TD—LTE系统天馈演进策略探讨

杨雪枫 张科

【摘要】 本文首先对TD-LTE（D频段）与TD-SCDMA（F、A频段）共用天馈线的性能进行了理论分析，针对共用天线引起的控制信道（无波束赋形）和业务信道性能变化进行了系统仿真验证，随后针对TD-LTE室内分布的天馈形态进行了分析，最后针对TD-LTE天馈线的工程实施方案进行了探讨。

【关键词】 MIMO波束赋形 半功率 波束宽度

A Discussion for Evolution Strategy of TD-LTE Antenna System

Yang Xuefeng China Mobile Group Design Institute Co.，Ltd.

Zhangke China Mobile Group Design Institute Co.，Ltd. Guangdong Branch

Abstract Firstly， the performance of shared antenna system including TD-LTE （D band） and TD-SCDMA （F， A band） was theoretically analyzed， besides this， a system simulation aiming at the performance change of control channel （without beamforming） and traffic channel caused by sharing antenna is made. Subsequently the antenna pattern aiming at TD-LTE indoor distribution system is analyzed， finally a discussion for the project implementation of TD-LTE antenna system are discussed.

Keywords Multiple-Input Multiple-Output ； Beamforming ； Half power beam width

一、概述

1.1 TD-LTE系统天馈线基本形态

为满足TD-LTE系统不同场景下的部署需求，3GPP R9 版本定义了八种多天线传输方式。多天线系统就是收发双方都采用多根天线进行收发，通过适当的发射信号形式和接收机设计，多天线技术可以在不显著增加无线通信系统成本的同时，大大提高系统的容量，借助于TD-SCDMA的已有天线网络，将多天线技术引入TD-LTE，一方面可以提高TD-LTE网络性能，另一方面可以促进兩网平滑演进，同时充分挖掘多天线技术的优势。

这种传输模式需要多种天线形态的支持，目前经常使用的天线，从排布上主要分为线阵和圆阵；从极化方向上主要分为单极化、±45°双极化、垂直水平极化；从天线的单元方向图上主要分为定向天线和全向天线。

单极化天线为最初的线阵形式，由于后期的风阻太大，而逐渐被淘汰。±45°双极化天线使得天线尺寸大大减小，性能也比较有保证，因而成为目前的主流。

定向天线有较为固定的能量辐射范围，具有针对性发射性，适用于较远距离的传输，而全向天线是向四周都发射信号，天线周围都能收到信号，但传输距离较小，适用于室内、补盲等。

天线阵元间距较小的天线，各天线之间的相关性较高，可以获得较大的赋形增益，主要用于城区宏蜂窝小区，而对于天线阵元间距较大的天线，主要是利用各天线信道之间的独立性，获得分集增益，一般主要应用于微蜂窝小区。

目前双极化的2、4、8天线在LTE在现阶段都有很大应用和部署、比如日本采用的全向4天线部署、 印度主要采用双极化定向4天线部署、欧洲一些国家主要采用双极化定向两天线部署。

1.2 与TD-SCDMA系统的共用需求

中国移动已经广泛部署的TD-SCDMA系统普遍使用双极化八阵元智能天线，研究分析表明，TD-LTE系统使用八阵元智能天线实现MIMO技术相对于两阵元双极化天线具有一定的性能优势，尤其是在小区边缘性能方面。

TD-LTE与TD-SCDMA系统共天馈的主要驱动力包括：（1）工程需求的驱动。频段扩展到2.6GHz频段时必须“新增”一套天馈系统，实际网络建设困难较大，同TD系统的共站址需求强烈。（2）技术需求的驱动。使用智能天线技术改善用户在小区边缘和中心throughput的不平衡，提升用户满意度，同时天馈系统的宽带化代表未来发展趋势。

天线融合的基本技术要求包括：（1）支持双极化：满足空间独立性且天线尺寸减小50%，安装方便。（2）支持宽频化：支持F、A、D频段，实现TD-SCDMA及TD-LTE共用天馈，降低建设难度。（3）支持Beamforming + MIMO的多天线技术。

TD-SCDMA室内分布系统支持800MHz-2500MHz频段，从频段支持能力上，TD-LTE（E频段）可以与TD-SCDMA共用室分系统，但需明确改造需求。

二、宏基站天馈线演进策略

2.1 FAD天线性能

智能天线波束赋形技术在阵列信号处理领域中一般指根据参数计算最优权向量的过程，而有时则泛指根据测量以及估算参量进行数字信号处理（可包括时域和空域）的过程。这里波束赋形技术是指根据波束指向、束宽、零点方向、旁瓣级等要求计算最优权向量并形成波束的过程。

