TD—LTE网络2/8天线性能对比研究

符新 王洪梅 张立武

【摘要】 本文基于移动通信中的多天线技术，尤其是LTE系统的MIMO传输模式进行分析，并对2/8天线性能对比研究，对未来部署2/8天线提出相应的建议。

【关键词】 LTE MIMO 2/8天线

TD-LTE系统中采用了多天线技术：在上行链路，多天线接收技术包括上行传输天线选择（TSTD）和MU-MIMO；在下行链路，包括传输分集（SFBC， SFBC+FSTD，闭环Rank1预编码）、 空间复用（开环空间复用、闭环空间复用以及MU-MIMO）。

MIMO即Multiple Input and Multiple Output，它利用多个发射天线、多个接收天线进行高速数据并行传输；MIMO适用于多散射体的无线环境，在这种环境下，来自每个发射天线的信号在每个接收天线中是不相关的，在接收机端利用这种不相关性对多个天线发送的数据进行分离和检测。即通过一系列复杂的发送接收技术，实现系统容量的提升。相比于传统单天线系统中对多径效应采取克服和避免的方法，在多天线（MIMO）系统中，多径效应变成了一个有利因素并被加以利用。（图1）

在MIMO系统中，当各天线相互独立时，较单天线系统可以显著提高信道容量。增加的信道容量一方面可以用来提高信息传输速率，另一方面也可以通过增加信息冗余度来提高系统的传输可靠性，或者在两者之间得一个合理的折中。MIMO的主要技术分为空间复用和分集。空间复用提高频谱利用率，使系统在一定的频带内获得更高的数据速率，而分集技术可以提高系统的传输可靠性，降低接收机灵敏度，从而提高系统容量和小区覆盖半径。

当采用MIMO技术时，在高SNR情况下，MIMO提供比非MIMO情况高的比特速率；当低SNR情况下，MIMO作为基本的空间分集技术使用。见图2。

一、MIMO技术的分类

1.1从MIMO的效果分类

传输分集（Transmit Diversity）：利用空间信道的弱相关性，结合时间、频率上的选择性，发射或接收一个数据流，避免单个信道衰落对整个链路的影响。

空间复用（Spatial Multiplexing）：利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，向一个终端/基站并行发射多个数据流，以提高链路容量（峰值速率）。

波束赋行（Beamforming）：利用较小间距的天线阵元之间的相关性，通过阵元发射的波之间形成干涉，集中能量于某个（或某些）特定方向上，形成波束，从而实现更大的覆盖和干扰抑制效果。

空分多址（SDMA）：利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，向多个终端并向发射数据流，或从多个终端并行接收数据流，以提高用户容量。

四种技术对应空间信道的要求不同，低信噪比区域斜率较大，传输分集和波束赋形可以有效提高信噪比，从而提高容量和覆盖范围；高信噪比区域，容量曲线比较平坦，提高信燥比意义不大，应用空间复用技术来提高传输速率。

1.2从是否在发射端有信道先验信息分

闭环（Close-Loop）MIMO：通过反馈或信道互异性得到信道先验信息

开环（Open-Loop）MIMO：没有信道先验信息

二、传输模式的分类

在3GPP的R8版本中，TD-LTE系统基本的MIMO配置是：下行天线支持2×2，即2天线发送2天线接收，上行天线支持1×2，即1天线发送2天线接收。TD-LTE系统中的多天线技术主要有发射分集、码字和层映射、预编码、波束赋形等技术。实际网络中TD-LTE的多天线发送方式可以根据信道情况从规定的8种天线传输模式中选择。标准中规定的8种天线传输模式如表1所示。

传输模式是针对单个终端的，同小区不同终端可以有不同传输模式。eNB自行决定某一时刻对某一终端采用什么传输模式，并通过RRC信令通知终端。模式3和模式8中均含有单流发射，当信道质量快速恶化时，eNB可以快速切换到模式内发射分集或单流波束赋形模式。

