TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)2/8 天線的性能差異

文/李偉輝

關(guān)于多天線技術(shù)，在移動(dòng)通信系統(tǒng)演變進(jìn)程中一直都有所研究。最近幾年內(nèi)，多天線技術(shù)真正的應(yīng)用到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中。隨著射頻天線的發(fā)展，以及材料工業(yè)技術(shù)的逐步精進(jìn)，射頻天線的元器件尺寸越做越小，一些元期間在納米級(jí)成倍數(shù)減少，精度也大幅度提升，所以多天線技術(shù)得以有了元器件基礎(chǔ)，在TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)中逐漸開(kāi)始商用，慢慢產(chǎn)生了像多發(fā)多收以及波束賦型等技術(shù)等，逐漸的推動(dòng)了多天線技術(shù)發(fā)展的腳步。本文以4G 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)分析了在4G 網(wǎng)絡(luò)中用到的幾種多天線技術(shù)的特性，分析了SDM、Beamforming、以及天線分集技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)、同場(chǎng)景下的覆蓋能力和裝載信號(hào)的能力。

1 LTE多天線技術(shù)介紹

多天線技術(shù)是概括性的說(shuō)法，根據(jù)多天線技術(shù)應(yīng)用的場(chǎng)景、發(fā)揮的作用以及實(shí)現(xiàn)的方法，多天線技術(shù)可以分為SDM、Beamforming和天線分集技術(shù)。其中SDM 為空分復(fù)用技術(shù)，Beamformiing 為波束賦型技術(shù)。

天線分集的目標(biāo)是對(duì)抗無(wú)線信道間的衰落。這種方法對(duì)抗無(wú)線信道的衰落是通過(guò)了解大量天線之間無(wú)線信道彼此的關(guān)聯(lián)性，在發(fā)端或者收端犧牲額外的增益分集來(lái)對(duì)抗其他信道的干擾和衰落。按照分集的方式可以把天線分集分為兩種。分別是空間、極化形式分集。

Beamforming 技術(shù)是的目標(biāo)是提高天線的增益。Beamforming 技術(shù)的基本思想是把位于通信系統(tǒng)中發(fā)端或者收端的天線集合到一起，多個(gè)小天線組成一個(gè)大天線，把每個(gè)天線的增益集合到一起，從而達(dá)到提升增益的目的。同樣的原理，Beamforming 技術(shù)也是把多個(gè)小天線集中到一起，達(dá)到對(duì)抗衰減和干擾的目的。

空分復(fù)用是一種實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收的技術(shù)，在信號(hào)與干擾噪聲比比較高的傳輸環(huán)境中，信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)倪^(guò)程中，搭建起多條空中信道，最終實(shí)現(xiàn)同時(shí)并行發(fā)送或者同時(shí)并行接收，從而大大提升超寬帶信號(hào)的傳輸效率。

圖1：智能天線技術(shù)在TD-LTE 系統(tǒng)的應(yīng)用

多天線技術(shù)中最突出最優(yōu)代表性的技術(shù)就是波束賦型，利用多個(gè)天線集合到一起，形成一個(gè)天線束，集中向一個(gè)方向發(fā)射或者集中接收一個(gè)方向的信號(hào)，可以大大的提升增益降低衰落和干擾，從而大大提升接收端收到信號(hào)的信號(hào)干擾噪聲比。為了在工程中實(shí)現(xiàn)波束賦型這一思路，信道估計(jì)就顯得尤為重要。通過(guò)信道估計(jì)，估計(jì)出空中信道對(duì)信號(hào)的造成的衰減或者影響，采用CSI 補(bǔ)償。在通信系統(tǒng)達(dá)到多天線技術(shù)中，能夠做到波束賦型和信道的同步估計(jì)，是因?yàn)門(mén)D-LTE 網(wǎng)絡(luò)采用的是TDD系統(tǒng)，該系統(tǒng)的上行鏈路和下行鏈路采用了一樣頻點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)判斷基站往終端發(fā)射的信道以及信號(hào)的特性，預(yù)測(cè)終端往基站發(fā)射的信道以及信號(hào)的特性，從而達(dá)到良好的信道估計(jì)，達(dá)成波束賦型的目的。如果TD-LTE網(wǎng)絡(luò)采用的不是TDD 系統(tǒng)，而是FDD 系統(tǒng)，那么就不會(huì)有TDD 中那樣相同的頻點(diǎn)，因此在Beamforming 過(guò)程中，就要考慮引入其他的技術(shù)完成基站的信道估計(jì)。但是UE 在速度比較快的移動(dòng)過(guò)程中是特別不穩(wěn)定的，從而會(huì)使得估計(jì)的難度大大增加，同時(shí)工程實(shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)帶來(lái)大量的成本預(yù)算，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度極高，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中可靠性也不完備，并不能正常的工作。因此一般采用的是基于TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)TDD 系統(tǒng)進(jìn)行多天線技術(shù)。如圖1所示。