于业务波束而言，需要根据目标UE的空间特征，搜索最优赋性权值。

TD-SCDMA系统目前应用的FA天线、TD-LTE系统独立部署的D频段天线都是0.5波长的间距，FA天线频段上不能支持D频段，D频段天线不能支持FA频段。

为实现TD-LTE与TD-SCDMA系统共天馈设计，实现方式为研究支持FAD三个频段的天线，又简称为0.7波长天线。FAD天线的D频段，由于TD-LTE下行发射模式种类较多，MIMO端口映射情况较复杂，下行功率分配方式比较固定，控制信道如果仍旧使用TD-SCDMA的广播权值映射难度较大。FAD天线在D频段是0.7波长、其赋形能力要比D 频段天线0.5波长的效果稍微差一些。

FAD天线的FA频段天线增益相比FA天线的FA频段天线增益小0.5dB，该值对组网影响可忽略。D频段参数与单D天线存在一定差异，主要包括阵元波束宽度和阵元增益两部分。

2.2 控制信道性能

FAD天线，在FA频段性能与FA天线相当，关于上述广播、导频和业务等无任何影响。FAD天线D频段相比于单D天线，对广播赋形预期有一定影响。

FAD天线的D频段采用65度单元波束赋形为65度广播，赋形权系数效率低（有5.1至5.2dB左右的权系数效率损失）。建议采用50度宽度的广播波束代替原有65度的广播波束，以弥补广播信道的赋形损失。从目前的仿真来看， 50度波束宽度和65度的覆盖相比，50度波束宽度对组网性能带来的影响较小，即广播和导频的影响不大，分析其原因在于在扇区交叠区域，用户为干扰受限，覆盖宽度变窄会带来期望信号功率的下降，同时也会带来干扰功率的下降。

为研究FAD天线与D频段天线的TD-LTE网络性能，采用系统仿真方法进行研究，构建标准的城区和郊区宏蜂窝（标准规则6边形）模型，在城区使用站高30m，站间距500m，在郊区使用站高45m，站间距1732m进行建模。FAD天线间距为0.65λ，D单频天线间距为0.52λ。

公共信道仿真效果如图2所示：

从仿真结果来看，FAD天线与D单频天线在城区环境、郊区环境下PDCCH性能无明显变化。

FAD天线的D频段需要采用合适的广播波束赋形算法以便更好的满足组网需求。采用16.5dBi的50度宽度的广播波束代替效率下降的65度的广播波束情况下，可使D频段TD-LTE广播波束覆盖优于FA频段TD-SCDMA网络覆盖，实现TD-SCDMA和TD-LTE两网共覆盖。

2.3 业务信道性能

对于进行BF的业务，单元波束90度D频段天线相比65度FAD天线，从组网角度看对BF的性能影响不大。对D频段而言，间距从0.5λ增大为0.65λ，理论上波束赋形能力有所下降，但仿真表明，平均吞吐量，边缘吞吐量总体影响较小。FAD天线业务信道性能相对于D单频天线下降在5%以内，性能下降不明显。

三、室内分布系统演进策略

3.1 覆盖能力对比

在進行TD-LTE室分系统改造时，需以现有TD-SCDMA室内覆盖规划为基础进行；对于完全新建的TD-LTE室内分布系统，也应综合考虑GSM、TD-SCDMA的覆盖需求进行规划设计。因此首先需要对比TD-LTE与TD-SCDMA室内链路预算情况，以掌握二者覆盖能力的差异。相关指标取定情况如下：（1）TD-SCDMA：依据目前工程相关指标要求，PCCPCH最小接收电平取-85dBm；天线口PCCPCH信道（双码道）功率分别取5 dBm 和10dBm。（2）TD-LTE：系统总带宽20MHz；单用户10RB；基站单通道发射功率43dBm，终端最大发射功率23dBm；目标边缘业务速率1Mbps，室内RSRP不低于-105dBm。（3）TD-LTE理论计算的最大允许路径损耗为117.2dB，与TD-SCDMA基本相当。TD-LTE天线点间距可基本参照现有TD-SCDMA系统进行设置。

