TD—LTE系統(tǒng)天饋演進策略探討

楊雪楓 張科

【摘要】 本文首先對TD-LTE（D頻段）與TD-SCDMA（F、A頻段）共用天饋線的性能進行了理論分析，針對共用天線引起的控制信道（無波束賦形）和業(yè)務信道性能變化進行了系統(tǒng)仿真驗證，隨后針對TD-LTE室內(nèi)分布的天饋形態(tài)進行了分析，最后針對TD-LTE天饋線的工程實施方案進行了探討。

【關(guān)鍵詞】 MIMO波束賦形 半功率 波束寬度

A Discussion for Evolution Strategy of TD-LTE Antenna System

Yang Xuefeng China Mobile Group Design Institute Co.，Ltd.

Zhangke China Mobile Group Design Institute Co.，Ltd. Guangdong Branch

Abstract Firstly， the performance of shared antenna system including TD-LTE （D band） and TD-SCDMA （F， A band） was theoretically analyzed， besides this， a system simulation aiming at the performance change of control channel （without beamforming） and traffic channel caused by sharing antenna is made. Subsequently the antenna pattern aiming at TD-LTE indoor distribution system is analyzed， finally a discussion for the project implementation of TD-LTE antenna system are discussed.

Keywords Multiple-Input Multiple-Output ； Beamforming ； Half power beam width

一、概述

1.1 TD-LTE系統(tǒng)天饋線基本形態(tài)

為滿足TD-LTE系統(tǒng)不同場景下的部署需求，3GPP R9 版本定義了八種多天線傳輸方式。多天線系統(tǒng)就是收發(fā)雙方都采用多根天線進行收發(fā)，通過適當?shù)陌l(fā)射信號形式和接收機設(shè)計，多天線技術(shù)可以在不顯著增加無線通信系統(tǒng)成本的同時，大大提高系統(tǒng)的容量，借助于TD-SCDMA的已有天線網(wǎng)絡(luò)，將多天線技術(shù)引入TD-LTE，一方面可以提高TD-LTE網(wǎng)絡(luò)性能，另一方面可以促進兩網(wǎng)平滑演進，同時充分挖掘多天線技術(shù)的優(yōu)勢。

這種傳輸模式需要多種天線形態(tài)的支持，目前經(jīng)常使用的天線，從排布上主要分為線陣和圓陣；從極化方向上主要分為單極化、±45°雙極化、垂直水平極化；從天線的單元方向圖上主要分為定向天線和全向天線。

單極化天線為最初的線陣形式，由于后期的風阻太大，而逐漸被淘汰?！?5°雙極化天線使得天線尺寸大大減小，性能也比較有保證，因而成為目前的主流。

定向天線有較為固定的能量輻射范圍，具有針對性發(fā)射性，適用于較遠距離的傳輸，而全向天線是向四周都發(fā)射信號，天線周圍都能收到信號，但傳輸距離較小，適用于室內(nèi)、補盲等。

天線陣元間距較小的天線，各天線之間的相關(guān)性較高，可以獲得較大的賦形增益，主要用于城區(qū)宏蜂窩小區(qū)，而對于天線陣元間距較大的天線，主要是利用各天線信道之間的獨立性，獲得分集增益，一般主要應用于微蜂窩小區(qū)。

目前雙極化的2、4、8天線在LTE在現(xiàn)階段都有很大應用和部署、比如日本采用的全向4天線部署、 印度主要采用雙極化定向4天線部署、歐洲一些國家主要采用雙極化定向兩天線部署。

1.2 與TD-SCDMA系統(tǒng)的共用需求

中國移動已經(jīng)廣泛部署的TD-SCDMA系統(tǒng)普遍使用雙極化八陣元智能天線，研究分析表明，TD-LTE系統(tǒng)使用八陣元智能天線實現(xiàn)MIMO技術(shù)相對于兩陣元雙極化天線具有一定的性能優(yōu)勢，尤其是在小區(qū)邊緣性能方面。

TD-LTE與TD-SCDMA系統(tǒng)共天饋的主要驅(qū)動力包括：（1）工程需求的驅(qū)動。頻段擴展到2.6GHz頻段時必須“新增”一套天饋系統(tǒng)，實際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)困難較大，同TD系統(tǒng)的共站址需求強烈。（2）技術(shù)需求的驅(qū)動。使用智能天線技術(shù)改善用戶在小區(qū)邊緣和中心throughput的不平衡，提升用戶滿意度，同時天饋系統(tǒng)的寬帶化代表未來發(fā)展趨勢。

