TD-LTE网络中的多天线技术浅析

2011-08-05 11:35:50来源: 互联网 关键字:TD-LTE网络  多天线技术
  简介

  有关多天线概念,在业内很早就有所研究。但是真正取得进展,应用到通信系统中则是在近些年,伴随着相关元器件的高速发展,在3G系统中被广泛开始应用,像MIMO,波束赋型等。本文主要是对近期TD-LTE试验网中所用到的波束赋型, 空分复用和天线分集这几种技术, 从其特点, 性能容量, 和覆盖等方面进行分析比较。

  各种多天线技术简单描述及优点

  多天线技术是一种统称,可根据不同的实现方式分为天线分集,波束赋型和空分复用。

  天线分集是指利用多天线间较低的无线信道相关性,提供额外的(发射或接收)分集来对抗无线信道的衰落,按天线类型可有空间分集,或极化分集。

  波束赋型(Beamforming)是指利用发射端或接受段的多根天线,以一定的方式形成一个特定波束,使目标方向上天线增益最大以及抑制/降低干扰。

  空分复用(MIMO)是指在一定的高SINR环境中,利用无线信道特性,在空口创建多条并行信道,从而使空口的传输速率大大提高。

  以上多天线技术给网络带来的效果大致分为:

  更好的覆盖效果

  通过天线分集或波束赋型可以提高接收端的SINR从而增强链路储备,同时也可视为同样的距离的条件下对速率的改进

  更高的速率

  用空分复用实现更高的小区吞吐率及峰值速率,它的效果在较高载干比的无线环境中对数据速率的提高非常明显。

  在实际应用中空分复用往往与分集相结合使用,如在低SINR环境时,系统会从空分复用转为天线分集。

  多天线性能容量分析

  针对以上各种多天线技术的特点,目前TD-LTE组网时主要考虑两种配置,8天线波束赋型(单流,双流波束赋型),和2天线 MIMO。

  对于上面两种配置,各厂家已有许多仿真结果,基本结果大致类似。以下是爱立信的仿真结果:

下行链路
下行链路

  8X2单流波束赋型在小区边缘的覆盖效果好于2X2 MIMO,但小区平均吞吐速率要低于2X2 MIMO场景。

  对于8X2双流波束赋型而言,同样,边界速率要好于2X2 天线MIMO;对于小区平均速率,在低负荷条件下(即LTE网络初期部署时期),2X2 MIMO场景的小区平均吞吐速率与8X2双流波束赋型的效果接近。在高负荷条件下,对比2X2 MIMO场景,8X2双流波束赋型的小区平均吞吐速率会有一定幅度改善。

  上行链路

  8天线上行接收要明显优于2天线的场景,从小区边界速率到小区容量都要好于2天线MIMO

  从目前现场路测的单流波束赋型和双流MIMO测试数据看,结果也和上述仿真结果基本一致,在小区边界下行速率单流波束赋型要好;小区路测得出的下行平均速率双流MIMO要好。

  覆盖能力分析

  由于LTE主要针对数据业务,通常在计算LTE覆盖时,往往以一定的边界速率为覆盖目标。依此为设计依据时,网络中通常是上行业务信道为受限信道。如: TD –LTE网络设定上行边界覆盖目标为200kbps时。

  然而,实际网络中,从终端最终是否出服务区来判定,决定小区的覆盖半径并非上行业务信道的速率。在多数情况下,在判决是否能驻留在LTE网络,或判决是否应该做异系统切换时,以UE接收到的RSRP(或RSRQ)为判决条件。PDCCH公共信道以及与之对应的RSRP(干扰受限时需参考RSRQ)通常成为受限因素。此时,上行业务信道的速率可维持在40kbps左右。

  根据以上两种思路,8天线和2天线覆盖能力分析的结果是不同的。当考虑上行速率要求,以上行业务信道为受限因素时,8天线在上行的链路储备要优于2天线,这种前提下,8天线基站的覆盖要好于2天线。

  当考虑覆盖范围最终以终端出LTE服务区为判决依据时,8天线的覆盖范围不强于2天线,原因是8天线在公共信道赋型时没有业务信道的赋型增益,而且根据某天线厂家提供的广播信道的赋形权值,可以看到广播信道的发射功率没有达到全部的可用功率。这样, 8天线下行公共信道的覆盖性能和2天线覆盖性能基本相当。

  下图是用SCANNER从相同环境中测得的结果,其中2天线的天线增益为17dBi, 8天线的天线增益为15dBi. 从中可看出: 2天线系统中的RSRP覆盖效果与8天线的覆盖相比主瓣方向略强, 但基本相当. 如下图:

  
下行链路

  上述测试中使用的基站天线为常见的型号。目前市场上在同样物理尺寸的条件下,8天线的增益要小于2天线2-3dB左右。因而,在部署网络中,如果天线高度要求一定,8天线和2天线下行公共信道的覆盖效果基本是相当的。

  所以,在网络中根据实际系统中的判决机制,覆盖取决于公共信道的有效辐射功率,8天线的覆盖距离与2天线基本相当。而如果,以一定的速率为准考察覆盖能力,则8天线要好于2天线。

  应用场景

  综合来看,室外部署8天线和2天线各有优势. 利用各自的特点, 他们的部署场景可以互相补充。在城区和密集城区,站间距较小(大约200到500米左右),下行公共信道通常是受限因素,考虑到上述2/8天线的覆盖特点对比及共址时安装条件要求较高,在这类场景下,建议选择两天线. 8天线的优势是可以通过波束赋型在业务功率受限场景,提高网络边界下行的性能,以及总的上行性能,所以在安装条件允许的情况下,也可选择8天线。

  国际商用情况及未来的演进

  目前来看,已经部署LTE的运营商选择2天线MIMO 技术的占主要部分,原因是其侧重点主要在技术的成熟程度和提高下行峰值速率上。而且,在天线安装,抗风能力等方面2天线也较有明显优势。8天线波束赋型虽然在边缘速率等方面有明显改善,但8天线的安装实施要求较高,效果还受制于天线的校准,天线系统随时间的恶化程度等影响,所以目前商用LTE网络中应用不多。

  另外,整体基站的费用也是其考虑的一个重点因素。8天线的多通道RRU与天线,以及安装要求等都会增加基站的初期投入;在运维方面,同样8天线基站的运维费用也高于2天线。

  在未来演进方面,2天线会向4天线接收及4流MIMO方向演进。目前已有运营商开始考虑先从4X2MIMO部署开始。而目前的8天线单流波束赋型会升级为8天线双流波束赋型。

关键字:TD-LTE网络  多天线技术

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0805/article_6326.html
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