3.2 双路室分建设需求

双路室分系统相对于单路系统下行有约1.5-1.8倍的增益，技术优势明显。同时性能增益与传播环境相关，密集隔断区类似的多径丰富场景下双路增益更明显。应用两路单极化天线时，系统增益随着双天线间距的增大（从2λ至12λ）有明显提升。因此为保证MIMO性能，同时综合考虑工程实施，天线间距范围建议为0.5米-1.5米（ 4λ至12λ ）。应用双极化天线时，其在下行方向与双路天线间距4λ- 6λ时的性能接近，在该情况下可以达到与单极化天线类似的性能。

3.3 双路室分建设方案

TD-LTE室分建设模式主要是在已有室内分布系统基础上改造，而中国移动已有2G和TD室内天馈线系统都是采用SISO的建设方式，因此依据现有传统方式，实现TD-LTE技术的解决方案如下：（1）建设方案一（双路）：两路新建。即TD-LTE独立新建两路分布系统，需新建两套室内天馈线系统。（2）建设方案二（双路）：一路新建、一路改造。即TD-LTE一个通道通过合路器共用原分布系统，另外一个通道独立新建一路分布系统。（3）建设方案三（单路）：改造原分布系统，单路系统仅使用一个通道，通过合路器共用原分布系统。其中天线实现方案又包括两个单极化天线组合、双极化天线两种。

四、TD-LTE系统天馈线实施方案

4.1 宏基站

TD-LTE天馈线建设方案如图3所示。

通过使用FAD天线降低对天面资源的需求量，在建设难度和投资方面占有优势。在对现网网络性能、工程实施、设备故障处理以及网络优化质量等方面独立天馈方式存在不同程度的优势。两种建设方式的方案对比如表1所示：

三种共天馈方案的差异主要体现在合路器的位置，二合一天线方案由于天线实现难度大难以实施，D频段RRU内置合路器方案相对具有更高的可靠性更适于采用，如表2所示。

共天馈、独立天馈两种方案各有优缺点及适用场景。在建设难度和投资方面共天馈方式占有优势，在对现网网络性能、工程实施、设备故障处理以及网络优化质量等方面独立天馈方式存在不同程度的优势。

若采用共天馈方案，应重点关注如下问题：（1）注意控制工程实施时对现网的影响；（2）加快天馈部分的施工时间、并保证施工质量；（3）在网络优化中，应尽量兼顾两网共同发展。

4.2 室内分布系统

TD-LTE系統室内分布覆盖能力与TD-SCDMA基本相当。双路天馈线系统相对于单路系统在容量上具有约1.5-1.8倍的增益，分布系统的小区容量有明显提升。但因涉及到新建天馈线系统，建设工程量大，物业协调难度高，总体建设难度较大，同时双路分布系统的建设成本约为改造单路分布系统的4-12倍。

综合以上分析，对于TD-LTE室内覆盖系统可以采取以下建设策略：（1）对于新建场景：由于单路、双路室分建设难度基本相当，应优先考虑双路系统的容量优势，初步建设以双路室分系统为主，提升容量。（2）对于改造场景：有较大容量需求、且具备建设条件的场景应优先建设双路室分系统，对于点位受限场景可适当考虑应用双极化天线；对于其他场景，应按照合路方式考虑，后续若有进一步的容量需求，可通过空分复用、小区分裂、增加载波等方式扩容。

五、总结及展望

本文对TD-LTE天馈线系统的研究策略进行了分析，通过使用FAD天线，TD-LTE宏基站能够与TD-SCDMA系统共天线，FAD天线对TD-LTE D频段的支持能力是可以满足网络部署要求，广播信道采用改进的算法后可以达到与D单频天线类似的性能，波束赋形上性能有劣化，但通过系统仿真验证性能损失在5%以内，FAD天线具备部署条件。从工程实施角度看使用FAD天线实现共天馈部署与D单频天线部署具备各自的优缺点，需根据场景进行选择。TD-LTE室内分布系统具备与TD-SCDMA系统相当的覆盖能力，可以实现与TD-SCDMA系统共分布系统应用，TD-LTE MIMO双路系统具备明显的性能增益，但同时也面临投资大、建设难度大等问题，可以根据物业点的实际需求考虑建设。

天线性能与TD-LTE网络性能密切相关，FAD天线、室内分布双极化天线尚无大规模商业部署经验，因此后续还需要进一步关注和优化天线性能，完善天线设备规范，推进TD-LTE天馈线系统的演进发展。

参 考 文 献

[1] 陆庆杭，刘. TD-SCDMA向TD-LTE演进方案探讨. 《邮电设计技术》，2013年04期

[2] 赵旭凇，张新程，徐德平，张炎炎. TD-LTE无线网络规划及性能分析