多天線技術(shù)在LTE 網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用策略

文/邱東來(lái)

隨著國(guó)家“提速降費(fèi)”的持續(xù)大力推進(jìn)，各運(yùn)營(yíng)商相關(guān)流量?jī)?yōu)惠套餐陸續(xù)推出，4G 流量飛速增長(zhǎng)。當(dāng)前部分網(wǎng)絡(luò)平均DOU 已經(jīng)達(dá)到10GB，熱點(diǎn)區(qū)域擁塞嚴(yán)重，業(yè)內(nèi)預(yù)測(cè)4G流量年均增長(zhǎng)將超50%。面對(duì)4G 網(wǎng)絡(luò)的流量爆發(fā)，受限于頻點(diǎn)及站址資源，傳統(tǒng)的增加頻點(diǎn)、減小站間距的方案已經(jīng)不能滿(mǎn)足容量增長(zhǎng)的需求。

1 多天線技術(shù)

多天線技術(shù)最早由馬可尼在1908年提出，提出之初是用來(lái)抗衰落。馬可尼在發(fā)射端利用多個(gè)天線發(fā)送信號(hào)，在接收端同樣用多個(gè)天線接收信息。因?yàn)閭鬏斶^(guò)程中具有多個(gè)路徑，相同的信息通過(guò)不同路徑從發(fā)送端傳送到接收端，在接收端可以獲得相對(duì)獨(dú)立的信號(hào)復(fù)制品，經(jīng)過(guò)接收機(jī)合并后，可以最大程度復(fù)原信息。利用多天線技術(shù)可以獲得更高的接收可靠性，從而提高信道抗摔落的能力。多天線系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

在20世紀(jì)90年代，無(wú)線通信領(lǐng)域?qū)Χ嗵炀€技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，在傳統(tǒng)抗摔落特性之余，發(fā)展出了智能天線技術(shù)。目前多天線技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為了無(wú)線通信領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

因?yàn)槲覈?guó)LTE 主要部署在1.8GHz、2.1GHz、2.6GHz等頻段上，因?yàn)槭瞻l(fā)數(shù)量越大，天線體積越大，考慮到承重、物業(yè)許可等因素，常用的多天線數(shù)量有雙發(fā)雙收、雙發(fā)四收、四發(fā)四收、四發(fā)八收、八發(fā)八收等。多天線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)陣列增益、分集增益、空間復(fù)用增益和干擾抑制增益等四種增益。

1.1 陣列增益

由于不同天線上的白噪聲是不相關(guān)的，對(duì)于多天線系統(tǒng)，各天線通道噪聲合并后，總噪聲功率保持不變；而不同天線上的信號(hào)是相關(guān)的，將各通道信號(hào)相干合并后，信號(hào)的能量將成倍提高，進(jìn)而提升信噪比，實(shí)現(xiàn)陣列增益。

圖1：多天線系統(tǒng)示意圖

圖2：LTE 站點(diǎn)扇區(qū)多天線擴(kuò)容示意圖

1.2 空間分集增益

對(duì)于多天線系統(tǒng)，如果在多根天線上發(fā)射相同的數(shù)據(jù)，當(dāng)多個(gè)發(fā)射分集信號(hào)在空間上有一定的獨(dú)立性時(shí)，各分集信號(hào)發(fā)生快衰落的時(shí)刻將不同，在接收端對(duì)比不同時(shí)刻接收到的各路信號(hào)，在每一個(gè)時(shí)刻選取各路中最優(yōu)的一路信號(hào)最終輸出，這樣可以在一定程度上降低或者去除快衰落的影響，從而獲得空間分集增益。

1.3 干擾抑制增益

在多天線系統(tǒng)中，當(dāng)空間干擾存在一定的有色性時(shí)，通過(guò)各路天線可以對(duì)干擾的有色性進(jìn)行估計(jì)，從而利用估計(jì)獲得的信息對(duì)干擾進(jìn)行抑制，獲得增益。干擾抑制可以在發(fā)射端進(jìn)行，也可以在接收端進(jìn)行。當(dāng)在發(fā)射端進(jìn)行干擾抑制時(shí)，可減少自身對(duì)鄰區(qū)的干擾；當(dāng)在接收端進(jìn)行干擾抑制時(shí)，可減少自身接收到的干擾。

