LTE FDD的覆盖增强技术

摘要：通过对LTE FDD覆盖增强关键技术的研究和实际外场试验测试，提出了LTE FDD多天线技术、上行IRC技术和上行功控技术在LTE FDD覆盖中的综合应用解决方案。认为通过上行8天线的方式，可以增加6 dB以上的覆盖增益；通过IRC等覆盖增强技术能有效地消除小区间的干扰。这些技术的综合运用，可以有效提高LTE网络的覆盖质量，提高用户体验。

关键词：LTE；多天线；覆盖增强；上行IRC；上行MRC

LTE FDD 覆盖能力主要受限于频率和干扰两个方面。目前全球长期演进频分双工（LTE FDD）系统部署频率大部分位于2 GHz频段及以上。众所周知，2G以上的高频段相比于1 GHz低频段，在覆盖上有着非常明显的差别，尤其是针对那些直接从码分多址/全球移动通信系统（CDMA/GSM）网络升级到LTE FDD网络的运营商。

1 LTE多天线技术需求

LTE FDD是一个上行干扰受限的系统，LTE FDD的小区覆盖半径主要受上行影响。在2 GHz频段附近，LTE FDD采用2发2收天线时，如单通道下行发射功率为20 W，覆盖半径一般在400 m左右，以满足LTE FDD小区边缘用户下行1 Mbit/s和上行256 Kbit/s的基本业务速率需求。由图1可以看出，LTE FDD 在2.1 GHz的覆盖半径在400 m左右，和2.1 GHz的3G网络覆盖范围相当。而传统的800 MHz CDMA网络，在相同条件下，覆盖半径会在1 km以上[1-3]。

覆盖半径的差异导致在LTE FDD实际网络建设中，LTE FDD网络可以和相同频段的2.1 GHz无线网络（如3G的UMTS 2.1vGHz）共站，而无法和800 MHz CDMA网络完全共站。对于那些目前仅有800 MHz CDMA网络的运营商，需要对LTE FDD站址进行重新规划，同时还需要寻找新的站址。在此情况下，LTE FDD网络有可能做不到全网覆盖[4]。

除了LTE FDD高频段带来的覆盖差异外，LTE FDD的内部干扰也是影响LTE FDD覆盖的另一个重要因素[5]。图2显示的是在一个LTE FDD多小区覆盖下，小区间的覆盖距离为500 m左右时，用户在干扰情况下的速率对比。

在小区中心50 m左右的区域，LTE FDD网络的业务速率会一直保持在7 Mbit/s以上。当用户行进至小区边缘时，业务速率会有一个明显的下降过程，这时的业务速率会降低至1 Mbit/s以下。可见，LTE FDD网络中，小区间的干扰确实会影响小区边缘用户的业务性能。小区间的干扰会在网络中，形成大量的数据空洞，导致用户的实际体验很差[6-10]。

针对LTE FDD覆盖中出现的上述问题，全球标准组织和研究机构正在制订相应标准和技术，以解决LTE FDD系统在覆盖方面的问题。从目前的研究进展看，LTE FDD多天线技术、上行干扰消除（IRC）技术和上行功控技术是在现阶段公认的、可用于LTE FDD覆盖增强的实用技术。

2 LTE多天线技术研究和

试验

多天线技术通过对发射和接收信号的空域和时域上的处理，提高系统的覆盖和容量。其中，多天线的接收分集、发射分集、下行波束赋形和多输入多输出（MIMO），即空分复用已经在3G和LTE网络中得到了很多广泛应用。

在LTE协议中，LTE多天线下行规定了多种传输模式，并且支持最高8天线的码本设计。原则上，3GPP对天线数目和传输模式没有特别的搭配要求。从目前LTE网络，特别是LTE FDD网络中，运营商一般会采用2天线或4天线解决方案。主要原因是：相比8天线设备成本，2天线或4天线的设备成本会相对较低。同时，运营商采用2天线或4天线也可以和现有的宽带码分多址（WCDMA）等网络进行共天馈建设，以节省工程安装费用[11]。

但对于传统的CDMA运营商，由于CDMA网络向LTE网络过渡时，频段上存在比较大的差异，2天线或4天线的方案选择会带来LTE网络覆盖上的空洞。因此8天线技术，特别是上行8天线技术是传统CDMA运营商需要重点考虑的技术。

上行多天线技术，在接收端使用多根天线进行信号接收合并，即上行最大比合并（MRC）技术，是最常用并且研究最多的多天线配置技术[12]。多天线接收将接收到的多径信号按一定规则合并起来，使接收到的有用信号能量最大，从而提高接收信号的信噪比，达到提高系统覆盖能力和系统容量的目的。

