（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

1 引言

目前運(yùn)營(yíng)商3G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)已基本實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)城市、縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的連續(xù)覆蓋。但是，在部分地區(qū)尤其是農(nóng)村地區(qū)，3G網(wǎng)絡(luò)仍然存在覆蓋深度不足的問(wèn)題，這嚴(yán)重影響了業(yè)務(wù)質(zhì)量。如何便捷高效地提升農(nóng)村覆蓋效果，改善用戶體驗(yàn)是亟待解決的問(wèn)題。為了提高3G基站的覆蓋能力，改善用戶體驗(yàn)，考慮引入2T4R（2 Transmit 4 Receive，即基站下行2天線發(fā)射，上行4天線接收）技術(shù)解決部分農(nóng)村地區(qū)存在無(wú)覆蓋、弱覆蓋、覆蓋不連續(xù)的現(xiàn)象，相比現(xiàn)網(wǎng)中傳統(tǒng)的1T2R，2T4R能夠獲得更好的發(fā)射/接收增益，提升覆蓋效果。本文通過(guò)對(duì)2T4R技術(shù)深度覆蓋能力及效果的驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行分析，研究在不同區(qū)域不同設(shè)備配置下2T4R的覆蓋性能，并與傳統(tǒng)的1T2R技術(shù)進(jìn)行覆蓋效果的對(duì)比，總結(jié)2T4R技術(shù)的增益效果，給出網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的應(yīng)用意見(jiàn)。

2 2T4R技術(shù)原理

隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷加快、移動(dòng)用戶的飛速增加，在大中城市地區(qū)已經(jīng)基本可以做到無(wú)縫覆蓋，但在農(nóng)村地方由于用戶密度小，初期的基站建設(shè)僅僅實(shí)現(xiàn)了基本覆蓋。隨著移動(dòng)資費(fèi)的降低，鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村等地區(qū)的用戶數(shù)也在快速提升，話務(wù)量也在快速增長(zhǎng)，部分地區(qū)由于距離基站過(guò)遠(yuǎn)，加之建筑墻體和樹(shù)木等遮擋物造成的路徑損耗，導(dǎo)致了弱覆蓋。另外，有些基站由于基站擴(kuò)容時(shí)合路方式發(fā)生變化帶來(lái)的插損也會(huì)造成部分地區(qū)的弱覆蓋，出現(xiàn)信號(hào)覆蓋不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)速率較低、呼叫失敗、掉話、話音質(zhì)量差等問(wèn)題。

為了提高3G基站的覆蓋能力，解決農(nóng)村地區(qū)的弱覆蓋問(wèn)題，目前可以采用RRU（Remote Radio Unit，射頻拉遠(yuǎn)單元）拉遠(yuǎn)、提高發(fā)射功率、升級(jí)到2T4R等方法[1]。本文將重點(diǎn)介紹2T4R技術(shù)。

目前3G現(xiàn)網(wǎng)中基站天線一般是按照1T2R建設(shè)的，2T4R技術(shù)就是在現(xiàn)有1T2R基礎(chǔ)上增加1路發(fā)射和2路接收。2T4R增強(qiáng)技術(shù)本質(zhì)上屬于MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出）技術(shù)，包含多個(gè)發(fā)射天線和接收天線的MIMO系統(tǒng)可以獲得比單天線系統(tǒng)高得多的頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率[2]。

在非相關(guān)衰落信道下，MIMO系統(tǒng)都可等效地看成min(Nt,Nr)個(gè)并行單天線系統(tǒng)的疊加，其信道容量隨信噪比線性增加，是單天線系統(tǒng)信道容量的min(Nt,Nr)倍。Nt為發(fā)射天線數(shù)量，Nr為接收天線數(shù)量。

系統(tǒng)的傳輸速率必定不會(huì)大于信道容量，所以可以假設(shè)MIMO系統(tǒng)的傳輸速率為：

其中l(wèi)og2(1+SNR)是單天線系統(tǒng)的最大傳輸速率，而MIMO系統(tǒng)的空間復(fù)用增益r即為能夠得到的傳輸速率與SISO（Single Input Single Output，單輸入單輸出）系統(tǒng)的最大傳輸速率log2(1+SNR)的比值，即：

