基于大话务场景下的LTE多频天线覆盖规划性能研究

2018-10-15张华艳陆昕为韦鸿健雷海飞

通信电源技术 2018年8期

张华艳，马娟，陆昕为，韦鸿健，雷海飞

（中国移动通信集团广西有限公司南宁分公司，广西南宁 530022）

0 引言

随着社会信息化时代的迅速发展，人们对无线移动通信提出了更高的要求和标准。2004年底，3GPP提出3G的长期演进标准，即LTE。随后国内各大运营商争先发展移动化、宽带化和IP化的LTE、TDD及FDD网络，想以较低成本实现更高数据速率、更短时延的网络需求。LTE主要采用OFDM、单载波（SCFDMA）及MIMO等关键技术，缩短用户平面和控制平面的延时，加快数据速率。

由于全球频率资源日益紧张，在LTE系统中不得不使用同频组网方式实现区域覆盖。相同子载波资源将被重复利用，小区边缘用户会受到相邻小区的同频干扰，造成边缘用户速率低等问题，从而降低了小区系统吞吐量。LTE在大型业务通信保障、大型赛事、演唱会、大量观众和媒体等人流量集中的区域问题更为复杂，覆盖、容量及干扰成为随时需要关注的问题。

通过对无线传播环境、LTE频率资源、LTE天线参数及LTE系统频率资源利用进行阐述，综合分析小区负载均衡策略，从硬件设备入手，给出大型场馆场景了的具体网络规划方案，不仅有利于解决今后网络规划中的容量需求问题，更能实现TD-LTE的精细化组网。

1 LTE频率资源分析

大话务场景下，对容量、覆盖的要求苛刻。同频重叠覆盖、覆盖的不合理以及信号传播、各种型号天线增益、功率等差异性和复杂性，致使同频重叠覆盖严重。因此，了解移动通信无线波传播、频率资源和天线参数等特性，对网络规划至关重要。

1.1 移动通信无线波传播分析

移动通信通过基站、用户终端两条天线发射和接收信号进行通信，使用直射、绕射和反射等传播方式进行传播。受不同传播环境因素影响，在接收端接收的信号为多路径信号叠加[1]。通过无线传播模型公式可知，无线波传播损耗受频率、距离、接收和发射增益的影响。

其中，gt和gr分别为发射和接收增益，f为频率，d为距离[2]。

1.2 LTE频率资源分析

由于频率资源稀缺，且有着高业务需求，LTE只能实行同频组网的形式进行组网。具体地，通过F频段（1 885～1 915 MHz）、D频段（2 575～2 635 MHz）及E频段（2 320～2 370 MHz）进行，功率、频率资源协调常用于减少同频干扰[3]。功率资源协调，即对小区上某一个频率增强小区功率，其余2个频率降低小区功率，实现边缘区域信号覆盖呈异频状态，减少小区间干扰。频率资源协调将频段分段使用，即分成多个载波，确保边缘用户间呈现异频状态，提高边缘吞吐量，减少小区间干扰。目前，TD-LTE分段使用带宽分段共8个，即F1、F2、D1、D2、D3、E1、E2、E3频点，带宽共计140 MHz，如表1所示。

如表2所示，E、D频段无线电波衰减快，空间传输和穿透损耗较大[4]；组网时，常将F、D、E三个频段覆盖于不同场景，选择D频用于道路覆盖，E频用于室分覆盖，F频段用于深入、边缘覆盖。但是，在大话务场景下，三频合理覆盖组网形式是解决同频干扰和满足容量的有效措施之一。

表2 LTE天线损耗表

1.3 LTE天线参数分析

LTE基站天线和终端天线作为发射和接收信号的物理载体，其接收和发射信号质量对于高速数据传输速率和高系统容量至关重要。

移动通信LTE天线为多天线技术（MIMO），目前2/8通道天线较为常用。8天线对比2天线，8通道天线可使用波束赋形技术，上行信道可获得更高接收分集增益，下行可获得赋形增益，其覆盖能力和吞吐量优于2通道。受传输方式和回退方式影响，2通道天线常用传输模式具体为TM2、TM3、TM4，8通道天线传输模式具体为TM2、TM3、TM4、TM7、TM8[5]。多天线传输模式，如表3所示。