从大量的实验室测试数据来分析，8天线上行接收技术相对于2天线上行接收技术有5～8 dB的信号增益。并且，8天线的信号增益和加载的信道仿真模型有一定的关联。当加载加性高斯白噪声（AWGN）信道模型时，8天线的信号相比于2天线信号会有5 dB的增益；当加载扩展空间的信道模型（SCME）时，8天线的信号相比于2天线的信号则会有8 dB以上的增益。

信号仿真模型和实际外场环境存在一定的对应关系。上面提到的AWGN信道模型基本上可以对应于一般郊区场景，存在直射径，但反射和折射较少。这种外场环境下，上行8天线接收相比于2天线的信号增益在5 dB左右；在密集城区，会存在比较多的反射径和折射径，这种外场环境下，上行8天线接收技术会有效抵抗多径带来的衰落，相比于2天线的信号增益在8 dB左右。

为了验证多天线技术对LTE覆盖性能的影响。中兴通讯于2012年在中国某城市进行了LTE FDD覆盖增强技术的外场试验。对LTE FDD多天线技术、上行IRC技术和上行功控制技术对LTE FDD上行覆盖增强进行了综合试验测试。其中，重点对比了相同条件下，上行8天线接收相比2天线接收的信号处理增益。

2.1 测试总体方案说明

测试总共使用两个基站，一个小区配置一个基站。测试两个站点分别位于中国某城市的主要商业区，一个站点用于主测站点，另一个站点用于加扰。两个站点之间相距300 m。

2天线UE和8天线UE在相同条件下，采用上行天线进行大数据业务传输。

2.2 多天线性能测试对比

当在UE位于近点时，由于信道条件较好，基站能实现最大码率的解调。因此测试中2天线UE和8天线UE均能达到上行最大峰值速率，发射功率均小于最大发射功率。其发射功率撒点图如图3所示。

当UE进入近点时（RSRP在-60～-80 dBm），8天线UE发射功率相比2天线发射功率低10 dB左右，随着距离增加，发射功率差值在减小，但平均能维持在5 ～ 6 dB左右。

当UE进入中、远点时（RSRP 在890 ～ -120 dBm时），8天线UE和2天线UE发射功率一致，均达到最大发射功率。此时，8天线增益主要体现在容量变化上。

图4是2天线或8天线定点容量测试结果对比。

当UE进入中点位置时（RSRP在-60 ～ -100 dBm），8天线UE吞吐量相比2天线有将近1倍增长；当UE进入了远点位置时（RSRP在-100 ～-120 dBm），8天线UE吞吐量相比2天线有将近2倍增长。

3 上行IRC技术研究和试验

上行多天线接收技术主要使用MRC技术，用于抗衰落和抗噪声。当系统中存在较大的干扰时，对于干扰很大的分支，上行MRC给的权值也很大[13]。因此，这些分支的干扰被放大，致使性能恶化。

IRC是一种更高级的分集接收技术，相较于传统的MRC算法，IRC考虑了空间特征，抗干扰效果更加明显。图5是MRC和IRC的实验室/性能仿真的对比。

LTE FDD基站配置为2天线，信道模型低相关，UE上行资源块（RB）个数为6，系统带宽20 MHz，信号源在相同位置上，进行6个RB的干扰。

从以上仿真结果可看出，当存在强干扰时，即使SNR不断增加，MRC也无法达到误块率（BLER）的10%。而IRC却在一定的SNR下，可以达到BLER的 10%。

因此，在外部强干扰情况下，IRC技术是一个有效的抗干扰的技术，能保证小区边缘用户良好的覆盖和容量[14-15]。当然，IRC技术要求干扰信号相对有用信号，有一个比较强的方向性。

图6是外场测试时，开启IRC功能后，2天线或8天线的性能对比图（限定上行速率为256 Kbit/s）。

此时邻区UE使用和主测小区相同的RB块进行加扰；同时，主测小区的2天线或8天线UE同时采用上行数据业务传输；上行并采用IRC功能进行测试，测试时限定上行固定为256 Kbit/s）。

通过这个测场景，我们可以发现：当UE位于近点或者中点（RSRP > -100 dBm）时，2天线或8天线均能达到上行256 Kbit/s上行限速能力，但8天线的信号与干扰加噪声比 （SINR）明显高于2天线，表明此时8天线相比2天线有接收分集的增益。当UE位于远点位置时（RSRP < -100 dBm），2天线已不能达到256 Kbit/s，但8天线却可以达到。

