網絡、31張TD-LTE網絡、17張LTE混合網絡，全球LTE用戶數(shù)已超過3.73億，LTE已進入快速發(fā)展期。在中國，分配給LTE FDD的頻段資源較少，分配給TD-LTE的頻段資源較豐富，而LTE FDD上下行必須使用對稱頻段資源，所以能夠供給LTE FDD使用的頻段資源非常緊張，加之目前2G/3G系統(tǒng)在未來較長一段時間不會退出市場，其所使用頻段資源暫無法遷移到LTE系統(tǒng)。

此外，LTE系統(tǒng)結合多天線、OFDM、波束成形等多種關鍵技術，使自身系統(tǒng)的傳輸效率和相關性能有很大提升[1]。而且與LTE FDD相比，TD-LTE上下行鏈路可以使用非對稱的頻段資源，可以更好地支持非對稱數(shù)據(jù)業(yè)務，頻段資源較充足，是數(shù)據(jù)業(yè)務熱點區(qū)域連續(xù)覆蓋的最佳選擇[2，3]。

截至當前，僅中國移動一家運營商已在全國范圍內建設30萬左右座4G基站，LTE設備已經成熟，組網技術及組網方案也已大規(guī)模應用，但考慮到LTE FDD系統(tǒng)頻段資源較緊缺的現(xiàn)狀，合理的天線部署方案將會對未來LTE混合網絡的覆蓋性能、容量性能等有重要的意義和價值[4]。本文將通過分析LTE多天線技術的相關性能及組網應用，提出對未來運營商進行LTE混合組網有一定指導意義的相關建設方案，并通過覆蓋仿真進行驗證。

2　LTE系統(tǒng)多天線覆蓋性能室外測試對比

2.1多天線技術工程應用情況

在LTE網絡的規(guī)劃和建設中，合理利用多天線技術、科學地進行設備選型會在很大程度上決定著網絡的容量性能、覆蓋性能等。目前，從LTE設備廠家的發(fā)展情況以及相關技術和案例的應用情況來看，多天線技術的發(fā)展情況大致如下。

(1) 2T2R（2 Transmit 2 Receive， 2發(fā)2收）天線設備：發(fā)展最成熟和穩(wěn)定，已在全球得到大規(guī)模應用。

(2) 2T4R（2 Transmit 4 Receive， 2發(fā)4收）天線設備：發(fā)展成熟、穩(wěn)定，國內運營商已經大量應用。

(3) 2T8R（2 Transmit 8 Receive， 2發(fā)8收）天線設備：已逐步完善，但主要是基于2T2R或2T4R天線設備進行組合拼接，已在TD-LTE網絡中開始大量應用，LTE FDD網絡還處于實驗網測試驗證階段。

目前情況，對于LTE系統(tǒng)的上述3種多天線技術應用方案，下行鏈路一般都采用兩天線方案，多天線方案主要區(qū)別在于上行鏈路接收天線數(shù)量的不同。

2.2室外隨機測試對比分析

多天線技術已在LTE組網中廣泛應用，結合收發(fā)分集、多用戶MIMO以及波束成形等關鍵技術，可進一步大幅度提升網絡的覆蓋性能。在文獻[5]中已描述了2T2R和2T4R天線的上行接收性能的差異，二者的最大輻射功率相差3dB左右[5]。此外，3GPP在LTE R9中也對2T8R天線上行鏈路接收性能進行了評估，2T8R天線與2T2R天線二者的最大輻射功率相差6 dB左右，在前期實驗網的測量數(shù)據(jù)中也基本證明該結論[6]。

通過上行鏈路預算可知LTE系統(tǒng)上行覆蓋能力較弱，覆蓋范圍較小，但1.8 GHz、2.1 GHz LTE FDD 與TD-LTE及現(xiàn)網2G/3G系統(tǒng)共站址建設是可行的。上行鏈路預算公式[7]：

其中各項參數(shù)含義如表1所示。

為進一步分析LTE系統(tǒng)采用不同模式的天線組網時的網絡覆蓋性能，并能夠對LTE混合組網提供參考建議，主要針對上行覆蓋能力及吞吐量進行某市某密集區(qū)域室外隨機測試，測試結果如表2所示。

結合鏈路預算及現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析，當采用相近頻段、相同天線配置時，LTE FDD覆蓋范圍較TD-LTE廣，適合基層網絡覆蓋；當2.6 GHz頻段TD-LTE采用4、8天線時，TD-LTE上行業(yè)務速率總體較LTE FDD高。嚴格考慮干擾隔離的情況下，可以與3G網絡共站址部署。由吞吐量測試情況看，當系統(tǒng)均采用2天線、同頻段時，在相同覆蓋范圍，LTE FDD單用戶吞吐量均較TD-LTE系統(tǒng)高；當系統(tǒng)均采用4天線時，同頻段、相同覆蓋距離，TD-LTE系統(tǒng)單用戶吞吐量均較LTE FDD系統(tǒng)高，尤其是2.6GHz頻段的TD-LTE系統(tǒng)。由于目前LTE FDD系統(tǒng)還未部署8天線，測試區(qū)域只針對TD-LTE進行8天線時的吞吐量測量，無對比數(shù)據(jù)。

