LTE多天线技术发展趋势
2014-12-31谢伟良
毕 奇，谢伟良，陈 鹏
（中国电信股份有限公司技术创新中心 北京 100031）
1 引言
目前，第四代移动通信长期演进（longtermevolution,LTE）技术正处于全球大规模商用部署阶段，国内外运营商均在积极建设LTE网络，以满足飞速发展的移动互联网业务需求。与传统2G和3G系统相比，LTE系统的特点之一就是采用了多天线技术，从而突破传统单天线信道容量极限，有效提高系统频谱效率。
目前无线信号基带处理技术已经成熟，通过应用先进的信道编码、调制、差错控制等技术，使得移动通信系统性能逼近香农理论极限，单纯通过基带处理技术已经较难大幅提升网络性能。天线作为移动通信的重要环节，在过去很长一段时间内，都未被重视。20世纪90年代贝尔实验室关于多天线技术的一系列突破性研究，包括Foschini以及Telatar等人对MIMO信道容量的研究，发现了多天线技术的容量在高信噪比下随收发天线数目线性增加[1，2]。1996年Foschini等首先提出MIMO系统的一种实现结构BLAST[3～5]，并证明其可将传统无线链路的容量提升20～30倍。上述成果极大地开阔了移动通信研究的视野。在此之后，学术界和工业界掀起了对多天线技术研究和应用的热潮。
2 技术现状
3GPP LTE技术规范R8版本中定义的多天线技术，下行支持4天线4层发送，上行支持单天线发送。LTE R8的多天线技术包括发射分集、开环空分复用、闭环空分复用、波束成形等。在中国移动通信集团公司（以下简称中国移动）和大唐电信的共同推动下，R9版本中下行引入了双流波束成形技术。R10版本中对多天线技术进行了进一步增强，支持下行最多8天线8层发送，上行最多4天线4层发送，峰值频谱效率可提高至下行 30 bit/(s·Hz），上行 15 bit/（s·Hz）[6]。
多天线技术可以在相同时域和带宽的基础上，通过对空间的利用，显著提升系统容量。但多天线技术的部署涉及运营商天面的工程改造，在天面资源日益受限、天线安装难度大的背景下，如何解决系统增益和多天线的体积及重量，成为实业界研究和讨论的重点。3GPP在制订LTE标准的过程中也考虑到各运营商在部署多天线时的限制。AT&T、CMCC、NTT DoCoMo、Orange、Vodafone 等 全 球 主 流运营商共同向3GPP提交了有关天线形态的建议[7]，见表1，以实现多天线技术带来的增益。其中，||表示同极化，X表示交叉极化。对于天线形态，基本上分为小间距与大间距两钟。若采用小间距，一般选取0.5λ；若采用大间距，则一般选取4λ～10λ。
表1 运营商关于天线形态的建议
2.1 TD-LTE多天线波束成形技术
在TD-SCDMA部署的基础上，中国移动在国际上率先提出并部署了TD-LTE的8天线技术方案。该方案采用4列双极化振子水平排列，振子间距0.5λ，下行通过8天线进行波束成形，上行通过8天线进行分集接收。天线结构如图1所示。
图1 双极化智能天线示意
天线间距的大小决定了天线的宽度，同时还会影响到各列天线的性能指标。中国移动双极化智能天线[8]采用波束成形技术。由于各阵列之间的互耦，单阵列的天线水平面方向图与常规双极化天线存在较大差异，水平面波束宽度变宽，天线增益降低，并伴有波束指向偏斜，测试结果如图2所示。为了补偿，单阵列水平面波束宽度变宽的问题，TD-LTE的广播和控制信道的波束宽度进一步通过静态波束成形来解决。
图2 常规65°双极化天线与智能天线单阵列水平面方向图
从上述分析和测试结果可以看出，0.5λ小间距的多天线技术方案适合于下行波束成形技术。上行采用分集接收时，由于多根天线的水平面方向图存在偏差，波束指向偏斜，导致上行分集效果变差，影响基站扇区化覆盖性能。
2.2 LTE-FDD多天线覆盖增强技术
为了解决高频组网的覆盖问题，中国电信集团公司（以下简称中国电信）进行了多天线覆盖增强技术研究。与TD-LTE的多天线技术聚焦下行速率方案不同，LTE-FDD覆盖增强技术聚焦上行分集增益。从天线设计来说，分集技术要求天线每阵列的相关性越小越好。理论分析表明，天线阵列的最佳间距为10λ。然而，10λ天线间距会导致天线体积和重量过大，无法在实际工程中安装。因此，在保证各阵列天线技术参数满足系统要求的条件下，尽量减少天线间距，成为中国电信技术创新中心“蓝极光”计划的研究内容之一。
2.2.1 天线测试