因此，在上行加扰情况下，当采用IRC功能后，8天线相比2天线的性能提升更加明显。

从上面的技术研究和试验可得出：LTE FDD多天线技术、上行IRC技术，上行功控技术能有效解决目前LTE FDD上行覆盖不足的问题。

上述这些技术可以综合应用，以期达到最大限度提高覆盖，抗干扰和提高小区边缘用户的容量。

4 结束语

通过上述对LTE FDD覆盖增强关键技术的研究和实际外场试验测试，可以得知LTE FDD多天线技术、上行IRC技术和上行功控技术能够提高LTE FDD覆盖能力，降低干扰，降低近点UE的发射功率并能大幅提高上行容量。

但LTE FDD多天线技术也会面临诸如工程安装相对困难，设备和配套成本较高，并且8天线本身的天线工艺制作水平也有待提高等一系列问题。目前试验的LTE FDD多天线技术主要着力解决上行覆盖问题，当上行覆盖问题得到缓解后，下行覆盖问题可能会显露出来。因此，LTE FDD覆盖增强技术下一步将继续解决下行覆盖的相关问题问题，以期做到上、下行链路完全平衡，以更好满足用户对LTE FDD网络高速业务的需求。

2天线UE和8天线UE在相同条件下，采用上行天线进行大数据业务传输。

2.2 多天线性能测试对比

当在UE位于近点时，由于信道条件较好，基站能实现最大码率的解调。因此测试中2天线UE和8天线UE均能达到上行最大峰值速率，发射功率均小于最大发射功率。其发射功率撒点图如图3所示。

当UE进入近点时（RSRP在-60～-80 dBm），8天线UE发射功率相比2天线发射功率低10 dB左右，随着距离增加，发射功率差值在减小，但平均能维持在5 ～ 6 dB左右。

当UE进入中、远点时（RSRP 在890 ～ -120 dBm时），8天线UE和2天线UE发射功率一致，均达到最大发射功率。此时，8天线增益主要体现在容量变化上。

图4是2天线或8天线定点容量测试结果对比。

当UE进入中点位置时（RSRP在-60 ～ -100 dBm），8天线UE吞吐量相比2天线有将近1倍增长；当UE进入了远点位置时（RSRP在-100 ～-120 dBm），8天线UE吞吐量相比2天线有将近2倍增长。

3 上行IRC技术研究和试验

上行多天线接收技术主要使用MRC技术，用于抗衰落和抗噪声。当系统中存在较大的干扰时，对于干扰很大的分支，上行MRC给的权值也很大[13]。因此，这些分支的干扰被放大，致使性能恶化。

IRC是一种更高级的分集接收技术，相较于传统的MRC算法，IRC考虑了空间特征，抗干扰效果更加明显。图5是MRC和IRC的实验室/性能仿真的对比。

LTE FDD基站配置为2天线，信道模型低相关，UE上行资源块（RB）个数为6，系统带宽20 MHz，信号源在相同位置上，进行6个RB的干扰。

从以上仿真结果可看出，当存在强干扰时，即使SNR不断增加，MRC也无法达到误块率（BLER）的10%。而IRC却在一定的SNR下，可以达到BLER的 10%。

因此，在外部强干扰情况下，IRC技术是一个有效的抗干扰的技术，能保证小区边缘用户良好的覆盖和容量[14-15]。当然，IRC技术要求干扰信号相对有用信号，有一个比较强的方向性。

图6是外场测试时，开启IRC功能后，2天线或8天线的性能对比图（限定上行速率为256 Kbit/s）。

此时邻区UE使用和主测小区相同的RB块进行加扰；同时，主测小区的2天线或8天线UE同时采用上行数据业务传输；上行并采用IRC功能进行测试，测试时限定上行固定为256 Kbit/s）。

通过这个测场景，我们可以发现：当UE位于近点或者中点（RSRP > -100 dBm）时，2天线或8天线均能达到上行256 Kbit/s上行限速能力，但8天线的信号与干扰加噪声比 （SINR）明显高于2天线，表明此时8天线相比2天线有接收分集的增益。当UE位于远点位置时（RSRP < -100 dBm），2天线已不能达到256 Kbit/s，但8天线却可以达到。

因此，在上行加扰情况下，当采用IRC功能后，8天线相比2天线的性能提升更加明显。

从上面的技术研究和试验可得出：LTE FDD多天线技术、上行IRC技术，上行功控技术能有效解决目前LTE FDD上行覆盖不足的问题。

上述这些技术可以综合应用，以期达到最大限度提高覆盖，抗干扰和提高小区边缘用户的容量。

4 结束语

通过上述对LTE FDD覆盖增强关键技术的研究和实际外场试验测试，可以得知LTE FDD多天线技术、上行IRC技术和上行功控技术能够提高LTE FDD覆盖能力，降低干扰，降低近点UE的发射功率并能大幅提高上行容量。