表1　鏈路預算相關參數(shù)

表2　分制式不同天線模式組網室外隨機測試結果

上述測試結果雖然不完全表決多天線技術在LTE組網中的性能價值，但可為后續(xù)的規(guī)劃組網過程提供參考意義?？偟亩?，如何合理地將多天線應用到LTE混合組網中將是未來運營商的重要切入點。

3　基于多天線技術的LTE站址部署原則

目前，開辟新站點的可能性很小，尤其是城區(qū)密集區(qū)域，物業(yè)協(xié)調困難，很多現(xiàn)有站址上都已經建設三家運營商多個制式網絡，天線系統(tǒng)安裝空間已嚴重不足。同時，LTE網絡相比2G/3G網絡對信號質量更為敏感，對提升覆蓋性能、容量性能的需求很迫切，未來LTE網絡建設思路應從傳統(tǒng)注重場強的思路向注重信號質量轉變，使得對天線部署方案的設計更為精準[8]。

通過現(xiàn)場勘查，結合所選LTE天線相關性能參數(shù)，根據(jù)覆蓋需求和站址現(xiàn)場資源合理地部署天面系統(tǒng)將對后期網絡覆蓋質量的提升有很大幫助。如何合理地將多天線技術應用到LTE混合組網建設是本文的重點。

3.1站址布局建議

無線網絡的覆蓋效果及質量的決定性因素是站址部署合理與否，主要包含站址布局、天線掛高、方位角、下傾角、頻率配置、發(fā)射功率及室內外站點分布等。其中，主要以站址布局、天線掛高及站間距的影響最大。

3.1.1站址布局

理想的站址布局呈等間距蜂窩狀分布，但實際組網中由于地理環(huán)境、業(yè)務發(fā)展等種種因素導致并非每個站點都能獲得理想的位置，從而造成站址布局不均勻現(xiàn)象。站址偏差系數(shù)（λ）可在一定程度上量化評估室外中高層站址布局的均勻程度：站址布局偏差系數(shù)越小，表明站址布局越均勻。具體估算過程如公式（2）、（3）所示。

其中：

n：直接與中心基站覆蓋相交的第一圈相鄰基站數(shù)量；

Di：第i個相鄰基站和中心基站之間的站間距，單位m；

3.1.2天線掛高

越區(qū)覆蓋直接影響著信號質量和業(yè)務速率，通常造成越區(qū)覆蓋的原因是天線位置太高。在LTE組網過程中應嚴格控制過高站，同一區(qū)域內天線掛高應基本保持一致。

天線高度偏差系數(shù)（δ）可用來衡量天線有效掛高，降低天線掛高參差不齊對網絡質量帶來的潛在風險，并對實際建設中天線架設高度選取提供參。估算過程如下：

其中：

h：中心基站的天線高度，單位m；

Hi：第i個相鄰基站天線高度，單位m；

3.1.3站間距參考

站址選取須全面考慮無線環(huán)境、業(yè)務發(fā)展等多方面因素，各電信企業(yè)發(fā)展策略、用戶業(yè)務規(guī)模、投資體量等都存在較大差異，導致站址密度不盡相同。實際組網中，各地站址間距水平并非完全一致，應結合當?shù)貙嶋H情況取定。根據(jù)各不同網絡覆蓋要求和現(xiàn)網結構，分場景站間距參考值如表3所示。

3.2LTE站址選擇要求

(1)無線覆蓋要求。充分考慮基站有效覆蓋范圍，結合用戶和業(yè)務分布情況，合理選擇站址，實現(xiàn)目標區(qū)域有效覆蓋。

表3　不同制式網絡站間距參考值

(2)站址布局與天線掛高要求。站址盡可能平均分布（可結合站址偏差系數(shù)評估），天線高度滿足覆蓋需求并與周邊站點基本保持一致（可結合天線高度偏差系數(shù)評估）。嚴格控制超高站（站高大于50 m或高于周邊建筑物15 m）、超低站（站高低于10 m）、超近站（站間距小于100 m）。

(3)天線系統(tǒng)部署要求。可共用現(xiàn)有存量站址按需部署天線系統(tǒng)。盡可能采取垂直隔離方式分層部署網絡，避免不同制式天線系統(tǒng)斜射、大角度對射，以降低干擾損耗[9]。

