在無線通信領(lǐng)域,對多天線技術(shù)的研究由來已久。其中天線分集、波束賦形、空分復(fù)用(MIMO)等技術(shù)已在3G和LTE網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。
多天線技術(shù)簡介
根據(jù)不同的天線應(yīng)用方式,常用的多天線技術(shù)簡述如下。
技術(shù)描述
天線分集天線分集是指利用多天線間較低的無線信道的相關(guān)性,提供額外(發(fā)射或接收)的分集增益來對抗無線信道的衰落?煞譃榭臻g分集或極化分集。
波束賦型波束賦型是指利用發(fā)射端或接收端的多組天線單元高相關(guān)性,通過一定的相位疊加形成特定波束,使目標(biāo)方向上的天線增益最大,從而有效提高發(fā)射/接收的信噪比。
空分復(fù)用(MIMO)空分復(fù)用技術(shù)利用無線信道在多維空間的正交特性,在空口創(chuàng)建多條并行的信道,實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)流的同時傳輸。從而使空口的傳輸速率成倍提高。
上述多天線技術(shù)給網(wǎng)絡(luò)帶來的增益大致分為:更好的覆蓋(如波束賦形)和更高的速率(如空分復(fù)用)。
3GPP規(guī)范中定義的傳輸模式
3GPP規(guī)范中Rel-9版本中規(guī)定了8種傳輸模式,見下表。其中模式3和4為MIMO技術(shù),且支持模式內(nèi)(發(fā)送分集和MIMO)自適應(yīng)。模式7、8是單/雙流波束賦形。原則上,3GPP對天線數(shù)目與所采用的傳輸模式?jīng)]有特別的搭配要求。但在實(shí)際應(yīng)用中2天線系統(tǒng)常用模式為模式2、3;而8天線系統(tǒng)常用模式為模式7、8。
在實(shí)際應(yīng)用中,不同的天線技術(shù)互為補(bǔ)充,應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際信道的變化靈活運(yùn)用。在TD-LTE系統(tǒng)中,這種發(fā)射技術(shù)的轉(zhuǎn)換可以通過傳輸模式(內(nèi)/間)切換組合實(shí)現(xiàn)。
上行目前主流終端芯片設(shè)計(jì)仍然以單天線發(fā)射為主,對eNB多天線接收方式3GPP標(biāo)準(zhǔn)沒有明確要求。
天線性能分析
針對以上多天線技術(shù)的特點(diǎn)及適用場景,目前中國市場TD-LTE主要考慮兩種天線配置:8天線波束賦形(單流/雙流)和2天線MIMO(空分復(fù)用/發(fā)送分集)。
下行業(yè)務(wù)信道性能
下圖是愛立信對上述傳輸模式的前期仿真結(jié)果:
在下行鏈路中,2、8天線的業(yè)務(wù)信道在特定傳輸模式下性能比較歸納如下:
· 8X2單流波束賦型(sbf)在小區(qū)邊緣的覆蓋效果(邊緣用戶速率)好于2X2 空分復(fù)用,但小區(qū)平均吞吐速率要低于2X2 MIMO場景。
· 8X2雙流波束賦型(dbf)的邊界速率要略好于2X2 天線空分復(fù)用。對于小區(qū)平均吞吐速率,在正常負(fù)荷條件下,二者性能相當(dāng)。在高系統(tǒng)負(fù)荷條件下,8X2雙流波束賦型(dbf)增益較為明顯。
在實(shí)際深圳外場測試中,測試場景為典型公路環(huán)境。雖然站間距與城區(qū)環(huán)境相同,但無線傳播條件更接近于郊區(qū)的特點(diǎn),即空曠環(huán)境較多,信道相關(guān)性較強(qiáng),有利于8天線波束賦形技術(shù)。對固定模式的測試結(jié)果與上述仿真結(jié)果基本一致;引入模式內(nèi)/間切換后8天線在小區(qū)中心采用模式3,邊緣則為模式7,因此在小區(qū)邊緣優(yōu)于2天線,小區(qū)中心相當(dāng),小區(qū)平均速率較好于2天線。值得注意的是,采用模式7的比例僅有20%左右,大多數(shù)場景采用的是模式3,即與2天線差別不大。
下行控制信道及覆蓋能力
對于8天線廣播信道,由于要實(shí)現(xiàn)全小區(qū)覆蓋,波束賦形技術(shù)在業(yè)務(wù)信道的增益不復(fù)存在。通常采用引入廣播權(quán)值靜態(tài)賦形(65º)的方式發(fā)送。根據(jù)不同天線廠家提供的廣播信道的賦形權(quán)值,其廣播信道的發(fā)射功率只有總的可用功率的60%左右。因此,靜態(tài)賦形的方式將導(dǎo)致廣播信道覆蓋比2天線方案差,特別是在小區(qū)邊緣廣播信道功率有很大損失。
針對這些問題,愛立信提出了無功率損失的增強(qiáng)型公共信道發(fā)送方案,有效克服了靜態(tài)賦形的功率損失問題,提升廣播信道的覆蓋。使得8天線公共信道獲得與2天線相當(dāng)?shù)母采w能力。在深圳外場測試中,我們看到類似的現(xiàn)象。下圖是用掃頻儀在相同環(huán)境中測得的結(jié)果。從圖中可以看到,2天線系統(tǒng)中的RSRP覆蓋效果與8天線的覆蓋相比主瓣方向略強(qiáng),但基本相當(dāng)。
(8天線RSRP覆蓋效果) (2天線RSRP覆蓋效果)
上行天線接收分集增益
上行接收方面,理論上當(dāng)8天線的單元天線增益與2天線的增益相同時,會有6dB的接收分集增益。而實(shí)際系統(tǒng)中,在天線長度相當(dāng)時2天線的增益往往高于相同高度的8天線的單元天線增益1.5-2.5dB左右。