表2列出不同阵列间距的8天线样机测试结果。随着阵列间距增大，天线水平波束宽度变窄，天线增益提高。阵列间距为0.5λ时，天线水平波束宽度为77°，超出传统65°水平波束宽度指标18%。测试表明，当天线间距大于0.8λ时，天线单阵列的性能指标基本能够达到传统天线指标要求。
2.2.2 仿真分析
除了天线性能指标外，通过进一步应用Atoll网络规划软件仿真，得到不同天线指标对系统性能的影响结果。仿真采用的8天线参数见表3，仿真结果见表4。
与传统10λ天线性能相比，当8天线阵列间距为0.5λ时，由于水平面波束宽度展宽导致天线增益下降，小区上下行平均吞吐率和边缘用户吞吐率与参考天线相比，均有下降；当阵列间距为0.8λ时，由于水平面波束宽度和参考天线相当，小区上下行平均吞吐率和边缘用户吞吐率与参考天线相似。
从上述结果可以看出，天线阵列间距在仿真中对吞吐量的影响并不大。但仿真结果与信道建模有很大关系。由于目前所有的信道建模，包括3GPP的信道建模，都与实际信道有较大差别，使得仿真结果对实际的指导意义有极大的不确定性。为了论证多天线技术在实际应用中的效果，中国电信在国际上率先部署了规模LTE-FDD 8天线网络，并联合业界主流厂商在多个城市进行了一系列测试，包括实验室测试、单站测试、多站多干扰源测试、连续组网测试以及规模过百站的商业混合组网测试，系统和全面地研究了LTE-FDD多天线技术在实际组网环境中的性能。
2.2.3 测试结果
由于篇幅关系，这里主要给出实验室测试和商用混合组网测试结果。实验室测试主要是验证基站在标准信道模型和一定的干扰条件下，采用MRC和IRC算法，8天线接收相比2天线接收的SNR增益，测试结果如图3、图4所示。
从图3、图4可以看出，在实验室测试条件下，当使用MRC算法时，厂商设备的平均SNR增益能达到6.5 dB；当使用IRC算法时，厂商设备的平均SNR增益能达到7 dB。
如前所述，由于目前信道建模与实际信道差距甚远，仿真和实验室都只能得到在理论信道模型条件下的性能增益。该增益并不代表实际网络能够获得相应的增益。为此，中国电信对8天线的性能进行了大量外场测试。图5给出一般市区混合组网环境下接收信号强度（RSRP）的比较。该测试区域面积约30 km2，测试区域内有36个2T8R小区及74个2T2R小区。测试路线遍历测试区域的主要道路，获得有效采样点8万个。通过选择测试区域，从图5可以看出，测试区域中2天线与8天线覆盖情况基本一致，具备性能对比条件。
表2 LTE-FDD不同阵列间距天线样机性能测结果
表3 仿真天线关键技术指标
表4 阵列间距对网络性能影响仿真结果
图3 MRC算法，当MCS=4时，8天线/2天线SNR增益测试结果
图4 IRC算法，当MCS=4时，8天线/2天线SNR增益测试结果
图5 混合组网测试RSRP CDF曲线
为了更合理地对比2天线与8天线接收在实际网络中的性能，将2天线与8天线的接收信号对齐，选择在同样导频接收信号强度RSRP条件下来进行比较。结果如图6、图7所示。
从图6、图7中可以看出，在不同的无线环境下，8天线技术的增益以不同方式体现。在网络覆盖较差的边缘区域 （RSRP<-95 dBm），8天线技术相比于2天线技术上行速率提升显著，终端发射功率相当。在网络覆盖较好的中近区 （-85 dBm
3 大规模MIMO技术
3.1 概述
图6 混合组网下2天线与8天线上行速率性能对比
图7 混合组网下2天线与8天线上行终端发射功率对比
目前由于天线尺寸的限制，LTE商用系统的下行波束成形和上行的分集接收天线数都被限制在8个。中国移动与中国电信在TD-LTE和LTE-FDD的多天线的商业应用尝试中，都走在了世界的前列。由于增加天线数目具有提升移动通信系统性能的潜力，国际上对下一代移动通信的研究重点之一，聚集在进一步大规模地增加天线数目的目标上[10～17]。从目前来说，大规模MIMO的应用场景和天线数目，主要与下一代移动通信的频段发放有关。在保持天线尺寸与目前相当的条件下，通信频段选取得越高，可增加的天线数也就越多。对于低频段，大规模MIMO的部署可能需要通过使用传统天线原有的的振子数来解决。在这样的条件下，大规模MIMO技术的增益必须同时补偿从传统天线原有振子能够得到的天线增益。
3.2 大规模MIMO的设计趋势
在前面章节，谈到天线的两种形态。对于中国移动推进的8天线TD-LTE系统，系统增益主要聚焦于波束成形。因此基站端天线不同阵列之间需要具有高相关性。天线阵列的间距采用0.5λ波长来设计。对于中国电信尝试的LTE-FDD的8天线系统，系统增益主要通过分集技术。基站端天线之间需要具备低相关性。虽然理论上，低相关性天线阵列之间的间距应该按10λ来设计，但实际部署表明，大约0.8λ的天线设计能够获得可接受的商用天线设计方案。
