多天线技术提升TD-LTE网络性能

爱立信（中国）通信有限公司 | 产品经理 诸震雷高级产品经理 刘无线产品专家 陈明

本文简要介绍了目前无线通信领域广泛应用的多天线技术，并对其在TD-LTE系统的应用，通过系统仿真和外场测试的方式进行了对比分析。最后结合国际LTE商用部署的情况，对我国TD-LTE商用部署中2天线和8天线方案的应用提出了初步建议。

在无线通信领域，对多天线技术的研究由来已久，其中天线分集、波束赋形、空分复用（MIMO）等技术已在3G和LTE网络中广泛应用。

改善覆盖提高速率

根据不同的天线应用方式，常用的多天线技术包括天线分集、波束赋形和空分复用等，具体内容见表1。

上述多天线技术给网络带来的增益大致包括更好的覆盖（如波束赋形）和更高的速率（如空分复用）。

3GPP规范的Rel-9版本规定了8种传输模式（见表2）。其中，模式3和4为MIMO技术，支持模式内（发送分集和MIMO）自适应，模式7和8是单／双流波束赋形。原则上，3GPP对天线数目与所采用的传输模式没有特别的搭配要求，但在实际应用中2天线系统常用模式为2和3，而8天线系统常用模式为7和8。

在实际应用中，不同的天线技术互为补充，需根据实际信道的变化灵活运用。在TD-LTE系统中，这种发射技术的转换可以通过传输模式（内/间）切换组合实现。

目前上行主流终端芯片设计仍然以单天线发射为主，对eNB多天线接收方式3GPP标准没有明确要求。

两种配置适合TD-LTE

针对以上多天线技术的特点及适用场景，目前中国市场TD-LTE可主要考虑两种天线配置：8天线波束赋形（单流/双流）和2天线MIMO（空分复用/发送分集）。

表1 常用的多天线技术

下行业务信道性能

图1是爱立信对上述传输模式的前期仿真结果。在下行链路中，2、8天线的业务信道在特定传输模式下的性能比较归纳如下：8X2单流波束赋形（sbf）在小区边缘的覆盖效果（边缘用户速率）好于2X2空分复用，但小区平均吞吐速率要低于2X2 MIMO场景；8X2双流波束赋形（dbf）的边界速率略好于2X2天线空分复用。在正常负荷条件下，两者的小区平均吞吐速率相当。在高系统负荷条件下，8X2双流波束赋形（dbf）增益较为明显。

在深圳外场测试中，测试场景为典型公路环境。虽然站间距与城区环境相同，但无线传播条件更接近于郊区的特点，即空旷环境较多，信道相关性较强，有利于8天线波束赋形技术的使用。对固定模式的测试结果与上述仿真结果基本一致；引入模式内/间切换后8天线在小区中心采用模式3，边缘则为模式7，因此在小区边缘优于2天线，小区中心相当，小区平均速率好于2天线。值得注意的是，采用模式7的比例仅有20%左右，大多数场景采用的是模式3，即与2天线差别不大。

下行控制信道及覆盖能力

对于8天线广播信道，由于要实现全小区覆盖，波束赋形技术在业务信道的增益不复存在。通常采用引入广播权值静态赋形（65°）的方式发送。根据不同天线厂家提供的广播信道的赋形权值，其广播信道的发射功率只有总可用功率的60%左右。因此，静态赋形的方式将导致广播信道覆盖比2天线方案差，特别是在小区边缘广播信道功率有很大损失。

针对这些问题，爱立信提出了无功率损失的增强型公共信道发送方案，有效克服了静态赋形的功率损失问题，提升广播信道的覆盖，使得8天线公共信道获得了与2天线相当的覆盖能力。在深圳外场测试中，我们看到类似的现象。图2是用扫频仪在相同环境中测得的结果，可以看到，2天线系统中的RSRP覆盖效果与8天线的覆盖相比主瓣方向略强，但基本上相当。

