基于多天线技术的LTE混合组网建设研究

王焕斌，袁泉,2( 重庆邮电大学通信新技术应用研究所，重庆 400065; 2 重庆信科设计有限公司，重庆 400065)



基于多天线技术的LTE混合组网建设研究

王焕斌1，袁泉1,2
(1 重庆邮电大学通信新技术应用研究所，重庆 400065; 2 重庆信科设计有限公司，重庆 400065)

摘要多天线技术是TD-LTE和LTE FDD系统的关键技术，该技术的合理应用将对LTE网络的建设、后期维护、业务发展等具有非常重要的意义。本文将从相关设备性能介绍、链路预算、站址选取、具体应用场景、覆盖仿真等方面对比分析多天线技术在LTE混合组网建设中的应用价值，并针对未来LTE混合组网建设提出建议。

关键词LTE；混合组网；天线系统；多天线技术

1　引言

随着LTE的商用，目前全球已有124个国家和地区开通近360张LTE商用网络，其中312张LTE FDD网络、31张TD-LTE网络、17张LTE混合网络，全球LTE用户数已超过3.73亿，LTE已进入快速发展期。在中国，分配给LTE FDD的频段资源较少，分配给TD-LTE的频段资源较丰富，而LTE FDD上下行必须使用对称频段资源，所以能够供给LTE FDD使用的频段资源非常紧张，加之目前2G/3G系统在未来较长一段时间不会退出市场，其所使用频段资源暂无法迁移到LTE系统。

此外，LTE系统结合多天线、OFDM、波束成形等多种关键技术，使自身系统的传输效率和相关性能有很大提升[1]。而且与LTE FDD相比，TD-LTE上下行链路可以使用非对称的频段资源，可以更好地支持非对称数据业务，频段资源较充足，是数据业务热点区域连续覆盖的最佳选择[2，3]。

截至当前，仅中国移动一家运营商已在全国范围内建设30万左右座4G基站，LTE设备已经成熟，组网技术及组网方案也已大规模应用，但考虑到LTE FDD系统频段资源较紧缺的现状，合理的天线部署方案将会对未来LTE混合网络的覆盖性能、容量性能等有重要的意义和价值[4]。本文将通过分析LTE多天线技术的相关性能及组网应用，提出对未来运营商进行LTE混合组网有一定指导意义的相关建设方案，并通过覆盖仿真进行验证。

2　LTE系统多天线覆盖性能室外测试对比

2.1多天线技术工程应用情况

在LTE网络的规划和建设中，合理利用多天线技术、科学地进行设备选型会在很大程度上决定着网络的容量性能、覆盖性能等。目前，从LTE设备厂家的发展情况以及相关技术和案例的应用情况来看，多天线技术的发展情况大致如下。

(1) 2T2R（2 Transmit 2 Receive， 2发2收）天线设备：发展最成熟和稳定，已在全球得到大规模应用。

(2) 2T4R（2 Transmit 4 Receive， 2发4收）天线设备：发展成熟、稳定，国内运营商已经大量应用。

(3) 2T8R（2 Transmit 8 Receive， 2发8收）天线设备：已逐步完善，但主要是基于2T2R或2T4R天线设备进行组合拼接，已在TD-LTE网络中开始大量应用，LTE FDD网络还处于实验网测试验证阶段。

目前情况，对于LTE系统的上述3种多天线技术应用方案，下行链路一般都采用两天线方案，多天线方案主要区别在于上行链路接收天线数量的不同。

2.2室外随机测试对比分析

多天线技术已在LTE组网中广泛应用，结合收发分集、多用户MIMO以及波束成形等关键技术，可进一步大幅度提升网络的覆盖性能。在文献[5]中已描述了2T2R和2T4R天线的上行接收性能的差异，二者的最大辐射功率相差3dB左右[5]。此外，3GPP在LTE R9中也对2T8R天线上行链路接收性能进行了评估，2T8R天线与2T2R天线二者的最大辐射功率相差6 dB左右，在前期实验网的测量数据中也基本证明该结论[6]。

通过上行链路预算可知LTE系统上行覆盖能力较弱，覆盖范围较小，但1.8 GHz、2.1 GHz LTE FDD 与TD-LTE及现网2G/3G系统共站址建设是可行的。上行链路预算公式[7]：

其中各项参数含义如表1所示。

为进一步分析LTE系统采用不同模式的天线组网时的网络覆盖性能，并能够对LTE混合组网提供参考建议，主要针对上行覆盖能力及吞吐量进行某市某密集区域室外随机测试，测试结果如表2所示。