1.4 空間復(fù)用增益

空間復(fù)用增益指采用多天線系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)多路信道的衰落相對(duì)獨(dú)立時(shí)，可以通過(guò)預(yù)編碼技術(shù)，將相互干擾的空間信道等效為相互相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)子信道，各個(gè)子信道之間無(wú)干擾或干擾較小?？梢酝ㄟ^(guò)同時(shí)傳輸多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流提升傳輸速率，每個(gè)子信道對(duì)應(yīng)一個(gè)單位容量。在理想情況下，多天線信道的極限容量能夠隨著發(fā)射接收天線數(shù)線性增加?？臻g復(fù)用增益可以改善系統(tǒng)容量，當(dāng)各路子信道用以同時(shí)傳輸單個(gè)用戶(hù)數(shù)據(jù)時(shí)，可以提升單用戶(hù)峰值速率。

2 多天線技術(shù)的測(cè)試分析

本文選取了一個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域的LTE 站點(diǎn)進(jìn)行多天線技術(shù)測(cè)試分析。該站點(diǎn)每扇區(qū)的天線為兩發(fā)兩收，配置了雙頻點(diǎn)。由于數(shù)據(jù)流量需求較大，需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)容。擴(kuò)容方案為將每個(gè)扇區(qū)分裂為兩個(gè)雙發(fā)雙收小區(qū)，相當(dāng)于原小區(qū)擴(kuò)容為四發(fā)四收，同時(shí)在空間上進(jìn)行了分裂。如圖2所示。

對(duì)擴(kuò)容后的效果分別選取了該站點(diǎn)的最忙時(shí)和全網(wǎng)忙時(shí)，從網(wǎng)管中讀取了該站點(diǎn)的下行PRB 利用率、下行用戶(hù)感知速率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

相比改造前，無(wú)論是該站點(diǎn)的最忙時(shí)還是全網(wǎng)忙時(shí)，改造后站點(diǎn)的下行物理資源利用率、下行用戶(hù)感知速率都有了比較大的提升。相對(duì)于原來(lái)一個(gè)雙發(fā)雙收的扇區(qū)，采用四發(fā)四收的方法能夠進(jìn)行有效的擴(kuò)容。

表1：多天線技術(shù)應(yīng)用測(cè)試分析統(tǒng)計(jì)表

表2：多天線技術(shù)聚焦場(chǎng)景劃分表

表3：多天線技術(shù)應(yīng)用策略

3 多天線技術(shù)在LTE網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用策略

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)頻點(diǎn)資源、站址資源受限時(shí)，多天線技術(shù)是擴(kuò)容的有效手段，對(duì)于不同的場(chǎng)景應(yīng)該使用不同的多天線技術(shù)。當(dāng)前LTE 網(wǎng)絡(luò)基本建設(shè)完成，全網(wǎng)已經(jīng)有了比較完善的覆蓋，在考慮多天線技術(shù)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該對(duì)覆蓋場(chǎng)景進(jìn)行全面的劃分。

傳統(tǒng)的場(chǎng)景劃分是密集市區(qū)、普通市區(qū)、縣城城區(qū)、郊區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村開(kāi)闊地。針對(duì)這些場(chǎng)景制定策略，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期可以使資源能夠有效清晰地分階段實(shí)施，有助于網(wǎng)絡(luò)迅速成型并開(kāi)拓市場(chǎng)。在網(wǎng)絡(luò)成熟之后，傳統(tǒng)的場(chǎng)景劃分已經(jīng)顯得粗糙。特別是對(duì)于擴(kuò)容的考慮，應(yīng)該聚焦在一些重要的熱點(diǎn)區(qū)域。本文在多天線技術(shù)應(yīng)用上，聚焦表2所示七種場(chǎng)景。

對(duì)于以上場(chǎng)景，綜合考慮多天線技術(shù)特點(diǎn)，有以下應(yīng)用策略，見(jiàn)表3。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)多天線技術(shù)進(jìn)行了研究，針對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容進(jìn)行了場(chǎng)景的劃分，并對(duì)每種場(chǎng)景提出了針對(duì)性的多天線應(yīng)用策略。多天線技術(shù)在LTE 網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用能夠提供一種不依賴(lài)于頻點(diǎn)資源和站址資源的擴(kuò)容手段，通過(guò)發(fā)射分集的增加以及空間分裂，能夠有效地增加網(wǎng)絡(luò)容量，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)增長(zhǎng)的需求。智能天線技術(shù)在LTE 擴(kuò)容中的應(yīng)用可以作為本文下一步的研究方向。