表2 3GPP的Rel-9版本规定的8种传输模式

上行天线接收分集增益

上行接收方面，理论上当8天线的单元天线增益与2天线的增益相同时，会有6dB的接收分集增益。而实际系统中，在天线长度相当时2天线的增益往往高于相同高度的8天线的单元天线增益1.5dB~2.5dB。

例如，在进行中的TD-LTE试验网中，选用了2天线和8天线（FAD）天线方案。在同为140cm长度的条件下，8天线（FAD）的单元天线的增益为16dBi~17dBi，而国际上在LTE-FDD/TD-LTE广泛应用的凯士林和安德鲁的2天线增益均可以达到18.5dB以上。

这一差异也反映在目前的一些工程设计实践中，例如在网络设计中将2天线的增益设定为18dBi，而8天线的单元有效增益设定为14.5dBi。因此，实际网络中的8天线接收和2天线接收的差异应当为3dB左右。

多天线应用场景

波束赋形在业务信道功率受限时，可以提高网络边界的下行和上行速率，适用于有视距传输（LOS）、强相关的环境，例如郊区、乡村等以覆盖为目的的环境。在城区和密集城区(站间距大约200米到500米左右时)，无线传播环境复杂，杂散严重，以NLOS为主，信道相关性大大降低，此时下行波束赋形的效果大打折扣，而空分复用在该场景下有很大优势（2、8天线的空分复用无大差异）。

在规划网络覆盖时，往往以小区边界速率为设计目标。在上行边缘速率要求较高时，网络中通常是上行业务信道受限。然而在实际网络中，小区覆盖半径由终端最终是否移出服务区来判定，此时的决定因素并非是业务信道的速率而是广播信道的覆盖。

具体来看，当上行业务信道为受限因素时（例如边缘速率要求很高），8天线方案的覆盖范围要大于2天线；当上行业务信道不构成限制而以终端是否出服务区作为覆盖范围的判决依据时，由于前面提到的8天线在广播信道的短板，8天线的覆盖范围有可能小于2天线。

由此可知，8天线方案虽然能够提升上下行的业务信道性能，但固有的广播信道的短板使得工程实践中可能无法达到扩大覆盖、减少站点的目的。

2天线技术已广泛部署

8天线虽然在边缘速率等性能方面优于2天线，但在实际应用中，具体效果还受天线的校准精度、天线性能（随时间）恶化等因素影响而有所缩小。工程安装实施方面，8天线的天面要求较高，建站方案更为复杂，需兼顾承重、风荷、共天线等因素。这将导致站点成本显著增加。另外故障隐患的激增，以及耗电的增加（如采用8通道RRU），都将直接提升OPEX。

迄今为止，全球已商用的LTE网络多采用2天线部署（空分复用/发送分集），主要原因是2天线方案技术和产业链更为成熟，运维成本低。其稳定优良的性能在广泛的商用中得到验证。而8天线方案目前商用LTE网络中还没有可借鉴的成功经验。

小结

综上所述，技术上波束赋形和空分复用各有所长。8天线由于采用了模式3/7自适应，相对2天线业务信道主要在小区边缘更有优势。由于8天线传输控制信道的短板，其控制信道覆盖略逊于2天线，由此可能导致8天线覆盖增益的不确定。

在城区及密集城区等典型LTE覆盖场景中，2、8天线的性能差异并不明显，而2天线天面要求低，馈线少，易于安装，因此建议采用2天线的方案。在郊区等以覆盖为主要目的的场景，8天线在业务信道方面的优势得以发挥。因此针对不同场景，可对2、8天线进行灵活部署，互相补充。

受天面制约（在相同天线长度的条件下），8天线的单元天线的增益较2天线增益低1.5dB~2.5dB。工程实践中，通常将8天线单元增益设为14.5dBi，2天线增益设为18dBi。因此，8天线相对于2天线的实际增益优势约为3dB，而非6dB。

考虑到站点方案、运维复杂度、产业链成熟度以及CAPEX/OPEX等因素，全球LTE商用网络目前广泛采用2天线方案。