M I M O系統(tǒng)能夠得到的最大空間復(fù)用增益為min(Nt,Nr)[3]。

通過(guò)以上分析可以看出，傳統(tǒng)的1T2R并沒(méi)有帶來(lái)容量的提升，而2T4R系統(tǒng)可以帶來(lái)復(fù)用增益，成倍地增加系統(tǒng)容量。另外，和傳統(tǒng)的1T2R相比較，理論上2T4R在下行和上行也可以獲得每副天線3dB的設(shè)備增益[4]，更好地對(duì)抗多徑衰落，可以降低誤碼率，提高上行速率，擴(kuò)大覆蓋范圍，顯著提高邊緣地區(qū)的用戶體驗(yàn)。

3 2T4R性能分析

通過(guò)選取農(nóng)村不同的典型場(chǎng)景，通過(guò)對(duì)1T2R和2T4R的覆蓋效果進(jìn)行對(duì)比，分析2T4R技術(shù)帶來(lái)的增益。2T4R驗(yàn)證方案如表1所示：

表1 2T4R驗(yàn)證方案

表1簡(jiǎn)要列出了天線配置、典型的應(yīng)用場(chǎng)景以及驗(yàn)證的內(nèi)容?；咎炀€的配置主要有4種：1T2R 2×20W、1T2R 2×40W、2T4R 2×20W和2T4R 2×40W。主要從3個(gè)方面驗(yàn)證2T4R的增益效果：

（1）室外覆蓋距離：不同配置下單站的語(yǔ)音業(yè)務(wù)、下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)HSDPA（High Speed Downlink Packet Access，高速下行分組接入技術(shù)）和上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)HSUPA（High Speed Uplink Packet Access，高速上行分組接入技術(shù)）的室外最大覆蓋距離。

（2）室內(nèi)覆蓋：在小區(qū)邊緣室內(nèi)場(chǎng)景并且滿足可進(jìn)行語(yǔ)音和中低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最低要求下最遠(yuǎn)的覆蓋距離。

（3）評(píng)估升級(jí)到2T4R技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能的改善。

3.1 典型場(chǎng)景下2T4R增益分析

2T4R的性能分析主要包括密集遮擋的場(chǎng)景和較為空曠的場(chǎng)景這2類典型場(chǎng)景下2T4R的覆蓋效果，以及2T4R對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和速率的改善分析。

（1）場(chǎng)景1——密集遮擋場(chǎng)景

該場(chǎng)景模擬了農(nóng)村室外道路兩旁有密集遮擋的情況，主要特點(diǎn)是存在連續(xù)密集的樹(shù)木或者建筑物等遮擋物。該場(chǎng)景下站高50m，天線下傾角2°，天線增益18dBi。建筑物的遮擋大約在10dB左右。

圖1給出了4種不同配置下語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的覆蓋距離，其中第1組數(shù)據(jù)表示進(jìn)行語(yǔ)音業(yè)務(wù)直到RSCP低于-100dBm時(shí)的距離；第2、3組數(shù)據(jù)分別代表HSDPA和HSUPA速率為0時(shí)的距離?？梢钥闯?T4R的配置能夠提升覆蓋距離，特別是在HSUPA的情況下尤為明顯。進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)覆蓋距離明顯地受限于上行業(yè)務(wù)。

圖1 場(chǎng)景1室外覆蓋距離

表2給出了不同配置下室內(nèi)外覆蓋的對(duì)比。根據(jù)表2的結(jié)果，1T2R站點(diǎn)升級(jí)到2T4R（2×20W）后，室外覆蓋距離從1.6km左右擴(kuò)展到1.91km左右，室外上行覆蓋距離能夠增加大約20%。1T2R的室內(nèi)覆蓋距離為1.26km左右，2T4R可將其擴(kuò)展到1.88km左右，也可以帶來(lái)大約50%的提升。對(duì)比1T2R和2T4R室內(nèi)外的覆蓋距離的差值可以明顯看出：2T4R對(duì)抗衰落和建筑遮擋的能力更強(qiáng)，能夠有效保證室內(nèi)外的覆蓋效果。

表2 密集遮擋場(chǎng)景4種不同配置下的室內(nèi)外覆蓋對(duì)比

（2）場(chǎng)景2——空曠場(chǎng)景

該場(chǎng)景主要是以沒(méi)有遮擋的公路、鐵路等場(chǎng)景為代表的相對(duì)比較空曠的部署場(chǎng)景。該場(chǎng)景下天線站高以及建筑物的損耗基本與場(chǎng)景1一致?？諘鐖?chǎng)景4種不同配置下室內(nèi)外覆蓋對(duì)比如表3所示：