(4)地理位置要求。應考慮建設維護方便，選擇安全、衛(wèi)生、無強干擾站址。避開臨時建筑、爛尾樓及軍事禁區(qū)等敏感區(qū)，審慎選擇在醫(yī)院、學校、銀行等區(qū)域部署。

(5)環(huán)境保護要求。應節(jié)約用地，不占或少占農田，站址選址須符合環(huán)境保護和電磁輻射防護規(guī)定的有關指標要求。

(6) 其他要求。站址應遠離樹林、高壓線。必須設在高壓線附近時，與高壓線之間的距離應不低于100 m。

3.3基于多天線技術的LTE部署方案分析

在實際網絡建設中，應根據(jù)站址現(xiàn)場勘查情況靈活部署天線系統(tǒng)。根據(jù)上述參考及站址選取建議，本文提出基于多天線技術的兩種混合組網建設方案。

方案1： 單獨部署LTE系統(tǒng)天線，可與具備獨立安裝天線的現(xiàn)有基站共站，或獨立新建LTE基站。天線類型推薦選用1.8GHz或2.1 GHz寬頻雙極化定向天線（2端口或4端口），天線端口數(shù)可根據(jù)實際需求決定。以三扇區(qū)基站為例，2端口天線需布放6根饋纜，4端口天線需布放12根饋纜。安裝形式可共用已有塔桅安裝，或新建塔桅安裝，同時考慮承重和風荷要求。主設備優(yōu)先選擇分布式基站設備，如果條件允許，也可選用宏基站設備。

該方案的優(yōu)點是便于LTE系統(tǒng)后期的網絡維護和優(yōu)化，便于保證LTE網絡性能、便于后期的升級改造，而且不會對現(xiàn)網的正常運行產生影響。

方案2：與現(xiàn)有基站共站建設，且缺少空余天面空間獨立部署LTE系統(tǒng)天線。天線類型推薦選用2.1 GHz 或2.6 GHz寬頻雙極化多模定向天線（4端口、6端口或8端口），天線端口數(shù)可根據(jù)實際需求決定。部署天線系統(tǒng)時需利用該多模天線替換掉原有2G或3G天線，利舊原有塔桅安裝同時考慮承重和風荷要求。主設備優(yōu)先選擇分布式基站設備，如果條件允許，也可選用宏基站設備，需注意天線端口數(shù)的對應。

該方案的優(yōu)點是可以更好的利用緊張的天面資源，通過多天線、波束賦形等技術顯著提升系統(tǒng)容量、平均吞吐量等；缺點是施工時會中斷原有網絡的運行，后期網絡維護優(yōu)化時不可以獨立調試單一制式網絡的天線角度及其他參數(shù)。目前，大部分天線系統(tǒng)具體參數(shù)如表4所示。

表4　常用LTE天線系統(tǒng)參數(shù)簡介

綜上所述，4、8天線尺寸、重量均比較大，會對施工增加一定難度，但在LTE網絡中應用會使吞吐量、覆蓋質量顯著提高，且使用多模寬頻天線還會節(jié)省天面空間，適用于天面空間或站址資源緊缺的市區(qū)密集區(qū)域場景，合理利用該技術將對實現(xiàn)LTE網絡連續(xù)、高質量覆蓋有很大幫助。2天線產品對于天面要求低、饋線少易于安裝，可主要在部分實施受限的場景使用，如天面受限站點、物業(yè)和居民對大面板天線反感較大難以實施的站點、街道站、高速公路站點、補盲站點等。下面就上述多天線應用場景進行覆蓋仿真分析。

4　覆蓋能力仿真結果分析

考慮到多天線技術在LTE網絡的成熟應用及上述幾種基于多天線技術的建設方案，在現(xiàn)有2G/3G網絡站點的數(shù)據(jù)熱點區(qū)域進行TD-LTE與LTE FDD系統(tǒng)混合組網站點規(guī)劃，在此基礎上進行公共信道的覆蓋性能仿真，其主要參數(shù)如表5所示，規(guī)劃仿真結果如圖1所示。

表5　LTE混合組網覆蓋性能仿真主要參數(shù)

圖1　網絡仿真結果

由仿真結果(備注：藍色線框區(qū)域部分為本次覆蓋仿真范圍)可看出，信號接收功率RSRP（Reference Signal Receiving Power，參考信號接收功率）（單位：dBm）>-110的比例占到90%以上，RSRP（單位：dBm）>-100的比例達到65%以上，規(guī)劃區(qū)域RSRP平均值為-110 dBm以上，基本達到工程標準。實際組網建設過程中，通過科學的基站設備選型、天線部署以及后期詳細的網絡優(yōu)化可以達到更好的覆蓋效果。