表3 多天线传输模式

天线增益、电下倾角、支持频段、水平波宽等为LTE天线重要参数。LTE天线支持的频段主要有1 880～1 920 MHz、2 010～2 025 MHz、2 500～2 690 MHz、2 575～ 2 635 MHz、1 710～ 1 850 MHz、2 320～ 2 370 MHz，而不同厂家天线中心频段存在差异性。天线增益影响LTE发射和接收信号总体覆盖的边界距离，水平波宽大小体现主波瓣发射宽度，在高天线增益、宽水平波宽的天线覆盖下可获得广覆盖能力。窄水平波宽，实现合理方向性[6]。在F/D共天馈情况下，受D频段衰减损耗影响，其增益高于共天馈的F频段增益2～3 dBi，普通天线增益为14～16.5 dBi。高增益天线增益为17～18.5 dBi，主要应用于郊区和农村区域；水平波宽一般为65°±10°～100°±15°，而窄水平波宽达到30°±4°～32°±4°。

大话务场景下，为提高容量需求，减少同频干扰，8通道天线波束赋性优势凸显，可有效控制天线主瓣的波瓣宽度。主波瓣较窄时，抗干扰能力强。

2 共天馈覆盖能力分析研究

2.1 同频资源话务评估分析

为节约天线平台资源，满足F/D组网策略，各大设备厂家普遍推广不同能力优势天线，如FAD频率共天馈天线等。数据研究显示，在共天馈情况下，双载波或多载波小区吸收用户数并不均匀，一般移动终端手机均支持Band 38394041。经统计，在共天馈且参数设置一致情况下，E1/E2/E3和D1/D2/D3三载波组网小区用户数差比如图1、图2所示，E3和D3吸收小区用户数低于其他四个频点。无论是发射天线还是接收天线，天线带宽在一定频率范围内，中心频率为最佳点，天线阻抗最小，效率最高，驻波比小。当偏离中心频率时，它能输送的功率都将减小[6]。如表4所示，显然E3和D3中心频点均与天线中心频点相差较大，同时D和E频衰减速率较高，可能是影响边缘频段的覆盖能力的原因。

表4 常用天线中心频点对应表

图1 E1/E2/E3三载波组网小区用户数差比

图2 D1/D2/D3三载波组网小区用户数差比

2.2 负载均衡和功控在大话务场景下应用研究

移动性负载均衡（Mobility Load Balancing）即通过对负载信息的检测判断小区负载高低。在同覆盖情况下，将负载从占用资源较多的小区迁移到空闲小区，确保小区间负载分布均匀，使网络资源利用最大化，提升用户业务感受。

在大话务场景下，开启以用户数模式（UE_NUMBER_ONLY）触发为触发模式的负载均衡算法开关后，如图3所示。在E频三载波共覆盖情况下，用户数触发门限设置为200时，三载波小区用户数开始接近，说明负载均衡在大话务场景下资源占用均匀分配效果分布明显。

图3 E频三载波用户数分布图

为解决小区资源占用不均，通过使用小区间功率控制的方式来实现话务均衡也是一种行之有效的办法，由图4可以看出当D1与D2相差1 dBm时，小区用户数几乎相同，凸显资源均衡的力度。

图4 D频三载波用户数分布图

3 大话务场景下LTE频率规划分布策略研究

如图5（a）所示，使用窄波束赋形天线覆盖、同频三载波进行功率控制，在共覆盖情况下，强抗干扰，窄覆盖方向，保证负载用户数均匀。如图5（b）所示，使用窄波束赋形天线和普通双通道天线共同覆盖，功率控制、载波聚合和频率分布相结合情况下，实现频率资源合理利用，保证邻区之间小区边缘相互呈现异频状态，降低同频干扰，实现在大话务场景下的资源合理化分配。