表3 空曠場(chǎng)景4種不同配置下的室內(nèi)外覆蓋對(duì)比

由表3可以看出，對(duì)于空曠場(chǎng)景，2T4R帶來(lái)的覆蓋改善效果同樣十分明顯，1T2R室外覆蓋距離約為4.2km左右，改造成2T4R之后，覆蓋范圍擴(kuò)展到至少5.8km以上，室外上行覆蓋距離增加30%以上。而該場(chǎng)景室內(nèi)覆蓋，1T2R的室內(nèi)覆蓋距離為3km左右，2T4R可擴(kuò)展到3.7km左右。

（3）全網(wǎng)增益

站點(diǎn)進(jìn)行2T4R升級(jí)改造后，對(duì)由2T4R站點(diǎn)組成的整網(wǎng)的深度覆蓋效果的提升進(jìn)行綜合分析。信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)比如圖2所示：

圖2 信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比

圖2直觀地反映出經(jīng)過(guò)2T4R技術(shù)升級(jí)后，覆蓋效果得到了明顯的改善。RSCP小于-95dBm的比例，從1T2R 2×20W的31.65%，下降到2T4R 2×20W的21.57%，進(jìn)一步提升功率到40W后更是下降到6.05%，有效擴(kuò)大了高質(zhì)量信號(hào)所占的區(qū)域。

整網(wǎng)下行/上行平均速率對(duì)比如圖3所示。

從圖3能夠看出升級(jí)到2T4R之后，下行的平均速率從4900kbps上升到了5600kbps左右，提升了大約15%；上行平均速率也從1370kbps提升至1570kbps左右，提升了15%，這顯著地改善了用戶體驗(yàn)。

圖3 整網(wǎng)下行/上行平均速率對(duì)比

（4）覆蓋規(guī)劃

綜合以上分析，農(nóng)村和郊區(qū)場(chǎng)景下，WCDMA系統(tǒng)一般為上行覆蓋受限，考慮到至少能夠滿足室內(nèi)可進(jìn)行語(yǔ)音和中低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最低要求，農(nóng)村典型場(chǎng)景的參考覆蓋范圍和站間距參考如表4所示：

表4 農(nóng)村典型場(chǎng)景的1T2R/2T4R覆蓋范圍和站間距

2×20W發(fā)射功率配置的2T4R系統(tǒng)相對(duì)于原有的20W發(fā)射功率配置的1T2R系統(tǒng)，室外覆蓋范圍和站間至少也有20%以上的增益。在農(nóng)村目前基站數(shù)量較少或者建設(shè)新站存在困難的場(chǎng)景下，2T4R技術(shù)可以有效地拓展覆蓋距離，利用已有的基站實(shí)現(xiàn)更好的覆蓋效果，減少覆蓋盲點(diǎn)，改善用戶體驗(yàn)，提升系統(tǒng)容量。

4 2T4R改造成本分析

2T4R升級(jí)改造方案示意圖如圖4所示。

圖4 2T4R升級(jí)改造方案

如圖4所示，在實(shí)際的改造中，2T4R是在原有天饋基礎(chǔ)上添加一根雙極化天線或者將原網(wǎng)天線替換為一面四端口天線，還需要在現(xiàn)網(wǎng)基礎(chǔ)上新增一套R(shí)RU、光纖連接BBU（Building Baseband Unit，基帶處理單元）至新RRU以及新的天線。若增加天線則新增天線應(yīng)與原有天線型號(hào)參數(shù)相同，同時(shí)為了避免不必要的損耗，兩副天線的饋線長(zhǎng)度應(yīng)該保持一致。因此升級(jí)2T4R會(huì)帶來(lái)天線、RRU等設(shè)備、配套耗材的成本以及一定的人工成本。

圖5給出了4種配置下的耗電對(duì)比，升級(jí)到2T4R 20W，由于增加了1套R(shí)RU和天線，功耗比1T2R 20W增加36%；進(jìn)一步增加功率到40W，功耗比1T2R 2 0W增加53%。為了達(dá)到更好的覆蓋效果，升級(jí)2T4R或者進(jìn)一步增加功率均會(huì)帶來(lái)一定的耗電成本。

圖5 不同配置耗電對(duì)比

5 2T4R技術(shù)應(yīng)用總結(jié)