根据理论分析，MIMO的增益主要来源于3个方面，即波束成形（包括预编码）、空间复用（spatial multiplexing）以及分集 (diversity)[18，19]。其中第一个方面需要高相关度的天线阵列，而后两种用低相关的阵列更为有利。尽管在基带处理方面，可根据获得的信道矩阵，信号处理时用不同的算法在这3种形态下自由切换，但对天线设计来说，确定的天线形态将决定主要增益的来源。从目前的趋势来看，对下一代移动通信系统中大规模MIMO的天线选取，更多厂商趋向于采用高相关性天线阵列[20]。因此，下一代大规模MIMO的主要增益来源极可能将通过多用户预编码的方式，利用与波束成形等效的方法获得。
3.3 大规模MIMO技术的应用场景
大规模MIMO技术的应用场景如图8所示。作为4G MIMO技术的扩展，大规模MIMO的潜在应用场景包括城区宏覆盖、城区微覆盖及郊区覆盖。其中，将大规模MIMO应用于用户密度较大的城区宏覆盖和城区微覆盖场景，是提高系统容量的主要目标。通过在水平和垂直维度上进行天线波束成形，大规模 MIMO技术可以同时为处于建筑物内不同楼层以及建筑物外的用户提供服务，成为潜在地解决高层建筑物覆盖问题的技术方案。
图8 大规模MIMO应用场景示例
宏、微基站之间的无线回传也是大规模MIMO的潜在应用场景之一。在实际网络部署过程中，提供回传链路是影响网络建设成本的重要因素。伴随着大规模MIMO的广泛部署，具有高增益的波束成形方案的成本大大减少，为解决无线回传的可行性方法提供了一种新的思路和方案。
3.4 大规模MIMO的技术挑战
大规模MIMO技术是目前移动通信领域容量潜力最高的技术之一。但是从系统设计及工程实现的角度，仍然有众多关键技术问题需要有效地解决。
有源集成化天线：由于波束成形的需要，天线设计需要将有源电路与天线阵子进行结合，构成高度集成化的有源天线系统。对天线系统的结构、尺寸、重量、散热、级联及维护等都提出了挑战。特别是在天线共享方面，大规模MIMO无法与2G、3G以及现有系统共享天线。在天线资源日益紧张的环境下，这种天线形态能否成功地实现大规模的商用化，存在一定的风险。
信道信息精确度及反馈开销：对于大规模MIMO，每个天线都需要较高精度的信道状态信息。信道估计的精确度、时延以及庞大的反馈开销及处理将成为影响能否获得较好增益的关键因素。信道的变化速度、覆盖环境的复杂度、蜂窝信号的干扰强度以及反馈信息的速度，也都是影响大规模MIMO的效果和成功部署的关键。
控制广播信道设计及算法稳定性：尽管对大规模MIMO已经存在大量研究，但其与控制广播信道的联合设计以及各算法在实际复杂环境中的稳定性，还不具有足够的实际经验。因此，一定时间的规模部署磨合期将不可避免。
3.5 大规模MIMO的标准化进展
ITU于2012年启动针对5G系统的各项研究工作，目前5G系统的需求、愿景、关键技术、技术发展趋势以及频谱等方面均仍处在研究阶段。工业和信息化部、国家发展和改革委员会于2013年2月组织国内运营商及相关设备制造厂商、科研单位成立了中国IMT-2020（5G）推进组，并在2013年12月正式启动大规模 MIMO关键技术的研究工作。
大规模MIMO技术作为5G系统的重要备选技术，与其相关的技术演进和标准化研究工作也已在3GPP标准化组织中分阶段展开。
· 阶段1，主要工作是三维信道模型标准化[20]。3GPP标准化组织于2013年9月启动了对三维信道模型的研究工作，为后续的3D-MIMO和大规模MIMO的研究工作做准备，有望于2014年9月完成。
·在阶段2，主要工作是3D-MIMO的标准化。目前，3GPP标准化组织已经开始准备关于3D-MIMO的研究立项，研究内容包括更多的天线端口数（如16、32、64个）、3D-MIMO的设计方案以及性能评估，并希望尽快启动相关研究工作。从目前来看，3D-MIMO技术有望在3GPP R13版本中引入。
·阶段3，将对大规模MIMO进行标准化。大规模MIMO将通过在阶段2的基础上进一步增加基站侧天线数目（如128、256根等），实现 10个或更多用户的多用户传输。大规模 MIMO标准化工作的具体时间取决于3GPP标准化组织对5G系统标准化的整体时间安排，预计在R14/R15版本展开研究，并在2020年之前完成相关标准化工作。
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