但LTE FDD多天线技术也会面临诸如工程安装相对困难，设备和配套成本较高，并且8天线本身的天线工艺制作水平也有待提高等一系列问题。目前试验的LTE FDD多天线技术主要着力解决上行覆盖问题，当上行覆盖问题得到缓解后，下行覆盖问题可能会显露出来。因此，LTE FDD覆盖增强技术下一步将继续解决下行覆盖的相关问题问题，以期做到上、下行链路完全平衡，以更好满足用户对LTE FDD网络高速业务的需求。

2天线UE和8天线UE在相同条件下，采用上行天线进行大数据业务传输。

2.2 多天线性能测试对比

当在UE位于近点时，由于信道条件较好，基站能实现最大码率的解调。因此测试中2天线UE和8天线UE均能达到上行最大峰值速率，发射功率均小于最大发射功率。其发射功率撒点图如图3所示。

当UE进入近点时（RSRP在-60～-80 dBm），8天线UE发射功率相比2天线发射功率低10 dB左右，随着距离增加，发射功率差值在减小，但平均能维持在5 ～ 6 dB左右。

当UE进入中、远点时（RSRP 在890 ～ -120 dBm时），8天线UE和2天线UE发射功率一致，均达到最大发射功率。此时，8天线增益主要体现在容量变化上。

图4是2天线或8天线定点容量测试结果对比。

当UE进入中点位置时（RSRP在-60 ～ -100 dBm），8天线UE吞吐量相比2天线有将近1倍增长；当UE进入了远点位置时（RSRP在-100 ～-120 dBm），8天线UE吞吐量相比2天线有将近2倍增长。

3 上行IRC技术研究和试验

上行多天线接收技术主要使用MRC技术，用于抗衰落和抗噪声。当系统中存在较大的干扰时，对于干扰很大的分支，上行MRC给的权值也很大[13]。因此，这些分支的干扰被放大，致使性能恶化。

IRC是一种更高级的分集接收技术，相较于传统的MRC算法，IRC考虑了空间特征，抗干扰效果更加明显。图5是MRC和IRC的实验室/性能仿真的对比。

LTE FDD基站配置为2天线，信道模型低相关，UE上行资源块（RB）个数为6，系统带宽20 MHz，信号源在相同位置上，进行6个RB的干扰。

从以上仿真结果可看出，当存在强干扰时，即使SNR不断增加，MRC也无法达到误块率（BLER）的10%。而IRC却在一定的SNR下，可以达到BLER的 10%。

因此，在外部强干扰情况下，IRC技术是一个有效的抗干扰的技术，能保证小区边缘用户良好的覆盖和容量[14-15]。当然，IRC技术要求干扰信号相对有用信号，有一个比较强的方向性。

图6是外场测试时，开启IRC功能后，2天线或8天线的性能对比图（限定上行速率为256 Kbit/s）。

此时邻区UE使用和主测小区相同的RB块进行加扰；同时，主测小区的2天线或8天线UE同时采用上行数据业务传输；上行并采用IRC功能进行测试，测试时限定上行固定为256 Kbit/s）。

通过这个测场景，我们可以发现：当UE位于近点或者中点（RSRP > -100 dBm）时，2天线或8天线均能达到上行256 Kbit/s上行限速能力，但8天线的信号与干扰加噪声比 （SINR）明显高于2天线，表明此时8天线相比2天线有接收分集的增益。当UE位于远点位置时（RSRP < -100 dBm），2天线已不能达到256 Kbit/s，但8天线却可以达到。

因此，在上行加扰情况下，当采用IRC功能后，8天线相比2天线的性能提升更加明显。

从上面的技术研究和试验可得出：LTE FDD多天线技术、上行IRC技术，上行功控技术能有效解决目前LTE FDD上行覆盖不足的问题。

上述这些技术可以综合应用，以期达到最大限度提高覆盖，抗干扰和提高小区边缘用户的容量。

4 结束语

通过上述对LTE FDD覆盖增强关键技术的研究和实际外场试验测试，可以得知LTE FDD多天线技术、上行IRC技术和上行功控技术能够提高LTE FDD覆盖能力，降低干扰，降低近点UE的发射功率并能大幅提高上行容量。

但LTE FDD多天线技术也会面临诸如工程安装相对困难，设备和配套成本较高，并且8天线本身的天线工艺制作水平也有待提高等一系列问题。目前试验的LTE FDD多天线技术主要着力解决上行覆盖问题，当上行覆盖问题得到缓解后，下行覆盖问题可能会显露出来。因此，LTE FDD覆盖增强技术下一步将继续解决下行覆盖的相关问题问题，以期做到上、下行链路完全平衡，以更好满足用户对LTE FDD网络高速业务的需求。