基于大話務(wù)場景下的LTE多頻天線覆蓋規(guī)劃性能研究

張華艷，馬 娟，陸昕為，韋鴻健，雷海飛

（中國移動通信集團廣西有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530022）

0 引 言

隨著社會信息化時代的迅速發(fā)展，人們對無線移動通信提出了更高的要求和標準。2004年底，3GPP提出3G的長期演進標準，即LTE。隨后國內(nèi)各大運營商爭先發(fā)展移動化、寬帶化和IP化的LTE、TDD及FDD網(wǎng)絡(luò)，想以較低成本實現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率、更短時延的網(wǎng)絡(luò)需求。LTE主要采用OFDM、單載波（SCFDMA）及MIMO等關(guān)鍵技術(shù)，縮短用戶平面和控制平面的延時，加快數(shù)據(jù)速率。

由于全球頻率資源日益緊張，在LTE系統(tǒng)中不得不使用同頻組網(wǎng)方式實現(xiàn)區(qū)域覆蓋。相同子載波資源將被重復(fù)利用，小區(qū)邊緣用戶會受到相鄰小區(qū)的同頻干擾，造成邊緣用戶速率低等問題，從而降低了小區(qū)系統(tǒng)吞吐量。LTE在大型業(yè)務(wù)通信保障、大型賽事、演唱會、大量觀眾和媒體等人流量集中的區(qū)域問題更為復(fù)雜，覆蓋、容量及干擾成為隨時需要關(guān)注的問題。

通過對無線傳播環(huán)境、LTE頻率資源、LTE天線參數(shù)及LTE系統(tǒng)頻率資源利用進行闡述，綜合分析小區(qū)負載均衡策略，從硬件設(shè)備入手，給出大型場館場景了的具體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案，不僅有利于解決今后網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的容量需求問題，更能實現(xiàn)TD-LTE的精細化組網(wǎng)。

1 LTE頻率資源分析

大話務(wù)場景下，對容量、覆蓋的要求苛刻。同頻重疊覆蓋、覆蓋的不合理以及信號傳播、各種型號天線增益、功率等差異性和復(fù)雜性，致使同頻重疊覆蓋嚴重。因此，了解移動通信無線波傳播、頻率資源和天線參數(shù)等特性，對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃至關(guān)重要。

1.1 移動通信無線波傳播分析

移動通信通過基站、用戶終端兩條天線發(fā)射和接收信號進行通信，使用直射、繞射和反射等傳播方式進行傳播。受不同傳播環(huán)境因素影響，在接收端接收的信號為多路徑信號疊加[1]。通過無線傳播模型公式可知，無線波傳播損耗受頻率、距離、接收和發(fā)射增益的影響。

其中，gt和gr分別為發(fā)射和接收增益，f為頻率，d為距離[2]。

1.2 LTE頻率資源分析

由于頻率資源稀缺，且有著高業(yè)務(wù)需求，LTE只能實行同頻組網(wǎng)的形式進行組網(wǎng)。具體地，通過F頻段（1 885～1 915 MHz）、D頻段（2 575～2 635 MHz）及E頻段（2 320～2 370 MHz）進行，功率、頻率資源協(xié)調(diào)常用于減少同頻干擾[3]。功率資源協(xié)調(diào)，即對小區(qū)上某一個頻率增強小區(qū)功率，其余2個頻率降低小區(qū)功率，實現(xiàn)邊緣區(qū)域信號覆蓋呈異頻狀態(tài)，減少小區(qū)間干擾。頻率資源協(xié)調(diào)將頻段分段使用，即分成多個載波，確保邊緣用戶間呈現(xiàn)異頻狀態(tài)，提高邊緣吞吐量，減少小區(qū)間干擾。目前，TD-LTE分段使用帶寬分段共8個，即F1、F2、D1、D2、D3、E1、E2、E3頻點，帶寬共計140 MHz，如表1所示。

如表2所示，E、D頻段無線電波衰減快，空間傳輸和穿透損耗較大[4]；組網(wǎng)時，常將F、D、E三個頻段覆蓋于不同場景，選擇D頻用于道路覆蓋，E頻用于室分覆蓋，F(xiàn)頻段用于深入、邊緣覆蓋。但是，在大話務(wù)場景下，三頻合理覆蓋組網(wǎng)形式是解決同頻干擾和滿足容量的有效措施之一。

表2 LTE天線損耗表

1.3 LTE天線參數(shù)分析

LTE基站天線和終端天線作為發(fā)射和接收信號的物理載體，其接收和發(fā)射信號質(zhì)量對于高速數(shù)據(jù)傳輸速率和高系統(tǒng)容量至關(guān)重要。

移動通信LTE天線為多天線技術(shù)（MIMO），目前2/8通道天線較為常用。8天線對比2天線，8通道天線可使用波束賦形技術(shù)，上行信道可獲得更高接收分集增益，下行可獲得賦形增益，其覆蓋能力和吞吐量優(yōu)于2通道。受傳輸方式和回退方式影響，2通道天線常用傳輸模式具體為TM2、TM3、TM4，8通道天線傳輸模式具體為TM2、TM3、TM4、TM7、TM8[5]。多天線傳輸模式，如表3所示。

