張羽，楊健

(1 中國移動(dòng)通信集團(tuán)山東有限公司，濟(jì)南 250001；2 中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司山東分公司，濟(jì)南 250101）

農(nóng)村TD-LTE覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

張羽1，楊健2

(1 中國移動(dòng)通信集團(tuán)山東有限公司，濟(jì)南 250001；2 中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司山東分公司，濟(jì)南 250101）

針對(duì)農(nóng)村4G廣覆蓋的需求，本文介紹了高增益智能天線、導(dǎo)頻功率提升、六扇區(qū)技術(shù)、16T16R技術(shù)以及覆蓋增強(qiáng)COMP功能，從5種技術(shù)的技術(shù)原理、性能提升水平進(jìn)行分析，給出每種技術(shù)的部署建議。最后，通過5種技術(shù)的對(duì)比，給出農(nóng)村場景使用優(yōu)先級(jí)。

農(nóng)村；TD-LTE；覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

隨著中國移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)的快速建設(shè)，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍越來越廣，但廣大農(nóng)村區(qū)域如何實(shí)現(xiàn)4G覆蓋成為下一步網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)。農(nóng)村面積廣，村莊分散，并且TD-LTE的頻段較高，廣覆蓋能力有限，因此農(nóng)村4G覆蓋需要采用多種技術(shù)手段、多種基站類型，快速、高效的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋。

本文介紹了適于農(nóng)村的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)手段，主要考慮高增益智能天線、導(dǎo)頻功率提升、16T16R、COMP、六扇區(qū)技術(shù)等方案。通過分析不同方案的特點(diǎn)和性能提升水平，最終給出了部署建議。

1 農(nóng)村4G覆蓋相關(guān)指標(biāo)

1.1 農(nóng)村定義

從行政區(qū)劃體系看，我國行政區(qū)劃分為省級(jí)、地市級(jí)、縣級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和行政村5級(jí)。“行政村”主要指所有包含村委會(huì)的村，行政村下有若干自然村或村民組。

根據(jù)陸地地形不規(guī)則度，農(nóng)村可進(jìn)一步細(xì)分為平原、丘陵、山區(qū)三大類場景，如表1所示。

表1 農(nóng)村場景分類

1.2 農(nóng)村覆蓋指標(biāo)

廣覆蓋主要指廣域覆蓋，包括連續(xù)覆蓋和熱點(diǎn)覆蓋。連續(xù)覆蓋指特定室外區(qū)域的整體覆蓋，區(qū)域內(nèi)達(dá)到一定比例的覆蓋概率。熱點(diǎn)覆蓋指特定室外區(qū)域的局部覆蓋，局部區(qū)域內(nèi)達(dá)到一定比例的覆蓋概率。

由于農(nóng)村地域面積廣，人口密度小，農(nóng)村4G覆蓋從熱點(diǎn)覆蓋逐漸轉(zhuǎn)向必要區(qū)域的連續(xù)覆蓋?，F(xiàn)階段，農(nóng)村4G并非“連續(xù)覆蓋”，可通過行政村覆蓋率、面積覆蓋率、人口覆蓋率、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)覆蓋率等指標(biāo)來表征覆蓋程度。其中，行政村覆蓋率可通過有覆蓋的行政村數(shù)量進(jìn)行估算，面積覆蓋率、人口覆蓋率以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)覆蓋率需要考慮村莊的有效覆蓋面積、人口數(shù)量等信息，統(tǒng)計(jì)上有一定難度。

2 農(nóng)村4G覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

2.1 高增益智能天線

2.1.1 技術(shù)原理

天線增益經(jīng)驗(yàn)公式：

G=10lg(32 400/(θH3dB×θV3dB))

其中：θH3dB、θV3dB分別為天線在水平、垂直面上的波瓣寬度。

由上述公式可以看出，天線增益、水平波瓣寬度、垂直波瓣寬度3個(gè)參數(shù)是固定數(shù)學(xué)關(guān)系，高增益智能天線的主要實(shí)現(xiàn)原理是通過減小水平或垂直波瓣寬度，提高增益。目前有兩種實(shí)現(xiàn)方案，一種是“加寬加長”方案，一種是“上下排列”方案。