5　結束語

不同于傳統(tǒng)2G/3G通信系統(tǒng)，LTE系統(tǒng)可采用多天線、波束成形等關鍵技術提升系統(tǒng)綜合性能，且相比2G/3G系統(tǒng)，LTE對信號質量更敏感，對提升系統(tǒng)覆蓋性能、容量性能等需求很迫切。這些都說明未來網絡建設思路應從傳統(tǒng)注重場強的思路向注重信號質量轉變，使得對天線部署方案的設計更為精準。同時，未來物業(yè)的要求、多系統(tǒng)長期共存的性能需求都需要改變過去傳統(tǒng)天線系統(tǒng)部署策略，需要利用LTE多天線、波束賦形等天線增強技術提出更加精細化、更加適合提升LTE混合組網系統(tǒng)性能的LTE混合組網方案[10]。

參考文獻

[1]王映民，孫韶輝，王可, 等.TD-LTE技術原理與系統(tǒng)設計[M].北京：人民郵電出版社，2010:15-28.

[2]Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold.4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband [M].UK:Southeast University Press, 2011:134-137.

[3]李曉鶯.FDD與TDD完美融合構建面向未來的優(yōu)質LTE網絡[J].通信世界, 2013(30):33.

[4]高頔.LTE-FDD與LTE-TDD混合組網研究[J].電信技術, 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]陳建剛.LTE-FDD多天線部署策略淺析[J].電信網技術, 2013(8):57-61.

[7]程鴻雁，朱晨鳴，王太峰, 等.LTE FDD網絡規(guī)劃與設計[M].北京：人民郵電出版社，2013:393-401.

[8]藍萬順.基于TD-LTE多天線技術的精細化天面設計方案研究[J].通訊世界, 2014(16):23-24.

[9]張忠皓.TD-LTE和LTE FDD融合組網天饋部署策略研究[J].郵電設計技術, 2014(7):62-66.

[10]徐暉，艾明等.LTE網絡融合技術[M].北京：人民郵電出版社，2014:96-98.

Research on the construction of LTE hybrid networking based on multi-antenna technology

WANG Huan-bin1, YUAN Quan1,2
(1 Institute of Applied Communication Technology, Chongqing University ofPosts and Telecommunications, Chongqing 400065, China; 2 Chongqing Information Technology Co., Ltd., Chongqing 400065, China)

AbstractMulti-antenna technology is the key technology of TD-LTE and FDD LTE system, which has a very important signifi cance for the construction of LTE network, latter maintenance , business development and so on.In this paper, we analyze the application value of multi-antennatechnology in LTE hybrid networking from the performance of the link budget,site selection and specific application scenarios, covering simulation, and propose suggestions for future LTE hybrid networking.

KeywordsLTE; hybrid networking; antenna system; multi-antenna technology

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中國移動聯(lián)合Linux基金會和華為共同發(fā)起OPEN-O項目倡議

2月23日在西班牙巴塞羅那召開的世界移動通信大會期間，Linux基金會、中國移動、華為聯(lián)合發(fā)起OPENOrchestrator (OPEN-O)項目倡議，該項目旨在集合產業(yè)力量，共同開發(fā)業(yè)界第一個NFV/SDN融合的協(xié)同編排器開源軟件，實現(xiàn)全網資源的動態(tài)可視化構建、加速多廠家相互集成、方便個人和企業(yè)客戶靈活定制運營商的網絡資源，目前已得到來自Brocade、中國移動、中國電信、Dynatrace、Ericsson、F5 Networks、GigaSpaces、華為、Infoblox、Intel、KT、Raisecom、Red Hat、Riverbed以及中興等公司的支持。NFV、SDN、云計算等下一代網絡技術正在推動電信運營系統(tǒng)從“人工系統(tǒng)”走向“實時的自治系統(tǒng)”。傳統(tǒng)的電信系統(tǒng)大多是廠商封閉自行開發(fā)，運營商發(fā)展新業(yè)務、引入新技術需要花費大量時間和成本?；陂_源的軟件框架，以OPEN-O為核心進行開放網絡技術集成，可以幫助運營商快速引入NFV/SDN技術，加速業(yè)務創(chuàng)新。Linux基金會執(zhí)行總監(jiān)Jim Zemlin表示:“OPEN-O開源項目發(fā)起于中國，立足于全球。項目將聯(lián)合產業(yè)力量，共建業(yè)界首個跨NFV和SDN的統(tǒng)一協(xié)同編排器，對推進SDN/NFV產業(yè)的深度融合和創(chuàng)新意義非凡。”

（摘自：通信世界網)

收稿日期：2016-01-07

中圖分類號TN929.5

文獻標識碼A

文章編號1008-5599（2016）03-0079-06