TD-LTE 网络2/8 天线的性能差异

文/李伟辉

关于多天线技术，在移动通信系统演变进程中一直都有所研究。最近几年内，多天线技术真正的应用到移动通信网络中。随着射频天线的发展，以及材料工业技术的逐步精进，射频天线的元器件尺寸越做越小，一些元期间在纳米级成倍数减少，精度也大幅度提升，所以多天线技术得以有了元器件基础，在TD-SCDMA 网络中逐渐开始商用，慢慢产生了像多发多收以及波束赋型等技术等，逐渐的推动了多天线技术发展的脚步。本文以4G 网络为基础，重点分析了在4G 网络中用到的几种多天线技术的特性，分析了SDM、Beamforming、以及天线分集技术的优缺点、同场景下的覆盖能力和装载信号的能力。

1 LTE多天线技术介绍

多天线技术是概括性的说法，根据多天线技术应用的场景、发挥的作用以及实现的方法，多天线技术可以分为SDM、Beamforming和天线分集技术。其中SDM 为空分复用技术，Beamformiing 为波束赋型技术。

天线分集的目标是对抗无线信道间的衰落。这种方法对抗无线信道的衰落是通过了解大量天线之间无线信道彼此的关联性，在发端或者收端牺牲额外的增益分集来对抗其他信道的干扰和衰落。按照分集的方式可以把天线分集分为两种。分别是空间、极化形式分集。

Beamforming 技术是的目标是提高天线的增益。Beamforming 技术的基本思想是把位于通信系统中发端或者收端的天线集合到一起，多个小天线组成一个大天线，把每个天线的增益集合到一起，从而达到提升增益的目的。同样的原理，Beamforming 技术也是把多个小天线集中到一起，达到对抗衰减和干扰的目的。

空分复用是一种实现多发多收的技术，在信号与干扰噪声比比较高的传输环境中，信号无线传输的过程中，搭建起多条空中信道，最终实现同时并行发送或者同时并行接收，从而大大提升超宽带信号的传输效率。

图1：智能天线技术在TD-LTE 系统的应用

多天线技术中最突出最优代表性的技术就是波束赋型，利用多个天线集合到一起，形成一个天线束，集中向一个方向发射或者集中接收一个方向的信号，可以大大的提升增益降低衰落和干扰，从而大大提升接收端收到信号的信号干扰噪声比。为了在工程中实现波束赋型这一思路，信道估计就显得尤为重要。通过信道估计，估计出空中信道对信号的造成的衰减或者影响，采用CSI 补偿。在通信系统达到多天线技术中，能够做到波束赋型和信道的同步估计，是因为TD-LTE 网络采用的是TDD系统，该系统的上行链路和下行链路采用了一样频点。在此基础上，通过判断基站往终端发射的信道以及信号的特性，预测终端往基站发射的信道以及信号的特性，从而达到良好的信道估计，达成波束赋型的目的。如果TD-LTE网络采用的不是TDD 系统，而是FDD 系统，那么就不会有TDD 中那样相同的频点，因此在Beamforming 过程中，就要考虑引入其他的技术完成基站的信道估计。但是UE 在速度比较快的移动过程中是特别不稳定的，从而会使得估计的难度大大增加，同时工程实现时会带来大量的成本预算，实现复杂度极高，在实现过程中可靠性也不完备，并不能正常的工作。因此一般采用的是基于TD-LTE 网络TDD 系统进行多天线技术。如图1所示。

在这里总结下上文所描述的三种多天线技术带来的优势：

利用天线分集技术和Beamforming 技术，大大提升了天线收到信号的信号干扰噪声比值，大大提高了信号传输的质量，同时大大提升了信号传输的速率。

采用多发多收模式的空分复用技术，在信号与干扰噪声比比较高的传输环境中可以大大提升超宽带信号的传输效率。

在多天线技术工程实现过程中，往往是同时采用三种技术，或者三种技术交叉结合着使用，又或者三种技术交替更换使用，以应付各种通信环境和信道场景。比如在信号干扰噪声比较低的时候，多发多收的空分复用能达到的效果比较微弱，就转换成天线分集的多天线技术。

通过以上三种多天线技术优势以及使用情况的说明，在4G 网络设计组网的过程中，主要会涉及到两个关键性的天线，分别是八天线的Beamforming 技术和两个天线的多发多收操作。

