楊雪楓 張科

【摘要】 本文首先對(duì)TD-LTE（D頻段）與TD-SCDMA（F、A頻段）共用天饋線的性能進(jìn)行了理論分析，針對(duì)共用天線引起的控制信道（無(wú)波束賦形）和業(yè)務(wù)信道性能變化進(jìn)行了系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，隨后針對(duì)TD-LTE室內(nèi)分布的天饋形態(tài)進(jìn)行了分析，最后針對(duì)TD-LTE天饋線的工程實(shí)施方案進(jìn)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(chǎng)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(jìn)行收發(fā)，通過(guò)適當(dāng)?shù)陌l(fā)射信號(hào)形式和接收機(jī)設(shè)計(jì)，多天線技術(shù)可以在不顯著增加無(wú)線通信系統(tǒng)成本的同時(shí)，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(jìn)兩網(wǎng)平滑演進(jìn)，同時(shí)充分挖掘多天線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

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(fēng)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(duì)性發(fā)射性，適用于較遠(yuǎn)距離的傳輸，而全向天線是向四周都發(fā)射信號(hào)，天線周?chē)寄苁盏叫盘?hào)，但傳輸距離較小，適用于室內(nèi)、補(bǔ)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(duì)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(dú)立性，獲得分集增益，一般主要應(yīng)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(yīng)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(guó)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(guó)移動(dòng)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(shí)現(xiàn)MIMO技術(shù)相對(duì)于兩陣元雙極化天線具有一定的性能優(yōu)勢(shì)，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(dòng)力包括：（1）工程需求的驅(qū)動(dòng)。頻段擴(kuò)展到2.6GHz頻段時(shí)必須“新增”一套天饋系統(tǒng)，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)困難較大，同TD系統(tǒng)的共站址需求強(qiáng)烈。（2）技術(shù)需求的驅(qū)動(dòng)。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(shí)天饋系統(tǒng)的寬帶化代表未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

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(dú)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(shí)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(jìn)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(hào)處理領(lǐng)域中一般指根據(jù)參數(shù)計(jì)算最優(yōu)權(quán)向量的過(guò)程，而有時(shí)則泛指根據(jù)測(cè)量以及估算參量進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理（可包括時(shí)域和空域）的過(guò)程。這里波束賦形技術(shù)是指根據(jù)波束指向、束寬、零點(diǎn)方向、旁瓣級(jí)等要求計(jì)算最優(yōu)權(quán)向量并形成波束的過(guò)程。

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

TD-SCDMA系統(tǒng)目前應(yīng)用的FA天線、TD-LTE系統(tǒng)獨(dú)立部署的D頻段天線都是0.5波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)TD-LTE與TD-SCDMA系統(tǒng)共天饋設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方式為研究支持FAD三個(gè)頻段的天線，又簡(jiǎn)稱(chēng)為0.7波長(zhǎng)天線。FAD天線的D頻段，由于TD-LTE下行發(fā)射模式種類(lèi)較多，MIMO端口映射情況較復(fù)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(zhǎng)、其賦形能力要比D 頻段天線0.5波長(zhǎng)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(duì)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(dāng)，關(guān)于上述廣播、導(dǎo)頻和業(yè)務(wù)等無(wú)任何影響。FAD天線D頻段相比于單D天線，對(duì)廣播賦形預(yù)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(bǔ)廣播信道的賦形損失。從目前的仿真來(lái)看， 50度波束寬度和65度的覆蓋相比，50度波束寬度對(duì)組網(wǎng)性能帶來(lái)的影響較小，即廣播和導(dǎo)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(huì)帶來(lái)期望信號(hào)功率的下降，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)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(jìn)行研究，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的城區(qū)和郊區(qū)宏蜂窩（標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(lái)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(wú)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(shí)現(xiàn)TD-SCDMA和TD-LTE兩網(wǎng)共覆蓋。

2.3 業(yè)務(wù)信道性能

對(duì)于進(jìn)行BF的業(yè)務(wù)，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(duì)BF的性能影響不大。對(duì)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(wù)信道性能相對(duì)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(jìn)策略

3.1 覆蓋能力對(duì)比

在進(jìn)行TD-LTE室分系統(tǒng)改造時(shí)，需以現(xiàn)有TD-SCDMA室內(nèi)覆蓋規(guī)劃為基礎(chǔ)進(jìn)行；對(duì)于完全新建的TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)，也應(yīng)綜合考慮GSM、TD-SCDMA的覆蓋需求進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。因此首先需要對(duì)比TD-LTE與TD-SCDMA室內(nèi)鏈路預(yù)算情況，以掌握二者覆蓋能力的差異。相關(guān)指標(biāo)取定情況如下：（1）TD-SCDMA：依據(jù)目前工程相關(guān)指標(biāo)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(biāo)邊緣業(yè)務(wù)速率1Mbps，室內(nèi)RSRP不低于-105dBm。（3）TD-LTE理論計(jì)算的最大允許路徑損耗為117.2dB，與TD-SCDMA基本相當(dāng)。TD-LTE天線點(diǎn)間距可基本參照現(xiàn)有TD-SCDMA系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。