结合链路预算及现场测试数据分析，当采用相近频段、相同天线配置时，LTE FDD覆盖范围较TD-LTE广，适合基层网络覆盖；当2.6 GHz频段TD-LTE采用4、8天线时，TD-LTE上行业务速率总体较LTE FDD高。严格考虑干扰隔离的情况下，可以与3G网络共站址部署。由吞吐量测试情况看，当系统均采用2天线、同频段时，在相同覆盖范围，LTE FDD单用户吞吐量均较TD-LTE系统高；当系统均采用4天线时，同频段、相同覆盖距离，TD-LTE系统单用户吞吐量均较LTE FDD系统高，尤其是2.6GHz频段的TD-LTE系统。由于目前LTE FDD系统还未部署8天线，测试区域只针对TD-LTE进行8天线时的吞吐量测量，无对比数据。

表1　链路预算相关参数

表2　分制式不同天线模式组网室外随机测试结果

上述测试结果虽然不完全表决多天线技术在LTE组网中的性能价值，但可为后续的规划组网过程提供参考意义。总的而言，如何合理地将多天线应用到LTE混合组网中将是未来运营商的重要切入点。

3　基于多天线技术的LTE站址部署原则

目前，开辟新站点的可能性很小，尤其是城区密集区域，物业协调困难，很多现有站址上都已经建设三家运营商多个制式网络，天线系统安装空间已严重不足。同时，LTE网络相比2G/3G网络对信号质量更为敏感，对提升覆盖性能、容量性能的需求很迫切，未来LTE网络建设思路应从传统注重场强的思路向注重信号质量转变，使得对天线部署方案的设计更为精准[8]。

通过现场勘查，结合所选LTE天线相关性能参数，根据覆盖需求和站址现场资源合理地部署天面系统将对后期网络覆盖质量的提升有很大帮助。如何合理地将多天线技术应用到LTE混合组网建设是本文的重点。

3.1站址布局建议

无线网络的覆盖效果及质量的决定性因素是站址部署合理与否，主要包含站址布局、天线挂高、方位角、下倾角、频率配置、发射功率及室内外站点分布等。其中，主要以站址布局、天线挂高及站间距的影响最大。

3.1.1站址布局

理想的站址布局呈等间距蜂窝状分布，但实际组网中由于地理环境、业务发展等种种因素导致并非每个站点都能获得理想的位置，从而造成站址布局不均匀现象。站址偏差系数（λ）可在一定程度上量化评估室外中高层站址布局的均匀程度：站址布局偏差系数越小，表明站址布局越均匀。具体估算过程如公式（2）、（3）所示。

其中：

n：直接与中心基站覆盖相交的第一圈相邻基站数量；

Di：第i个相邻基站和中心基站之间的站间距，单位m；

3.1.2天线挂高

越区覆盖直接影响着信号质量和业务速率，通常造成越区覆盖的原因是天线位置太高。在LTE组网过程中应严格控制过高站，同一区域内天线挂高应基本保持一致。

天线高度偏差系数（δ）可用来衡量天线有效挂高，降低天线挂高参差不齐对网络质量带来的潜在风险，并对实际建设中天线架设高度选取提供参。估算过程如下：

其中：

h：中心基站的天线高度，单位m；

Hi：第i个相邻基站天线高度，单位m；

3.1.3站间距参考

站址选取须全面考虑无线环境、业务发展等多方面因素，各电信企业发展策略、用户业务规模、投资体量等都存在较大差异，导致站址密度不尽相同。实际组网中，各地站址间距水平并非完全一致，应结合当地实际情况取定。根据各不同网络覆盖要求和现网结构，分场景站间距参考值如表3所示。

3.2LTE站址选择要求

(1)无线覆盖要求。充分考虑基站有效覆盖范围，结合用户和业务分布情况，合理选择站址，实现目标区域有效覆盖。

表3　不同制式网络站间距参考值

(2)站址布局与天线挂高要求。站址尽可能平均分布（可结合站址偏差系数评估），天线高度满足覆盖需求并与周边站点基本保持一致（可结合天线高度偏差系数评估）。严格控制超高站（站高大于50 m或高于周边建筑物15 m）、超低站（站高低于10 m）、超近站（站间距小于100 m）。

(3)天线系统部署要求。可共用现有存量站址按需部署天线系统。尽可能采取垂直隔离方式分层部署网络，避免不同制式天线系统斜射、大角度对射，以降低干扰损耗[9]。

(4)地理位置要求。应考虑建设维护方便，选择安全、卫生、无强干扰站址。避开临时建筑、烂尾楼及军事禁区等敏感区，审慎选择在医院、学校、银行等区域部署。

(5)环境保护要求。应节约用地，不占或少占农田，站址选址须符合环境保护和电磁辐射防护规定的有关指标要求。

(6) 其他要求。站址应远离树林、高压线。必须设在高压线附近时，与高压线之间的距离应不低于100 m。

3.3基于多天线技术的LTE部署方案分析

在实际网络建设中，应根据站址现场勘查情况灵活部署天线系统。根据上述参考及站址选取建议，本文提出基于多天线技术的两种混合组网建设方案。

方案1： 单独部署LTE系统天线，可与具备独立安装天线的现有基站共站，或独立新建LTE基站。天线类型推荐选用1.8GHz或2.1 GHz宽频双极化定向天线（2端口或4端口），天线端口数可根据实际需求决定。以三扇区基站为例，2端口天线需布放6根馈缆，4端口天线需布放12根馈缆。安装形式可共用已有塔桅安装，或新建塔桅安装，同时考虑承重和风荷要求。主设备优先选择分布式基站设备，如果条件允许，也可选用宏基站设备。

