多天线技术在LTE 网络中的应用策略

文/邱东来

随着国家“提速降费”的持续大力推进，各运营商相关流量优惠套餐陆续推出，4G 流量飞速增长。当前部分网络平均DOU 已经达到10GB，热点区域拥塞严重，业内预测4G流量年均增长将超50%。面对4G 网络的流量爆发，受限于频点及站址资源，传统的增加频点、减小站间距的方案已经不能满足容量增长的需求。

1 多天线技术

多天线技术最早由马可尼在1908年提出，提出之初是用来抗衰落。马可尼在发射端利用多个天线发送信号，在接收端同样用多个天线接收信息。因为传输过程中具有多个路径，相同的信息通过不同路径从发送端传送到接收端，在接收端可以获得相对独立的信号复制品，经过接收机合并后，可以最大程度复原信息。利用多天线技术可以获得更高的接收可靠性，从而提高信道抗摔落的能力。多天线系统示意图如图1所示。

在20世纪90年代，无线通信领域对多天线技术进行了深入的研究，在传统抗摔落特性之余，发展出了智能天线技术。目前多天线技术已经发展成为了无线通信领域的一项关键技术。

因为我国LTE 主要部署在1.8GHz、2.1GHz、2.6GHz等频段上，因为收发数量越大，天线体积越大，考虑到承重、物业许可等因素，常用的多天线数量有双发双收、双发四收、四发四收、四发八收、八发八收等。多天线技术可以实现阵列增益、分集增益、空间复用增益和干扰抑制增益等四种增益。

1.1 阵列增益

由于不同天线上的白噪声是不相关的，对于多天线系统，各天线通道噪声合并后，总噪声功率保持不变；而不同天线上的信号是相关的，将各通道信号相干合并后，信号的能量将成倍提高，进而提升信噪比，实现阵列增益。

图1：多天线系统示意图

图2：LTE 站点扇区多天线扩容示意图

1.2 空间分集增益

对于多天线系统，如果在多根天线上发射相同的数据，当多个发射分集信号在空间上有一定的独立性时，各分集信号发生快衰落的时刻将不同，在接收端对比不同时刻接收到的各路信号，在每一个时刻选取各路中最优的一路信号最终输出，这样可以在一定程度上降低或者去除快衰落的影响，从而获得空间分集增益。

1.3 干扰抑制增益

在多天线系统中，当空间干扰存在一定的有色性时，通过各路天线可以对干扰的有色性进行估计，从而利用估计获得的信息对干扰进行抑制，获得增益。干扰抑制可以在发射端进行，也可以在接收端进行。当在发射端进行干扰抑制时，可减少自身对邻区的干扰；当在接收端进行干扰抑制时，可减少自身接收到的干扰。

1.4 空间复用增益

空间复用增益指采用多天线系统时，当多路信道的衰落相对独立时，可以通过预编码技术，将相互干扰的空间信道等效为相互相对独立的多个子信道，各个子信道之间无干扰或干扰较小。可以通过同时传输多个独立的数据流提升传输速率，每个子信道对应一个单位容量。在理想情况下，多天线信道的极限容量能够随着发射接收天线数线性增加。空间复用增益可以改善系统容量，当各路子信道用以同时传输单个用户数据时，可以提升单用户峰值速率。

2 多天线技术的测试分析

本文选取了一个热点区域的LTE 站点进行多天线技术测试分析。该站点每扇区的天线为两发两收，配置了双频点。由于数据流量需求较大，需要对其进行扩容。扩容方案为将每个扇区分裂为两个双发双收小区，相当于原小区扩容为四发四收，同时在空间上进行了分裂。如图2所示。

对扩容后的效果分别选取了该站点的最忙时和全网忙时，从网管中读取了该站点的下行PRB 利用率、下行用户感知速率进行了测试，测试结果见表1。

相比改造前，无论是该站点的最忙时还是全网忙时，改造后站点的下行物理资源利用率、下行用户感知速率都有了比较大的提升。相对于原来一个双发双收的扇区，采用四发四收的方法能够进行有效的扩容。

表1：多天线技术应用测试分析统计表

表2：多天线技术聚焦场景划分表

表3：多天线技术应用策略

3 多天线技术在LTE网络中的应用策略

当网络频点资源、站址资源受限时，多天线技术是扩容的有效手段，对于不同的场景应该使用不同的多天线技术。当前LTE 网络基本建设完成，全网已经有了比较完善的覆盖，在考虑多天线技术应用时，应该对覆盖场景进行全面的划分。

传统的场景划分是密集市区、普通市区、县城城区、郊区乡镇、农村开阔地。针对这些场景制定策略，在网络建设初期可以使资源能够有效清晰地分阶段实施，有助于网络迅速成型并开拓市场。在网络成熟之后，传统的场景划分已经显得粗糙。特别是对于扩容的考虑，应该聚焦在一些重要的热点区域。本文在多天线技术应用上，聚焦表2所示七种场景。

对于以上场景，综合考虑多天线技术特点，有以下应用策略，见表3。

4 结束语

本文对多天线技术进行了研究，针对LTE网络扩容进行了场景的划分，并对每种场景提出了针对性的多天线应用策略。多天线技术在LTE 网络中的应用能够提供一种不依赖于频点资源和站址资源的扩容手段，通过发射分集的增加以及空间分裂，能够有效地增加网络容量，满足数据增长的需求。智能天线技术在LTE 扩容中的应用可以作为本文下一步的研究方向。