TD-LTE网络中的多天线技术浅析

TD-LTE网络中的多天线技术浅析时间：2011-08-0309:09:00来源：飞象网作者：打印文章发送给好友0[提要]空分复用（MIMO）是指在一定的高SINR环境中，利用无线信道特性，在空口创建多条并行信道，从而使空口的传输速率大大提高。在实际应用中空分复用往往与分集相结合使用，如在低SINR环境时，系统会从空分复用转为天线分集。1简介有关多天线概念，在业内很早就有所研究。但是真正取得进展，应用到通信系统中则是在近些年，伴随着相关元器件的高速发展，在3G系统中被广泛开始应用，像MIMO，波束赋型等。本文主要是对近期TD-LTE试验网中所用到的波束赋型,空分复用和天线分集这几种技术,从其特点,性能容量,和覆盖等方面进行分析比较.2各种多天线技术简单描述及优点多天线技术是一种统称，可根据不同的实现方式分为天线分集，波束赋型和空分复用。天线分集是指利用多天线间较低的无线信道的相关性，提供额外的（发射或接收）分集来对抗无线信道的衰落，按天线类型可有空间分集，或极化分集。波束赋型（Beamforming）是指利用发射端或接受段的多根天线，以一定的方式形成一个特定波束，使目标方向上天线增益最大以及抑制/降低干扰。空分复用（MIMO）是指在一定的高SINR环境中，利用无线信道特性，在空口创建多条并行信道，从而使空口的传输速率大大提高。以上多天线技术给网络带来的效果大致分为：更好的覆盖效果通过天线分集或波束赋型可以提高接收端的SINR从而增强链路储备，同时也可视为同样的距离的条件下对速率的改进更高的速率用空分复用实现更高的小区吞吐率及峰值速率，它的效果在较高载干比的无线环境中对数据速率的提高非常明显。在实际应用中空分复用往往与分集相结合使用，如在低SINR环境时，系统会从空分复用转为天线分集。3多天线性能容量分析针对以上各种多天线技术的特点，目前TD-LTE组网时主要考虑两种配置，8天线波束赋型（单流,双流波束赋型），和2天线MIMO。对于上面两种配置，各厂家已有许多仿真结果，基本结果大致类似。以下是爱立信的仿真结果：下行链路8X2单流波束赋型在小区边缘的覆盖效果好于2X2MIMO，但小区平均吞吐速率要低于2X2MIMO场景。对于8X2双流波束赋型而言，同样，边界速率要好于2X2天线MIMO；对于小区平均速率，在低负荷条件下（即LTE网络初期部署时期），2X2MIMO场景的小区平均吞吐速率与8X2双流波束赋型的效果接近。在高负荷条件下，对比2X2MIMO场景，8X2双流波束赋型的小区平均吞吐速率会有一定幅度改善。上行链路8天线上行接收要明显优于2天线的场景，从小区边界速率到小区容量都要好于2天线MIMO从目前现场路测的单流波束赋型和双流MIMO测试数据看,结果也和上述仿真结果基本一致,在小区边界下行速率单流波束赋型要好;小区路测得出的下行平均速率双流MIMO要好。4覆盖能力分析由于LTE主要针对数据业务，通常在计算LTE覆盖时，往往以一定的边界速率为覆盖目标。依此为设计依据时，网络中通常是上行业务信道为受限信道。如:TD–LTE网络设定上行边界覆盖目标为200kbps时。然而，实际网络中，从终端最终是否出服务区来判定，决定小区的覆盖半径并非上行业务信道的速率。在多数情况下，在判决是否能驻留在LTE网络，或判决是否应该做异系统切换时，以UE接收到的RSRP（或RSRQ）为判决条件。PDCCH公共信道以及与之对应的RSRP(干扰受限时需参考RSRQ)通常成为受限因素。此时，上行业务信道的速率可维持在40kbps左右。根据以上两种思路，8天线和2天线覆盖能力分析的结果是不同的。当考虑上行速率要求，以上行业务信道为受限因素时，8天线在上行的链路储备要优于2天线，这种前提下，8天线基站的覆盖要好于2天线。当考虑覆盖范围最终以终端出LTE服务区为判决依据时，8天线的覆盖范围不强于2天线，原因是8天线在公共信道赋型时没有业务信道的赋型增益，而且根据某天线厂家提供的广播信道的赋形权值，可以看到广播信道的发射功率没有达到全部的可用功率。这样,8天线下行公共信道的覆盖性能和2天线覆盖性能基本相当。下图是用SCANNER从相同环境中测得的结果,其中2天线的天线增益为17dBi,8天线的天线增益为15dBi.从中可看出:2天线系统中的RSRP覆盖效果与8天线的覆盖相比主瓣方向略强,但基本相当.如下图:上述测试中使用的基站天线为常见的型号。目前市场上在同样物理尺寸的条件下,8天线的增益要小于2天线2-3dB左右。因而，在部署网络中，如果天线高度要求一定，8天线和2天线下行公共信道的覆盖效果基本是相当的。所以，在网络中根据实际系统中的判决机制，覆盖取决于公共信道的有效辐射功率，8天线的覆盖距离与2天线基本相当。而如果，以一定的速率为准考察覆盖能力，则8天线要好于2天线。5应用场景综合来看，室外部署8天线和2天线各有优势.利用各自的特点,他们的部署场景可以互相补充。在城区和密集城区，站间距较小（大约200到500米左右），下行公共信道通常是受限因素，考虑到上述2／8天线的覆盖特点对比及共址时安装条件要求较高，在这类场景下，建议选择两天线.8天线的优势是可以通过波束赋型在业务功率受限场景，提高网络边界下行的性能，以及总的上行性能，所以在安装条件允许的情况下，也可选择8天线。6国际商用情况及未来的演进目前来看，已经部署LTE的运营商选择2天线MIMO技术的占主要部分，原因是其侧重点主要在技术的成熟程度和提高下行峰值速率上。而且，在天线安装，抗风能力等方面2天线也较有明显优势。8天线波束赋型虽然在边缘速率等方面有明显改善，但8天线的安装实施要求较高，效果还受制于天线的校准，天线系统随时间的恶化程度等影响，所以目前商用LTE网络中应用不多。另外，整体基站的费用也是其考虑的一个重点因素。8天线的多通道RRU与天线，以及安装要求等都会增加基站的初期投入；在运维方面，同样8天线基站的运维费用也高于2天线。在未来演进方面，2天线会向4天线接收及4流MIMO方向演进。目前已有运营商开始考虑先从4X2MIMO部署开始。而目前的8天线单流波束赋型会升级为8天线双流波束赋型。