在這里總結(jié)下上文所描述的三種多天線技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)：

利用天線分集技術(shù)和Beamforming 技術(shù)，大大提升了天線收到信號(hào)的信號(hào)干擾噪聲比值，大大提高了信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，同時(shí)大大提升了信號(hào)傳輸?shù)乃俾省?/p>

采用多發(fā)多收模式的空分復(fù)用技術(shù)，在信號(hào)與干擾噪聲比比較高的傳輸環(huán)境中可以大大提升超寬帶信號(hào)的傳輸效率。

在多天線技術(shù)工程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，往往是同時(shí)采用三種技術(shù)，或者三種技術(shù)交叉結(jié)合著使用，又或者三種技術(shù)交替更換使用，以應(yīng)付各種通信環(huán)境和信道場(chǎng)景。比如在信號(hào)干擾噪聲比較低的時(shí)候，多發(fā)多收的空分復(fù)用能達(dá)到的效果比較微弱，就轉(zhuǎn)換成天線分集的多天線技術(shù)。

通過(guò)以上三種多天線技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及使用情況的說(shuō)明，在4G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)組網(wǎng)的過(guò)程中，主要會(huì)涉及到兩個(gè)關(guān)鍵性的天線，分別是八天線的Beamforming 技術(shù)和兩個(gè)天線的多發(fā)多收操作。

2 8通道天線和2通道天線對(duì)比分析

2.1 容量對(duì)比分析

針對(duì)上文提出的八天線的Beamforming技術(shù)和兩個(gè)天線的多發(fā)多收操作，業(yè)界已經(jīng)有了較為深入的研究，做了較多的仿真驗(yàn)證，圖2為愛(ài)立信公式的仿真。

仿真結(jié)果對(duì)比分析如下：

2.1.1 下行鏈路

八天線的Beamforming 技術(shù)和兩個(gè)天線的多發(fā)多收操作。

在第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的小區(qū)邊緣，八天線Beamformign 技術(shù)的覆蓋效果要好于兩發(fā)兩收的空分復(fù)用技術(shù)，與之相反，小區(qū)平均吞吐速率的狀況則是兩發(fā)兩收的空分復(fù)用技術(shù)效果比較好。

從第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)小區(qū)邊界速率上考慮，八天線Beamformign 技術(shù)的效果要好于兩發(fā)兩收的空分復(fù)用技術(shù)；從第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)小區(qū)的平均速率上考慮，在4G 網(wǎng)絡(luò)剛剛商用，基站鋪建比較少的情況下，八天線Beamformign 技術(shù)與兩發(fā)兩收的空分復(fù)用技術(shù)達(dá)到的效果相當(dāng)；在4G 已經(jīng)大規(guī)模商用基站已經(jīng)完備的情況下，八天線Beamformign 技術(shù)效果更優(yōu)。

圖2：8 天線和2 天線仿真容量對(duì)比

圖3：8 天線和2 天線覆蓋效果對(duì)比

2.1.2 上行鏈路

基于上行鏈路的考慮，在第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)小區(qū)邊界速度和小區(qū)的容量上，都是八天線Beamformign 技術(shù)產(chǎn)生的效果更優(yōu)

2.2 覆蓋能力對(duì)比分析

4G 網(wǎng)絡(luò)在商用的過(guò)程中，涉及最多的就是數(shù)據(jù)方面的業(yè)務(wù)，所以在估算4G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋量的時(shí)候，都要采用特定的小區(qū)邊緣速率作為覆蓋目標(biāo)。按照特定的小區(qū)邊緣速率作為覆蓋目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，在4G 網(wǎng)絡(luò)商用過(guò)程中，上行業(yè)務(wù)鏈路是受到限制的信道。