天線融合的基本技術(shù)要求包括：（1）支持雙極化：滿足空間獨立性且天線尺寸減小50%，安裝方便。（2）支持寬頻化：支持F、A、D頻段，實現(xiàn)TD-SCDMA及TD-LTE共用天饋，降低建設(shè)難度。（3）支持Beamforming + MIMO的多天線技術(shù)。

TD-SCDMA室內(nèi)分布系統(tǒng)支持800MHz-2500MHz頻段，從頻段支持能力上，TD-LTE（E頻段）可以與TD-SCDMA共用室分系統(tǒng)，但需明確改造需求。

二、宏基站天饋線演進策略

2.1 FAD天線性能

智能天線波束賦形技術(shù)在陣列信號處理領(lǐng)域中一般指根據(jù)參數(shù)計算最優(yōu)權(quán)向量的過程，而有時則泛指根據(jù)測量以及估算參量進行數(shù)字信號處理（可包括時域和空域）的過程。這里波束賦形技術(shù)是指根據(jù)波束指向、束寬、零點方向、旁瓣級等要求計算最優(yōu)權(quán)向量并形成波束的過程。

于業(yè)務波束而言，需要根據(jù)目標UE的空間特征，搜索最優(yōu)賦性權(quán)值。

TD-SCDMA系統(tǒng)目前應用的FA天線、TD-LTE系統(tǒng)獨立部署的D頻段天線都是0.5波長的間距，F(xiàn)A天線頻段上不能支持D頻段，D頻段天線不能支持FA頻段。

為實現(xiàn)TD-LTE與TD-SCDMA系統(tǒng)共天饋設(shè)計，實現(xiàn)方式為研究支持FAD三個頻段的天線，又簡稱為0.7波長天線。FAD天線的D頻段，由于TD-LTE下行發(fā)射模式種類較多，MIMO端口映射情況較復雜，下行功率分配方式比較固定，控制信道如果仍舊使用TD-SCDMA的廣播權(quán)值映射難度較大。FAD天線在D頻段是0.7波長、其賦形能力要比D 頻段天線0.5波長的效果稍微差一些。

FAD天線的FA頻段天線增益相比FA天線的FA頻段天線增益小0.5dB，該值對組網(wǎng)影響可忽略。D頻段參數(shù)與單D天線存在一定差異，主要包括陣元波束寬度和陣元增益兩部分。

2.2 控制信道性能

FAD天線，在FA頻段性能與FA天線相當，關(guān)于上述廣播、導頻和業(yè)務等無任何影響。FAD天線D頻段相比于單D天線，對廣播賦形預期有一定影響。

FAD天線的D頻段采用65度單元波束賦形為65度廣播，賦形權(quán)系數(shù)效率低（有5.1至5.2dB左右的權(quán)系數(shù)效率損失）。建議采用50度寬度的廣播波束代替原有65度的廣播波束，以彌補廣播信道的賦形損失。從目前的仿真來看， 50度波束寬度和65度的覆蓋相比，50度波束寬度對組網(wǎng)性能帶來的影響較小，即廣播和導頻的影響不大，分析其原因在于在扇區(qū)交疊區(qū)域，用戶為干擾受限，覆蓋寬度變窄會帶來期望信號功率的下降，同時也會帶來干擾功率的下降。

為研究FAD天線與D頻段天線的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)性能，采用系統(tǒng)仿真方法進行研究，構(gòu)建標準的城區(qū)和郊區(qū)宏蜂窩（標準規(guī)則6邊形）模型，在城區(qū)使用站高30m，站間距500m，在郊區(qū)使用站高45m，站間距1732m進行建模。FAD天線間距為0.65λ，D單頻天線間距為0.52λ。

