TD-LTE天线HBW在典型场景下的仿真评估

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 引言

随着移动高速数据业务的发展，在移动互联网时代，数据流量将呈现爆炸式增长，为提升中移动TD-LTE网络竞争力，如何通过天线和网络的配合实现最优的网络性能，尤其是提升吞吐量，对天线的设计和发展提出了一系列的挑战。

信号接收电平（RSRP）和小区平均吞吐量（CAT）指标是TD-LTE网络规划最重要的指标。RSRP代表网络信号的强度，体现了可接入性；CAT代表网络的容量，意味着数据传输能力的强弱，可以说TD-LTE网络性能与RSRP、CAT息息相关。

本文从网络性能的角度，通过网络仿真评估，以RSRP、CAT为网络性能指标，给出TD-LTE系统天线水平波束宽度（HBW）在密集城区、一般城区、郊区及农村等场景下的应用建议。

2 网规仿真

2.1 天线模型

水平波束宽度（HBW）天线模型的水平方向图按照3GPP 25.966的方式生成，即：

2.2 仿真场景

本文采用TD-LTE网规仿真，仿真参数参考中移动TD-LTE扩大规模试验网系统仿真参数，部分参数如下：

* 站间距（m）：300/500/1 732；

* 天线挂高（m）：25/25/35；

* 建筑物穿透损耗（dBm）：20/20/12；

* 传播模型: Cost-Hata HW。

2.3 HBW仿真结果及评估

2.3.1 不同站间距的仿真结果

根据不同站间距(ISD)仿真结果，不同HBW在不同倾角下对网络性能的影响（包括站间距300 m、500 m、1732 m）如图 1和图 2所示。

(1) 根据对现网工参的统计，站间距为300 m、500 m时，对应密集城区、一般城区场景，根据不同站间距在最优倾角下的性能对比，最优HBW均集中在50°～ 60°；

(2) 站间距为1732 m时，对应郊区、农村场景，以现有数据（HBW=45°～90°），90°最优，但鉴于90°时拐点并未出现，因而需要继续分析。

2.3.2 密集城区、一般城区场景的仿真评估

通过第一阶段的仿真评估，密集城区和一般城区场景下最优HBW均集中在50°～60°之间，故第二阶段将此范围内HBW进一步细化，以便找到更准确的最优HBW。

容量分析：对比不同HBW在各自最优倾角下对网络性能的影响，以最优HBW容量为基线，不同HBW在最优倾角下的容量增益参考图 3。

通过上述的评估结果：

(1) 在不同的站间距下，最优HBW有所不同：

*ISD=300 m，对应密集城区场景，最优HBW=53°；

图1 不同HBW，不同倾角对小区平均吞吐量（CAT）(Mbit/s）的影响

图2 不同HBW，不同倾角对边缘接收信号强度（eRSRP）(dBm)的影响

图3 不同HBW在最优倾角下的容量增益

*ISD=500 m，对应一般城区场景，最优HBW=55°。

(2) 以最优HBW容量为基线：

*ISD=300 m，HBW=50°～ 56°，CAT相 差<0.5%；

*ISD=500 m，HBW=52°～ 58°，CAT相 差<0.5%。

覆盖分析：对比不同HBW在各自最优倾角下对网络性能的影响，以最优HBW覆盖为基线，不同HBW在最优倾角下的覆盖增益参考图4。

图4 不同HBW在最优倾角下的eRSRP增益

通过上述的评估结果：

(1) 最优倾角下，HBW越大，eRSRP越大；

(2) 以最优HBW的eRSRP为基线，其它HBW的eRSRP相差<1 dB。

2.3.3 郊区、农村场景的仿真评估

通过第一阶段的仿真评估，对于站间距为1732 m时，从45°～90°，容量一直在提升，没有出现拐点。为了得出评估结论，第二阶段将HBW的角度范围调整为 70°～ 120°。

覆盖分析：对比不同HBW在各自最优倾角下对网络性能的影响，以最优HBW覆盖为基线，不同HBW在最优倾角下的覆盖增益参考图5。

图5 不同HBW在最优倾角下的eRSRP(dBm）及增益

通过上述的评估结果：

(1)ISD=1732 m，对应郊区、农村场景，HBW=100°时，eRSRP最优，即最优HBW为100°；

(2) 以最优HBW的eRSRP为基线，ISD=1732 m时，HBW=70°～120°，eRSRP相差<0.3 dB。

容量分析：对比不同HBW在各自最优下倾角下对网络性能的影响，以最优HBW容量为基线，不同HBW在最优倾角下的容量增益参考图6。

图 6 不同HBW在最优倾角下的CAT(Mbit/s)及增益

通过上述的评估结果：ISD=1 732 m，HBW=70°～120°，CAT随着HBW的增大而明显减小。在以覆盖为主要指标且保证容量不过差的情况下，可适当将HBW减小。

3 初步结论及应用建议

3.1 初步结论

3.1.1 各种典型场景下的最优HBW

不同站间距在最优倾角下的最优HBW不同，其中密集城区、一般城区场景均以容量为主要指标进行评估，郊区、农村场景以覆盖为主要指标进行评估：

(1) ISD=300 m时，对应密集城区场景，最优HBW=53°；

(2) ISD=500 m时，对应一般城区场景，最优HBW=55°；

(3) ISD=1 732 m时，对应郊区、农村场景，最优HBW=100°。

3.1.2 HBW偏离最优值时网络恶化情况

(1) 密集城区、一般城区场景，HBW偏离最优值：

* ±3°以内时，CAT恶化＜0.5%，eRSRP波动＜1 dB；

* ±5°以内时，CAT恶化＜2.0%，eRSRP波动＜1 dB；

* ±10°以内时，CAT恶化＜7%，eRSRP波动＜2 dB。

(2) 郊区&农村场景，当HBW=90°～100°，既保证了eRSRP又提升了系统的容量。

3.2 应用建议

对于密集城区、一般城区场景，TD-LTE系统应优先满足容量需求，同时兼顾覆盖需求。最优HBW附近，在容量上有拐点，而覆盖单调上升，因此取值范围不宜以最优容量点为中心，而应偏向大于最优值方向。TDLTE天线HBW推荐范围：56°～66°，相对于传统观念城区HBW以65°为中心有一定的差别。

对于郊区和农村场景，用户对于流量的需求相对较小，因而覆盖是衡量网络的重要参数。最优HBW附近，在覆盖上有拐点，而容量单调下降，因此取值范围不宜以最优覆盖点为中心，而应偏向小于最优值方向。TDLTE天线HBW推荐范围：87°～97°，相对于传统观念郊区、农村HBW选90°或以上有小幅的偏差。

[1] 刘英，龚书喜. 移动通信系统中的天线[M]. 北京：电子工业出版社，2011.

[2] 李小明，卢凤辉，刘旸. 紧凑型TD-SCDMA智能天线仿真性能分析[J]. 电信工程技术与标准化，2008(10).

[3] 蒋远，汤利民. TD-LTE原理及网络规划设计[M]. 北京：人民邮电出版社，2012.

[4] 3GPP TR 25.966 V9.0.0, Spatial Channel Model for Multiple Input Multiple Output (MIMO) Simulations[S].