该方案的优点是便于LTE系统后期的网络维护和优化，便于保证LTE网络性能、便于后期的升级改造，而且不会对现网的正常运行产生影响。

方案2：与现有基站共站建设，且缺少空余天面空间独立部署LTE系统天线。天线类型推荐选用2.1 GHz 或2.6 GHz宽频双极化多模定向天线（4端口、6端口或8端口），天线端口数可根据实际需求决定。部署天线系统时需利用该多模天线替换掉原有2G或3G天线，利旧原有塔桅安装同时考虑承重和风荷要求。主设备优先选择分布式基站设备，如果条件允许，也可选用宏基站设备，需注意天线端口数的对应。

该方案的优点是可以更好的利用紧张的天面资源，通过多天线、波束赋形等技术显著提升系统容量、平均吞吐量等；缺点是施工时会中断原有网络的运行，后期网络维护优化时不可以独立调试单一制式网络的天线角度及其他参数。目前，大部分天线系统具体参数如表4所示。

表4　常用LTE天线系统参数简介

综上所述，4、8天线尺寸、重量均比较大，会对施工增加一定难度，但在LTE网络中应用会使吞吐量、覆盖质量显著提高，且使用多模宽频天线还会节省天面空间，适用于天面空间或站址资源紧缺的市区密集区域场景，合理利用该技术将对实现LTE网络连续、高质量覆盖有很大帮助。2天线产品对于天面要求低、馈线少易于安装，可主要在部分实施受限的场景使用，如天面受限站点、物业和居民对大面板天线反感较大难以实施的站点、街道站、高速公路站点、补盲站点等。下面就上述多天线应用场景进行覆盖仿真分析。

4　覆盖能力仿真结果分析

考虑到多天线技术在LTE网络的成熟应用及上述几种基于多天线技术的建设方案，在现有2G/3G网络站点的数据热点区域进行TD-LTE与LTE FDD系统混合组网站点规划，在此基础上进行公共信道的覆盖性能仿真，其主要参数如表5所示，规划仿真结果如图1所示。

表5　LTE混合组网覆盖性能仿真主要参数

图1　网络仿真结果

由仿真结果(备注：蓝色线框区域部分为本次覆盖仿真范围)可看出，信号接收功率RSRP（Reference Signal Receiving Power，参考信号接收功率）（单位：dBm）>-110的比例占到90%以上，RSRP（单位：dBm）>-100的比例达到65%以上，规划区域RSRP平均值为-110 dBm以上，基本达到工程标准。实际组网建设过程中，通过科学的基站设备选型、天线部署以及后期详细的网络优化可以达到更好的覆盖效果。

5　结束语

不同于传统2G/3G通信系统，LTE系统可采用多天线、波束成形等关键技术提升系统综合性能，且相比2G/3G系统，LTE对信号质量更敏感，对提升系统覆盖性能、容量性能等需求很迫切。这些都说明未来网络建设思路应从传统注重场强的思路向注重信号质量转变，使得对天线部署方案的设计更为精准。同时，未来物业的要求、多系统长期共存的性能需求都需要改变过去传统天线系统部署策略，需要利用LTE多天线、波束赋形等天线增强技术提出更加精细化、更加适合提升LTE混合组网系统性能的LTE混合组网方案[10]。

参考文献

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

[3]李晓莺.FDD与TDD完美融合构建面向未来的优质LTE网络[J].通信世界, 2013(30):33.

[4]高頔.LTE-FDD与LTE-TDD混合组网研究[J].电信技术, 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]陈建刚.LTE-FDD多天线部署策略浅析[J].电信网技术, 2013(8):57-61.

[7]程鸿雁，朱晨鸣，王太峰, 等.LTE FDD网络规划与设计[M].北京：人民邮电出版社，2013:393-401.

[8]蓝万顺.基于TD-LTE多天线技术的精细化天面设计方案研究[J].通讯世界, 2014(16):23-24.

[9]张忠皓.TD-LTE和LTE FDD融合组网天馈部署策略研究[J].邮电设计技术, 2014(7):62-66.

[10]徐晖，艾明等.LTE网络融合技术[M].北京：人民邮电出版社，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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（摘自：通信世界网)

收稿日期：2016-01-07

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）03-0079-06