三、2/8天线混合组网研究

2天线和8天线是TD-LTE网络组网的2种选择。从理论分析来看，2/8天线各有优势，分别适合不同的应用场景。在实际网络中，往往不会只存在一种天线模式。由于工程难度，有一定比例站点只能选用2通道天线，因此，现网的实际情况往往是2天线和8天线混合模式。本项目将从以下几个方面来研究TD-LTE在2通道天线和8通道天线混合组网情况下的簇优化原则和性能分析：

2通道天线和8通道天线在无线特性上是有差异的，这些差异来自于：

（1）天线绝对增益的差异，相同尺寸2通道天线和8通道天线存在增益的绝对差异，天线的增益差会同时反应到下行和上行。一般对比情况如下：

（2）在上行方向上，由于8通道天线存在多路分集，因此会额外有4.5-6dB的增益，这样对于8通道天线小区来讲，上行的增益会比较明显。8通道天线在数据信道上有理论上4-5dB的波束赋型增益，但在实际中是否能完全得到该增益也需要和现场情况结合。例如：UE根据CRS上报CQI，但CRS并没有赋型增益。

（3）8通道天线的下行控制信道并没有赋型增益，存在差异。

从组网上看，2/8天线混合组网是可以分为随机插花的方式和连续成片的方式，见图3。

因为2通道天线和8通道天线存在不同的无线特性，所以簇优化时需要基于1对1的2/8邻区进行优化，比如基于邻区的CIO参数，以及结合CIO进行微调的小区级参数a3offset。以上图为例，随机插花相对于小区连片就存在以下两方面复杂性的差异：

（1）邻区的类型更为多样，对于采用连续成片组网方式的簇，簇内只存在纯2邻区、纯8邻区和2/8混合邻区三种邻区类型。但采用随机插花组网方式的簇就存在纯2邻区、纯8邻区、2/8混合邻区、2面向全8的邻区和8面向全2的邻区这五种邻区类型。给多的邻区类型带来更为复杂的优化难度，如优化a3offset的难度更大。

（2）1对1的2/8邻区数量更多，对于采用连续成片组网方式的簇，簇内有11个1对1的2/8邻区。但采用随机插花组网方式的簇就存在41个1对1的2/8邻区。更多的邻区数量带来更多的工作量，如有更多的CIO和a3offset需要优化。

四、2/8天线混合组网分析结论

（1）插花场景网络性能相比连片场景差，并且优化工作量大，建议建网时优选连片场景。

（2）8天线的下行赋形增益在网络的边缘才占优势，而天线增益却有3dB左右的损失，从测试结果来看，下行方向上2通道天线中值明显高于8通道，边缘值持平。上行方向上8通道天线中值和2通道持平，边缘值由于接收分集的存在，占有优势。这种特性在网络规划和优化中需要考虑。

（3）在连片和插花场景通过调整切换参数a3offset/CIO，充分发挥8天线在边界区域的下行赋行增益、上行分集增益及覆盖较好时的F2天线增益，优化2天线和8天线的小区边界，使切换前后的性能达到最优。

连片场景：由于边界小区的邻区既有F2小区又有F8小区，所以只能通过调整CIO进行优化，如果边界区域覆盖差，需要提高CIO降低F2切换到F8的门限，降低CIO提高F8切换到F2的门限；如果边界区域覆盖较好，需要降低CIO提高F2切换到F8的门限，提高CIO降低F8切换到F2的门限来提高下行速率，反之提高上行速率。

插花场景：可以调整插花小区的a3offset（同站邻区通过CIO弥补）和CIO相结合的方法达到和连片场景同样的效果。

参 考 文 献

[1] TD-LTE网络2天线和8天线性能对比研究，胡兵，江苏省邮电规划设计院有限责任公司，中国新通信杂志.

[2] TD-LTE 2天线与8天线对比分析，郑毅 王飞姜 大洁 王启星 金婧 胡臻平 刘光毅，中国移动通信研究院无线技术研究所，移动通信杂志.

[3] TD-LTE技术原理与系统设计，王映民 孙韶辉等，人民邮电出版社.