3.2 雙路室分建設(shè)需求

雙路室分系統(tǒng)相對(duì)于單路系統(tǒng)下行有約1.5-1.8倍的增益，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。同時(shí)性能增益與傳播環(huán)境相關(guān)，密集隔斷區(qū)類(lèi)似的多徑豐富場(chǎng)景下雙路增益更明顯。應(yīng)用兩路單極化天線時(shí)，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(shí)綜合考慮工程實(shí)施，天線間距范圍建議為0.5米-1.5米（ 4λ至12λ ）。應(yīng)用雙極化天線時(shí)，其在下行方向與雙路天線間距4λ- 6λ時(shí)的性能接近，在該情況下可以達(dá)到與單極化天線類(lèi)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(guó)移動(dòng)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(shí)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(dú)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(gè)通道通過(guò)合路器共用原分布系統(tǒng)，另外一個(gè)通道獨(dú)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(gè)通道，通過(guò)合路器共用原分布系統(tǒng)。其中天線實(shí)現(xiàn)方案又包括兩個(gè)單極化天線組合、雙極化天線兩種。

四、TD-LTE系統(tǒng)天饋線實(shí)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(guò)使用FAD天線降低對(duì)天面資源的需求量，在建設(shè)難度和投資方面占有優(yōu)勢(shì)。在對(duì)現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能、工程實(shí)施、設(shè)備故障處理以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化質(zhì)量等方面獨(dú)立天饋方式存在不同程度的優(yōu)勢(shì)。兩種建設(shè)方式的方案對(duì)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(shí)現(xiàn)難度大難以實(shí)施，D頻段RRU內(nèi)置合路器方案相對(duì)具有更高的可靠性更適于采用，如表2所示。

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

若采用共天饋方案，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如下問(wèn)題：（1）注意控制工程實(shí)施時(shí)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的影響；（2）加快天饋部分的施工時(shí)間、并保證施工質(zhì)量；（3）在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，應(yīng)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(dāng)。雙路天饋線系統(tǒng)相對(duì)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(shí)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(duì)于TD-LTE室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)可以采取以下建設(shè)策略：（1）對(duì)于新建場(chǎng)景：由于單路、雙路室分建設(shè)難度基本相當(dāng)，應(yīng)優(yōu)先考慮雙路系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)勢(shì)，初步建設(shè)以雙路室分系統(tǒng)為主，提升容量。（2）對(duì)于改造場(chǎng)景：有較大容量需求、且具備建設(shè)條件的場(chǎng)景應(yīng)優(yōu)先建設(shè)雙路室分系統(tǒng)，對(duì)于點(diǎn)位受限場(chǎng)景可適當(dāng)考慮應(yīng)用雙極化天線；對(duì)于其他場(chǎng)景，應(yīng)按照合路方式考慮，后續(xù)若有進(jìn)一步的容量需求，可通過(guò)空分復(fù)用、小區(qū)分裂、增加載波等方式擴(kuò)容。

五、總結(jié)及展望

本文對(duì)TD-LTE天饋線系統(tǒng)的研究策略進(jìn)行了分析，通過(guò)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(duì)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(jìn)的算法后可以達(dá)到與D單頻天線類(lèi)似的性能，波束賦形上性能有劣化，但通過(guò)系統(tǒng)仿真驗(yàn)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(shí)施角度看使用FAD天線實(shí)現(xiàn)共天饋部署與D單頻天線部署具備各自的優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)場(chǎng)景進(jìn)行選擇。TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)具備與TD-SCDMA系統(tǒng)相當(dāng)?shù)母采w能力，可以實(shí)現(xiàn)與TD-SCDMA系統(tǒng)共分布系統(tǒng)應(yīng)用，TD-LTE MIMO雙路系統(tǒng)具備明顯的性能增益，但同時(shí)也面臨投資大、建設(shè)難度大等問(wèn)題，可以根據(jù)物業(yè)點(diǎn)的實(shí)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(wú)大規(guī)模商業(yè)部署經(jīng)驗(yàn)，因此后續(xù)還需要進(jìn)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(jìn)TD-LTE天饋線系統(tǒng)的演進(jìn)發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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

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