公共信道仿真效果如圖2所示：

從仿真結(jié)果來看，F(xiàn)AD天線與D單頻天線在城區(qū)環(huán)境、郊區(qū)環(huán)境下PDCCH性能無明顯變化。

FAD天線的D頻段需要采用合適的廣播波束賦形算法以便更好的滿足組網(wǎng)需求。采用16.5dBi的50度寬度的廣播波束代替效率下降的65度的廣播波束情況下，可使D頻段TD-LTE廣播波束覆蓋優(yōu)于FA頻段TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實現(xiàn)TD-SCDMA和TD-LTE兩網(wǎng)共覆蓋。

2.3 業(yè)務信道性能

對于進行BF的業(yè)務，單元波束90度D頻段天線相比65度FAD天線，從組網(wǎng)角度看對BF的性能影響不大。對D頻段而言，間距從0.5λ增大為0.65λ，理論上波束賦形能力有所下降，但仿真表明，平均吞吐量，邊緣吞吐量總體影響較小。FAD天線業(yè)務信道性能相對于D單頻天線下降在5%以內(nèi)，性能下降不明顯。

三、室內(nèi)分布系統(tǒng)演進策略

3.1 覆蓋能力對比

在進行TD-LTE室分系統(tǒng)改造時，需以現(xiàn)有TD-SCDMA室內(nèi)覆蓋規(guī)劃為基礎(chǔ)進行；對于完全新建的TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)，也應綜合考慮GSM、TD-SCDMA的覆蓋需求進行規(guī)劃設(shè)計。因此首先需要對比TD-LTE與TD-SCDMA室內(nèi)鏈路預算情況，以掌握二者覆蓋能力的差異。相關(guān)指標取定情況如下：（1）TD-SCDMA：依據(jù)目前工程相關(guān)指標要求，PCCPCH最小接收電平取-85dBm；天線口PCCPCH信道（雙碼道）功率分別取5 dBm 和10dBm。（2）TD-LTE：系統(tǒng)總帶寬20MHz；單用戶10RB；基站單通道發(fā)射功率43dBm，終端最大發(fā)射功率23dBm；目標邊緣業(yè)務速率1Mbps，室內(nèi)RSRP不低于-105dBm。（3）TD-LTE理論計算的最大允許路徑損耗為117.2dB，與TD-SCDMA基本相當。TD-LTE天線點間距可基本參照現(xiàn)有TD-SCDMA系統(tǒng)進行設(shè)置。

3.2 雙路室分建設(shè)需求

雙路室分系統(tǒng)相對于單路系統(tǒng)下行有約1.5-1.8倍的增益，技術(shù)優(yōu)勢明顯。同時性能增益與傳播環(huán)境相關(guān)，密集隔斷區(qū)類似的多徑豐富場景下雙路增益更明顯。應用兩路單極化天線時，系統(tǒng)增益隨著雙天線間距的增大（從2λ至12λ）有明顯提升。因此為保證MIMO性能，同時綜合考慮工程實施，天線間距范圍建議為0.5米-1.5米（ 4λ至12λ ）。應用雙極化天線時，其在下行方向與雙路天線間距4λ- 6λ時的性能接近，在該情況下可以達到與單極化天線類似的性能。

3.3 雙路室分建設(shè)方案

TD-LTE室分建設(shè)模式主要是在已有室內(nèi)分布系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造，而中國移動已有2G和TD室內(nèi)天饋線系統(tǒng)都是采用SISO的建設(shè)方式，因此依據(jù)現(xiàn)有傳統(tǒng)方式，實現(xiàn)TD-LTE技術(shù)的解決方案如下：（1）建設(shè)方案一（雙路）：兩路新建。即TD-LTE獨立新建兩路分布系統(tǒng)，需新建兩套室內(nèi)天饋線系統(tǒng)。（2）建設(shè)方案二（雙路）：一路新建、一路改造。即TD-LTE一個通道通過合路器共用原分布系統(tǒng)，另外一個通道獨立新建一路分布系統(tǒng)。（3）建設(shè)方案三（單路）：改造原分布系統(tǒng)，單路系統(tǒng)僅使用一個通道，通過合路器共用原分布系統(tǒng)。其中天線實現(xiàn)方案又包括兩個單極化天線組合、雙極化天線兩種。

四、TD-LTE系統(tǒng)天饋線實施方案

4.1 宏基站

TD-LTE天饋線建設(shè)方案如圖3所示。

通過使用FAD天線降低對天面資源的需求量，在建設(shè)難度和投資方面占有優(yōu)勢。在對現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能、工程實施、設(shè)備故障處理以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化質(zhì)量等方面獨立天饋方式存在不同程度的優(yōu)勢。兩種建設(shè)方式的方案對比如表1所示：