2 8通道天线和2通道天线对比分析

2.1 容量对比分析

针对上文提出的八天线的Beamforming技术和两个天线的多发多收操作，业界已经有了较为深入的研究，做了较多的仿真验证，图2为爱立信公式的仿真。

仿真结果对比分析如下：

2.1.1 下行链路

八天线的Beamforming 技术和两个天线的多发多收操作。

在第四代移动通信系统的小区边缘，八天线Beamformign 技术的覆盖效果要好于两发两收的空分复用技术，与之相反，小区平均吞吐速率的状况则是两发两收的空分复用技术效果比较好。

从第四代移动通信系统小区边界速率上考虑，八天线Beamformign 技术的效果要好于两发两收的空分复用技术；从第四代移动通信系统小区的平均速率上考虑，在4G 网络刚刚商用，基站铺建比较少的情况下，八天线Beamformign 技术与两发两收的空分复用技术达到的效果相当；在4G 已经大规模商用基站已经完备的情况下，八天线Beamformign 技术效果更优。

图2：8 天线和2 天线仿真容量对比

图3：8 天线和2 天线覆盖效果对比

2.1.2 上行链路

基于上行链路的考虑，在第四代移动通信系统小区边界速度和小区的容量上，都是八天线Beamformign 技术产生的效果更优

2.2 覆盖能力对比分析

4G 网络在商用的过程中，涉及最多的就是数据方面的业务，所以在估算4G 网络覆盖量的时候，都要采用特定的小区边缘速率作为覆盖目标。按照特定的小区边缘速率作为覆盖目标的标准来看，在4G 网络商用过程中，上行业务链路是受到限制的信道。

但是在真正的4G 网络中，通过移动设备是不是还在服务区来决定，4G 小区的上行业务信道是否受限。在判定移动设备终端能不能还待着该4G 网络中，或者决定该终端要不要切换到3G 网络或者切换到邻区时，通常以RSRP也就是接收端功率作为一个决定的条件。

由上面的分析可以看出，八根天线和两根天线它们的覆盖能力是不一样的。在以特定的小区边速率作为覆盖目标，也就是上行业务信道的速率受到限制的时候，八根天线的业务覆盖能力会比两根天线的好些。

如果只以最后终端是否还在4G 网络的服务区来决定的话，八根天线的业务覆盖能力并不会比两根天线的好，因为此时并没有把八根天线都集合到一起做波束赋型，没有起到增益叠加的效果，所以天线数目并不影响覆盖范围和覆盖能力。

由图3可以看出，八根天线的增益是15dBi，两根天线为15dBi。

图3中仿真的两种天线都是4G 网络中最普遍的两种基站天线。通过调研分析可以发现，如果天线尺寸一样，八天线的增益要比2 天线小两到三个dB。所以，在4G 网络建设过程中，如果对基站的天线高度有特定的需求，那么两种模式的天线的覆盖能力是几乎一样的。

2.3 其他方面对比分析

通过上文分析可以看出，4G 网络中，8天线和2 天线都有各自的优缺点，两种天线方式可以相互结合，在建设4G 网络的过程中保证两种方式优缺点互补，从而达到更好的覆盖能力。

在人口比较多、业务量比较大的地方，为了保证通信的质量，4G 网络基站之间的距离很短，这时就变成了下行业务信道受限，这种情况下通常采用2 天线。

此外，8 天线也具有提升网络边界下行速率的能力，通过Beamformign 技术应对业务功率受限制的情况，在一些比较重要的人口密集场合，可以考虑同时安装2 天线和8 天线，从而提升上下行的效率。

三种多天线技术中，4G 网络在建设过程中，使用最多的两天线的多发多收技术，因为2 天线的多发多收技术基本上已经成熟，在4G 网络之前就已经做了大量的研究，同时2天线的多发多收技术也可以相对较好的提升上下行业务信道的速率。同时，2 天线的多发多收技术相对于8 天线的Beamformign 技术，在基站的安装过程更简单，使用中抗性比较好，不容易坏，受环境因素影响较小，因此2 天线的多发多收技术在4G 系统中用的最多。此外，如果不考虑性能和环境影响，成本也决定了2天线的多发多收技术能得到普及，因为两天线的多发多收技术安装成本和运行维护成本大大低于8 天线的Beamformign 技术，因此才有了2 天线MIMO 技术普及了的现状。

3 结束语

随着4G 网络的逐渐发展，多天线技术已经成为4G 网络部署中必不可少的技术。本文首先介绍了多天线技术的基本概念，描述了多天线技术发展的必然性，随后详细的阐述了多天线技术的三种分类，分析了三种多天线技术的优缺点以及三种多天线技术在4G 网络中的应用。接着重点对比了8 天线Beamformign 技术和2 天线的MIMO 技术，分析了两种方式的优缺点以及在各种场景下两种方式的使用情况，分析了两种方式的性能，对以后4G 网络部署提出了自己的展望。