表3 多天線傳輸模式

天線增益、電下傾角、支持頻段、水平波寬等為LTE天線重要參數(shù)。LTE天線支持的頻段主要有1 880～1 920 MHz、2 010～2 025 MHz、2 500～2 690 MHz、2 575～ 2 635 MHz、1 710～ 1 850 MHz、2 320～ 2 370 MHz，而不同廠家天線中心頻段存在差異性。天線增益影響LTE發(fā)射和接收信號總體覆蓋的邊界距離，水平波寬大小體現(xiàn)主波瓣發(fā)射寬度，在高天線增益、寬水平波寬的天線覆蓋下可獲得廣覆蓋能力。窄水平波寬，實現(xiàn)合理方向性[6]。在F/D共天饋情況下，受D頻段衰減損耗影響，其增益高于共天饋的F頻段增益2～3 dBi，普通天線增益為14～16.5 dBi。高增益天線增益為17～18.5 dBi，主要應(yīng)用于郊區(qū)和農(nóng)村區(qū)域；水平波寬一般為65°±10°～100°±15°，而窄水平波寬達到30°±4°～32°±4°。

大話務(wù)場景下，為提高容量需求，減少同頻干擾，8通道天線波束賦性優(yōu)勢凸顯，可有效控制天線主瓣的波瓣寬度。主波瓣較窄時，抗干擾能力強。

2 共天饋覆蓋能力分析研究

2.1 同頻資源話務(wù)評估分析

為節(jié)約天線平臺資源，滿足F/D組網(wǎng)策略，各大設(shè)備廠家普遍推廣不同能力優(yōu)勢天線，如FAD頻率共天饋天線等。數(shù)據(jù)研究顯示，在共天饋情況下，雙載波或多載波小區(qū)吸收用戶數(shù)并不均勻，一般移動終端手機均支持Band 38394041。經(jīng)統(tǒng)計，在共天饋且參數(shù)設(shè)置一致情況下，E1/E2/E3和D1/D2/D3三載波組網(wǎng)小區(qū)用戶數(shù)差比如圖1、圖2所示，E3和D3吸收小區(qū)用戶數(shù)低于其他四個頻點。無論是發(fā)射天線還是接收天線，天線帶寬在一定頻率范圍內(nèi)，中心頻率為最佳點，天線阻抗最小，效率最高，駐波比小。當偏離中心頻率時，它能輸送的功率都將減小[6]。如表4所示，顯然E3和D3中心頻點均與天線中心頻點相差較大，同時D和E頻衰減速率較高，可能是影響邊緣頻段的覆蓋能力的原因。

表4 常用天線中心頻點對應(yīng)表

圖1 E1/E2/E3三載波組網(wǎng)小區(qū)用戶數(shù)差比

圖2 D1/D2/D3三載波組網(wǎng)小區(qū)用戶數(shù)差比

2.2 負載均衡和功控在大話務(wù)場景下應(yīng)用研究

移動性負載均衡（Mobility Load Balancing）即通過對負載信息的檢測判斷小區(qū)負載高低。在同覆蓋情況下，將負載從占用資源較多的小區(qū)遷移到空閑小區(qū)，確保小區(qū)間負載分布均勻，使網(wǎng)絡(luò)資源利用最大化，提升用戶業(yè)務(wù)感受。

在大話務(wù)場景下，開啟以用戶數(shù)模式（UE_NUMBER_ONLY）觸發(fā)為觸發(fā)模式的負載均衡算法開關(guān)后，如圖3所示。在E頻三載波共覆蓋情況下，用戶數(shù)觸發(fā)門限設(shè)置為200時，三載波小區(qū)用戶數(shù)開始接近，說明負載均衡在大話務(wù)場景下資源占用均勻分配效果分布明顯。

圖3 E頻三載波用戶數(shù)分布圖

為解決小區(qū)資源占用不均，通過使用小區(qū)間功率控制的方式來實現(xiàn)話務(wù)均衡也是一種行之有效的辦法，由圖4可以看出當D1與D2相差1 dBm時，小區(qū)用戶數(shù)幾乎相同，凸顯資源均衡的力度。

圖4 D頻三載波用戶數(shù)分布圖

3 大話務(wù)場景下LTE頻率規(guī)劃分布策略研究

如圖5（a）所示，使用窄波束賦形天線覆蓋、同頻三載波進行功率控制，在共覆蓋情況下，強抗干擾，窄覆蓋方向，保證負載用戶數(shù)均勻。如圖5（b）所示，使用窄波束賦形天線和普通雙通道天線共同覆蓋，功率控制、載波聚合和頻率分布相結(jié)合情況下，實現(xiàn)頻率資源合理利用，保證鄰區(qū)之間小區(qū)邊緣相互呈現(xiàn)異頻狀態(tài)，降低同頻干擾，實現(xiàn)在大話務(wù)場景下的資源合理化分配。

圖5 大話務(wù)場景下LTE頻率規(guī)劃圖

4 結(jié) 論

通過對無線波傳播衰減、LTE頻率資源及LTE天線參數(shù)等了解，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析了LTE不同頻率資源在相應(yīng)天線上的傳播差異性，同時驗證負載均衡策略在實際大話務(wù)場景下的作用，給出了大話務(wù)場景下頻率規(guī)劃分布辦法，對日常精細網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和大話務(wù)保障具有一定的借鑒意義。