但是在真正的4G 網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)移動(dòng)設(shè)備是不是還在服務(wù)區(qū)來(lái)決定，4G 小區(qū)的上行業(yè)務(wù)信道是否受限。在判定移動(dòng)設(shè)備終端能不能還待著該4G 網(wǎng)絡(luò)中，或者決定該終端要不要切換到3G 網(wǎng)絡(luò)或者切換到鄰區(qū)時(shí)，通常以RSRP也就是接收端功率作為一個(gè)決定的條件。

由上面的分析可以看出，八根天線和兩根天線它們的覆蓋能力是不一樣的。在以特定的小區(qū)邊速率作為覆蓋目標(biāo)，也就是上行業(yè)務(wù)信道的速率受到限制的時(shí)候，八根天線的業(yè)務(wù)覆蓋能力會(huì)比兩根天線的好些。

如果只以最后終端是否還在4G 網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)區(qū)來(lái)決定的話，八根天線的業(yè)務(wù)覆蓋能力并不會(huì)比兩根天線的好，因?yàn)榇藭r(shí)并沒(méi)有把八根天線都集合到一起做波束賦型，沒(méi)有起到增益疊加的效果，所以天線數(shù)目并不影響覆蓋范圍和覆蓋能力。

由圖3可以看出，八根天線的增益是15dBi，兩根天線為15dBi。

圖3中仿真的兩種天線都是4G 網(wǎng)絡(luò)中最普遍的兩種基站天線。通過(guò)調(diào)研分析可以發(fā)現(xiàn)，如果天線尺寸一樣，八天線的增益要比2 天線小兩到三個(gè)dB。所以，在4G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中，如果對(duì)基站的天線高度有特定的需求，那么兩種模式的天線的覆蓋能力是幾乎一樣的。

2.3 其他方面對(duì)比分析

通過(guò)上文分析可以看出，4G 網(wǎng)絡(luò)中，8天線和2 天線都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，兩種天線方式可以相互結(jié)合，在建設(shè)4G 網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中保證兩種方式優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，從而達(dá)到更好的覆蓋能力。

在人口比較多、業(yè)務(wù)量比較大的地方，為了保證通信的質(zhì)量，4G 網(wǎng)絡(luò)基站之間的距離很短，這時(shí)就變成了下行業(yè)務(wù)信道受限，這種情況下通常采用2 天線。

此外，8 天線也具有提升網(wǎng)絡(luò)邊界下行速率的能力，通過(guò)Beamformign 技術(shù)應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)功率受限制的情況，在一些比較重要的人口密集場(chǎng)合，可以考慮同時(shí)安裝2 天線和8 天線，從而提升上下行的效率。

三種多天線技術(shù)中，4G 網(wǎng)絡(luò)在建設(shè)過(guò)程中，使用最多的兩天線的多發(fā)多收技術(shù)，因?yàn)? 天線的多發(fā)多收技術(shù)基本上已經(jīng)成熟，在4G 網(wǎng)絡(luò)之前就已經(jīng)做了大量的研究，同時(shí)2天線的多發(fā)多收技術(shù)也可以相對(duì)較好的提升上下行業(yè)務(wù)信道的速率。同時(shí)，2 天線的多發(fā)多收技術(shù)相對(duì)于8 天線的Beamformign 技術(shù)，在基站的安裝過(guò)程更簡(jiǎn)單，使用中抗性比較好，不容易壞，受環(huán)境因素影響較小，因此2 天線的多發(fā)多收技術(shù)在4G 系統(tǒng)中用的最多。此外，如果不考慮性能和環(huán)境影響，成本也決定了2天線的多發(fā)多收技術(shù)能得到普及，因?yàn)閮商炀€的多發(fā)多收技術(shù)安裝成本和運(yùn)行維護(hù)成本大大低于8 天線的Beamformign 技術(shù)，因此才有了2 天線MIMO 技術(shù)普及了的現(xiàn)狀。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著4G 網(wǎng)絡(luò)的逐漸發(fā)展，多天線技術(shù)已經(jīng)成為4G 網(wǎng)絡(luò)部署中必不可少的技術(shù)。本文首先介紹了多天線技術(shù)的基本概念，描述了多天線技術(shù)發(fā)展的必然性，隨后詳細(xì)的闡述了多天線技術(shù)的三種分類，分析了三種多天線技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及三種多天線技術(shù)在4G 網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。接著重點(diǎn)對(duì)比了8 天線Beamformign 技術(shù)和2 天線的MIMO 技術(shù)，分析了兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及在各種場(chǎng)景下兩種方式的使用情況，分析了兩種方式的性能，對(duì)以后4G 網(wǎng)絡(luò)部署提出了自己的展望。