例如,在進(jìn)行中的TD-LTE試驗(yàn)網(wǎng)中,選用了2天線和8天線(FAD)天線方案。在同為140cm長度的條件下,8天線(FAD)的單元天線的增益為16-17dBi,而國際上在LTE-FDD/TD-LTE廣泛應(yīng)用的凱士林(Kathrein)和安德魯(Andrew)的2天線增益均可以達(dá)到18.5dB以上。
這一差異也反映在目前的一些工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中,例如在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中將2天線的增益設(shè)定為18dBi,而8天線的單元有效增益設(shè)定為14.5dBi。因此,實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的8天線接收和2天線接收的差異應(yīng)當(dāng)為3dB左右。
多天線應(yīng)用場景
波束賦型在業(yè)務(wù)信道功率受限時,可以提高網(wǎng)絡(luò)邊界的下行和上行速率,適用于有視距傳輸(LOS)、強(qiáng)相關(guān)的環(huán)境,例如郊區(qū)、鄉(xiāng)村等以覆蓋為目的的環(huán)境。在城區(qū)和密集城區(qū)(站間距大約200到500米左右時),無線傳播環(huán)境復(fù)雜,雜散嚴(yán)重,以NLOS為主,信道相關(guān)性大大降低,此時下行波束賦型的效果大打折扣,而空分復(fù)用在該場景下有很大優(yōu)勢(2、8天線的空分復(fù)用無大差異)。
在規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)覆蓋時,往往以小區(qū)邊界速率為設(shè)計(jì)目標(biāo)。在上行邊緣速率要求較高時,網(wǎng)絡(luò)中通常是上行業(yè)務(wù)信道受限。然而在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中,小區(qū)覆蓋半徑由終端最終是否移出服務(wù)區(qū)來判定,此時的決定因素并非是業(yè)務(wù)信道的速率而是廣播信道的覆蓋。具體來看:
•當(dāng)上行業(yè)務(wù)信道為受限因素(例如邊緣速率要求很高)時,8天線方案的覆蓋范圍要大于2天線
•當(dāng)上行業(yè)務(wù)信道不構(gòu)成限制而以終端是否出服務(wù)區(qū)作為覆蓋范圍的判決依據(jù)時(這往往是更為常見的情況),由于前面提到的8天線在廣播信道的短板,使得8天線的覆蓋范圍有可能小于2天線。
由此可知,8天線方案雖然能夠提升的上下行的業(yè)務(wù)信道性能,但固有的廣播信道的短板使得工程實(shí)踐中可能無法達(dá)到擴(kuò)大覆蓋,減少站點(diǎn)的目的。
國際商用情況及未來的演進(jìn)
8天線雖然在邊緣速率等方面性能優(yōu)于2天線,但在實(shí)際應(yīng)用中,具體效果還受天線的校準(zhǔn)精度、天線性能(隨時間)惡化等因素影響有所縮小。工程安裝實(shí)施方面,8天線的天面要求較高,建站方案更為復(fù)雜,需兼顧承重,風(fēng)荷,共天線等因素。這將導(dǎo)致站點(diǎn)成本顯著增加。另外故障隱患的激增,以及耗電的增加(如采用8通道RRU),都將直接提升OPEX。
迄今為止,全球已商用的LTE網(wǎng)絡(luò)多采用2天線部署(空分復(fù)用/發(fā)送分集),主要原因是2天線方案技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈更為成熟,運(yùn)維成本低。其穩(wěn)定優(yōu)良的性能在廣泛的商用中得到驗(yàn)證。而8天線方案目前商用LTE網(wǎng)絡(luò)中還沒有可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)。
小結(jié)
綜上所述,技術(shù)上波束賦形和空分復(fù)用各有所長。8天線由于采用了模式3/7自適應(yīng),相對2天線業(yè)務(wù)信道主要在小區(qū)邊緣更有優(yōu)勢。由于8天線傳輸控制信道的短板,使得8天線的控制信道覆蓋略遜于2天線,由此可能導(dǎo)致8天線覆蓋增益的不確定性。
在城區(qū)及密集城區(qū)等典型LTE覆蓋場景中,2、8天線的性能差異并不明顯;而2天線天面要求低,饋線少,易于安裝,因此建議采用2天線的方案。在郊區(qū)等以覆蓋為主要目的的場景,8天線在業(yè)務(wù)信道的優(yōu)勢得以發(fā)揮。因此針對不同場景,可對2、8天線進(jìn)行靈活部署,互相補(bǔ)充。
受天面制約(在相同天線長度的條件下),8天線的單元天線的增益較2天線增益低1.5-2.5dB。工程實(shí)踐中,通常將8天線單元增益設(shè)為14.5dBi,而2天線增益設(shè)為18dBi。因此,8天線相對于2天線的實(shí)際增益優(yōu)勢約為3dB,而非6dB.
考慮到站點(diǎn)方案、運(yùn)維復(fù)雜度,產(chǎn)業(yè)鏈成熟度以及CAPEX/OPEX等因素,全球LTE商用網(wǎng)絡(luò)目前廣泛采用2天線方案。(作者:產(chǎn)品經(jīng)理 諸震雷,高級產(chǎn)品經(jīng)理 劉愔,無線產(chǎn)品專家 陳明)