本節(jié)根據(jù)2T4R技術(shù)帶來(lái)的覆蓋增益以及成本的分析結(jié)果給出2T4R技術(shù)的應(yīng)用總結(jié)。2T4R的優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下：

（1）和1T2R對(duì)比來(lái)看，2T4R對(duì)室外上行覆蓋改善更明顯：密集遮擋場(chǎng)景覆蓋距離增益20%，空曠場(chǎng)景距離增益30%以上。

（2）網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)2T4R改造升級(jí)后，RSCP>-95dBm的比例從68%提升到94%，用戶上下行平均速率提高15%。

2T4R可以增強(qiáng)穿透覆蓋能力。針對(duì)存在密集遮擋的場(chǎng)景以及室內(nèi)場(chǎng)景，若1T2R站點(diǎn)的覆蓋被阻擋的較為嚴(yán)重，可以考慮用2T4R技術(shù)穿透遮擋區(qū)域，提高覆蓋效果，改善信號(hào)質(zhì)量，提升業(yè)務(wù)平均速率。2T4R增強(qiáng)的系統(tǒng)容量可以接納更多的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)用戶，帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益。

2T4R技術(shù)需要增加一套射頻系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)改動(dòng)相對(duì)較小，對(duì)現(xiàn)有3G終端也沒(méi)有額外要求。但需要新的成本支出，包括增加的天線、RRU以及相關(guān)的耗材和人力成本。另外，2T4R還會(huì)帶來(lái)額外的耗電，增加電力成本。

綜上所述，2T4R技術(shù)很適合用于縣城城區(qū)、郊區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村等典型區(qū)域來(lái)解決弱覆蓋或者無(wú)覆蓋的問(wèn)題。考慮到成本問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中可以在弱覆蓋、強(qiáng)干擾等問(wèn)題較嚴(yán)重的地區(qū)，或者建設(shè)新站存在困難的場(chǎng)景下利用已有的站點(diǎn)進(jìn)行2T4R改造，減少覆蓋漏洞，提升全網(wǎng)的覆蓋水平。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章簡(jiǎn)要介紹了2T4R的技術(shù)原理，然后在4種不同的配置情況下，對(duì)比不同場(chǎng)景下2T4R和1T2R的覆蓋效果。最后總結(jié)了2T4R技術(shù)帶來(lái)的覆蓋增益，信號(hào)質(zhì)量改善效果和速率的增益。2T4R技術(shù)能夠帶來(lái)較為明顯的覆蓋增強(qiáng)，并且改造升級(jí)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)和終端的影響非常小，但是2T4R技術(shù)會(huì)帶來(lái)一定的改造成本和額外的耗電。針對(duì)現(xiàn)網(wǎng)弱覆蓋區(qū)域選擇基站部署2T4R技術(shù)，能夠有效解決鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村深度覆蓋的問(wèn)題，改善用戶語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

[1] 張保嵩. WCDMA中的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù),2006(10): 39-41.

[2] 沈嘉,索世強(qiáng). 3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2008: 158-169.

[3] Harri Holma, Antti Toskala. WCDMA FOR UMTS– HSPA EVOLUTION AND LTE[M]. 5版. A John Wiley&Sons Ltd Publication, 2007: 444-447.

[4] 黃丘林,史小衛(wèi). MIMO系統(tǒng)中分集增益和空間復(fù)用增益的折衷關(guān)系[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2007,29(3):681-685.

[5] 羅哲,馬晨,譚路加. LTE 2T4R應(yīng)用探討[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù), 2015(5): 48.

[6] 單志龍,史景倫,熊尚坤. MIMO技術(shù)原理及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用[J]. 移動(dòng)通信, 2009,33(12): 31-34.

[7] 劉遠(yuǎn)彬,梁霄. 2T4R、2T2R天線在LTE中應(yīng)用分析[J].中國(guó)新通信, 2014(18): 85-87.

[8] 李維. LTE FDD 2T2R與2T4R的技術(shù)比較[J]. 信息通信,2014(11): 183-184.

[9] 韓耀澤,張靖,李昊. TD-LTE系統(tǒng)中MIMO技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景與介紹[J]. 電信網(wǎng)技術(shù), 2011(7): 31-33.

[10] 楊華導(dǎo). LTE 2T2R和2T4R混合組網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化研究[J].移動(dòng)通信, 2014(Z): 135-137.