三種共天饋方案的差異主要體現(xiàn)在合路器的位置，二合一天線方案由于天線實現(xiàn)難度大難以實施，D頻段RRU內(nèi)置合路器方案相對具有更高的可靠性更適于采用，如表2所示。

共天饋、獨立天饋兩種方案各有優(yōu)缺點及適用場景。在建設(shè)難度和投資方面共天饋方式占有優(yōu)勢，在對現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能、工程實施、設(shè)備故障處理以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化質(zhì)量等方面獨立天饋方式存在不同程度的優(yōu)勢。

若采用共天饋方案，應重點關(guān)注如下問題：（1）注意控制工程實施時對現(xiàn)網(wǎng)的影響；（2）加快天饋部分的施工時間、并保證施工質(zhì)量；（3）在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，應盡量兼顧兩網(wǎng)共同發(fā)展。

4.2 室內(nèi)分布系統(tǒng)

TD-LTE系統(tǒng)室內(nèi)分布覆蓋能力與TD-SCDMA基本相當。雙路天饋線系統(tǒng)相對于單路系統(tǒng)在容量上具有約1.5-1.8倍的增益，分布系統(tǒng)的小區(qū)容量有明顯提升。但因涉及到新建天饋線系統(tǒng)，建設(shè)工程量大，物業(yè)協(xié)調(diào)難度高，總體建設(shè)難度較大，同時雙路分布系統(tǒng)的建設(shè)成本約為改造單路分布系統(tǒng)的4-12倍。

綜合以上分析，對于TD-LTE室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)可以采取以下建設(shè)策略：（1）對于新建場景：由于單路、雙路室分建設(shè)難度基本相當，應優(yōu)先考慮雙路系統(tǒng)的容量優(yōu)勢，初步建設(shè)以雙路室分系統(tǒng)為主，提升容量。（2）對于改造場景：有較大容量需求、且具備建設(shè)條件的場景應優(yōu)先建設(shè)雙路室分系統(tǒng)，對于點位受限場景可適當考慮應用雙極化天線；對于其他場景，應按照合路方式考慮，后續(xù)若有進一步的容量需求，可通過空分復用、小區(qū)分裂、增加載波等方式擴容。

五、總結(jié)及展望

本文對TD-LTE天饋線系統(tǒng)的研究策略進行了分析，通過使用FAD天線，TD-LTE宏基站能夠與TD-SCDMA系統(tǒng)共天線，F(xiàn)AD天線對TD-LTE D頻段的支持能力是可以滿足網(wǎng)絡(luò)部署要求，廣播信道采用改進的算法后可以達到與D單頻天線類似的性能，波束賦形上性能有劣化，但通過系統(tǒng)仿真驗證性能損失在5%以內(nèi)，F(xiàn)AD天線具備部署條件。從工程實施角度看使用FAD天線實現(xiàn)共天饋部署與D單頻天線部署具備各自的優(yōu)缺點，需根據(jù)場景進行選擇。TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)具備與TD-SCDMA系統(tǒng)相當?shù)母采w能力，可以實現(xiàn)與TD-SCDMA系統(tǒng)共分布系統(tǒng)應用，TD-LTE MIMO雙路系統(tǒng)具備明顯的性能增益，但同時也面臨投資大、建設(shè)難度大等問題，可以根據(jù)物業(yè)點的實際需求考慮建設(shè)。

天線性能與TD-LTE網(wǎng)絡(luò)性能密切相關(guān)，F(xiàn)AD天線、室內(nèi)分布雙極化天線尚無大規(guī)模商業(yè)部署經(jīng)驗，因此后續(xù)還需要進一步關(guān)注和優(yōu)化天線性能，完善天線設(shè)備規(guī)范，推進TD-LTE天饋線系統(tǒng)的演進發(fā)展。

參 考 文 獻

[1] 陸慶杭，劉. TD-SCDMA向TD-LTE演進方案探討. 《郵電設(shè)計技術(shù)》，2013年04期

[2] 趙旭凇，張新程，徐德平，張炎炎. TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及性能分析