TD-LTE 2天线与8天线对比分析

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1 概述
2 多天线技术原理
2.1 2天线传输方案
2.2 8天线传输方案
2.3 2/8天线下行业务信道性能对比
2.4 2/8天线上行业务信道性能对比
2.5 2/8天线下行控制信道性能对比
3 8天线在产品实现中的挑战
4 总结
作者：郑毅 王飞 姜大洁

全文摘要：
【摘要】 多天线技术（MIMO）是TD-LTE系统的核心技术之一，能够在不增加频谱带宽和天线发射功率的情况下，大幅提高信道容量、频谱利用率和数据的传输质量。文章对比分析了TD-LTE网络中2/8天线性能、建网成本和施工难度的差异，给出了各场景应用建议。
　　【关键字】 TD-LTE MIMO 2天线 8天线
　　一、概述
　　多天线技术（MIMO）是移动通信技术发展的重要趋势，是实现移动通信系统高容量、高频谱效率的重要手段。TD-LTE系统也引入了多天线技术，结合OFDM以及波束赋形技术，可以显著提升空间分集的效果、改善小区边界区域的信道条件、很好地实现空、时、频多维信号的联合处理和调度，大幅提升系统的灵活性和传输效率。
　　2013年12月4日，工信部向三大运营商颁发TD-LTE商用牌照，正式开启了中国的4G时代，TD-LTE的建设进程也大大加快。但是随着可用站址资源的不断减少，天面已成为TD-LTE网络的建设瓶颈所在。基站天线数的选择是TD-LTE的实际部署和后续发展需要考虑的一个重要问题。本文将对比分析2/8天线的性能、建网成本和施工难度的差异，最后给出各场景的应用建议
　　二、TD-LTE系统天线模式
　　3GPP的规范中定义了多种MIMO传输模式，以适应不同的信道条件、不同的天线配置等场景的应用。原则上，3GPP对天线数目与所采用的传输模式没有特别的搭配要求，但在实际应用中2天线系统常用模式为TM2、TM3，8天线系统常用模式为TM7、TM8。
　　TM2采用SFBC方式，属于2天线的发射分集方案，在用户无法进行可靠的信道质量反馈时使用，可以提高用户传输的可靠性。该模式也作为TM3～TM8在信道条件差的情况下的回退方案。TM3主传输方式为双流复用，能在信道调教较好的地方提高用户频谱效率一倍，在小区边缘回退为TM2。TM7主传输方式为单流波束赋形，可以提升边缘用户吞吐量，信号条件好的时候可以自适应为TM3，部分条件下可回退为TM2。3GPP Release 9版本中新定义了传输模式TM8，TM8模式即双流波束赋形技术应用于信号散射体比较充分的条件下，结合了智能天线赋形技术和MIMO的空间复用技术，利用了TDD信道的对称性，同时传输多个数据流实现空分复用，能够保持在传统单流下实现广覆盖，提高小区容量和减少干扰。小区边缘可自适应为TM7，部分条件下可回退为TM2或TM3。
　　三、2天线和8天线性能对比
　　TD-LTE中2天线可以获得分集和复用增益，8天线可综合获得3种增益：赋形增益、分集/复用增益。波束赋形一方面能提高覆盖能力，另一方面可以降低小区内/间干扰，从而提升系统吞吐量。
　　3.1 覆盖性能对比
　　从链路预算上来看，2天线和8天线的主要差别在天线的分集增益、波束赋形增益以及干扰余量。在接收侧，8天线基站分集增益取8dB，2天线基站分集增益取3dB，终端为2天线其分集增益取3dB。在发送侧，终端为单天线，因此无发送分集增益；基站业务信道，8天线为波束赋形方式，无分集增益，赋形增益取7.5dB；基站控制信道，由于8天线广播信道，要实现全小区覆盖，波束赋形技术在业务信道的增益不复存在，8天线和2天线相同为发送分集方式，分集增益取3dB。另外8天线采用了波束赋形技术，其抗干扰能力更强，对覆盖具有额外的增益，因此，8天线的干扰余量要比2天线的小。2天线和8天线覆盖性能对比如表1所示。
　　表1 2天线与8天线无覆盖性能对比
　　上行接收方面，8天线接收和2天线接收的差异为3 dB左右。对于下行业务信道，8天线相对2天线有3.5dB的增益（若考虑干扰余量则增益更大），因此对于业务信道覆盖受限的场景，8天线相比2 天线在小区边缘更有优势，可以有效提升小区边缘用户吞吐量。
　　而对于下行控制信道，8天线相对2天线有2dB的差距，由于8 天线传输控制信道的短板，使得8 天线的控制信道覆盖略逊于2 天线，由此可能导致8天线覆盖增益的不确定性。
　　3.2 吞吐量对比
　　图1和图2为D频段、20 MHz带宽、上下行时隙配比2：2、邻区50%加扰条件下，几个不同的主设备厂家2/8天线在小区平均吞吐量和小区边缘吞吐量对比图。
　　从图1和图2可以看出，8天线上行小区平均吞吐量和小区边缘吞吐量增益非常明显，相对于2天线分别平均提升了48%和102%；除个别厂家外，8天线单流的下行小区平均吞吐量相对于2天线并没有明显提升，平均只提升了15%，8天线双流则平均提升了32%。
　　四、2天线和8天线建网成本和施工难度对比
　　4.1 建网成本对比
　　TD-LTE基站的2天线和8天线站址的配套建设成本都一样，二者的建站成本主要差别在天线、BBU以及RRU的设备成本不同。
　　天线：8天线比2天线设备价格高，但天线占单设备总体成本比重较低；
　　BBU：由于发射/接收天线数的增加以及波束赋形等复杂算法，采用8天线对基带的处理能力增加较多，但数字基带部分成本占单设备总体成本比重也较低；
　　RRU：8通道RRU的通道数及射频模块相应增多，总体成本相应增加；
　　综合目前各厂家的设备成本情况，8天线产品的设备成本约为2天线的1.8倍。
　　表2给出了城区环境下10km2覆盖范围内2天线和8天线无线网络建设成本计算过程。由结果可以看出，在相同的边缘速率要求下，由于8天线的覆盖半径较大，虽然单站建设成本8天线要高于2天线，但是总体建网成本8天线的要低于2天线，8天线方案可节约总体建网成本约36%。
　　表2 2天线与8天线无线网络建设成本
　　4.2 施工难度对比
　　2天线与8天线的主要参数如表3所示：
　　表3 2天线与8天线的主要参数
　　通过对比2天线与8天线的主要参数，可以得出，8天线的RRU及天线尺寸均较大，设备重量较重，对天面要求较高，与2天线相比增加了施工和维护的工作量。
　　五、结论
　　通过上述对比研究，可知，8天线在容量和覆盖性能方面有一定优势，在同等站距情况下可以提升网络容量；而在同等边缘用户速率要求下，采用8天线可减少站址建设需求，从而节省网络建设投资。虽然8天线施工实施难度要大于2 天线，但参考TD-SCDMA和TD-LTE试验网建设经验，大部分站址具备8天线实施条件，建议在城区、郊区以及农村需要连续覆盖的大部分基站采用8天线。2天线产品对于天面要求低，馈线少，易于安装，因此主要在部分实施受限的场景使用，例如天面受限站点、物业和居民对大面板天线反感较大难以实施的站点、街道站、高速公路站点、补盲站点等。