如圖1所示，“加寬加長”方案通過增加天線陣列間距，減小水平單元波束，同時(shí)增加每列的振子數(shù)，減小垂直面波束寬度，可以提高單元波束的增益。“上下排列”方案是將4列陣列上下排列組成8通道天線，拉大陣列間距，減小水平單元波束寬度，提高單元波束的增益。

“上下排列”方案由于陣列上下排列，導(dǎo)致天線尺寸很長?！凹訉捈娱L”方案通過水平方向、垂直方向都適當(dāng)增加尺寸，減小波束寬度，提高天線增益?！凹訉捈娱L”方案是目前高增益智能天線主要采用的技術(shù)方案。

2.1.2 性能提升

目前現(xiàn)有F頻段增益智能天線與普通天線相比，天線增益約提升2.5 dB，小區(qū)覆蓋半徑提升超過20%。

2.1.3 部署建議

與普通八通道智能天線相比，高增益智能天線體積增加20%，重量增加10%，對(duì)天面的要求更高。在部署時(shí)，需考慮天面是否滿足要求。

圖1 高增益智能天線實(shí)現(xiàn)原理

高增益智能天線由于其部署方便，投資效益高，廣泛適用于農(nóng)村4G基站，建議優(yōu)先使用。

2.2 導(dǎo)頻功率提升

2.2.1 技術(shù)原理

（1）實(shí)現(xiàn)方式1：高功率RRU是將射頻輸出功率由8×10 W提高到8×20 W，可以支持更高的CRS發(fā)射功率；與8×10 W的RRU相比，發(fā)射功率提升3 dB，下行覆蓋半徑可提高20%。

（2）實(shí)現(xiàn)方式2：無線信道功率調(diào)整。圖2示意了無線信道功率調(diào)整過程。通過調(diào)整不同無線信道之間的功率分配比例，提升CRS發(fā)射功率，改善RSRP、RS-SINR覆蓋指標(biāo)，從而提升CRS的覆蓋范圍和覆蓋質(zhì)量。但是通過調(diào)整不同無線信道之間的功率分配比例的方案，業(yè)務(wù)信道速率會(huì)較低。

圖2 無線信道功率調(diào)整

（3）實(shí)現(xiàn)方式3：無線信道功率調(diào)整。小區(qū)參考信號(hào)功率與帶寬成反比，對(duì)于業(yè)務(wù)需求不是很旺盛區(qū)域，可通過縮帶寬的方式增強(qiáng)單位頻率的功率，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)下行覆蓋的目的。

P單天線為RRU單Path發(fā)射功率。

Pb為PDSCH上EPRE的功率因子比率指示。

NRB為RB的數(shù)量，取決于帶寬。

2.2.2 部署建議

高功率RRU可以全面提升下行信道的發(fā)射功率，改善下行覆蓋，適用于農(nóng)村廣覆蓋的普遍需求，但是在部署時(shí)需注意上下行鏈路平衡。

在農(nóng)村4G業(yè)務(wù)發(fā)展初期，主要考慮覆蓋需求，容量需求不明顯，可通過縮帶寬、調(diào)整不同無線信道之間的功率分配比例的方式增強(qiáng)CRS單位頻率的功率，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)下行覆蓋的目的。

2.3 六扇區(qū)技術(shù)

2.3.1 技術(shù)原理

如圖3所示，六扇區(qū)技術(shù)是充分利用智能天線的波束賦形能力，在不新增設(shè)備的情況下，將傳統(tǒng)單站3扇區(qū)模式轉(zhuǎn)變?yōu)?扇區(qū)模式。在同一個(gè)RRU、同一個(gè)天線上建立兩個(gè)異頻的TD-LTE小區(qū)，快速、低成本提升單站覆蓋能力和網(wǎng)絡(luò)性能和容量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，利用TDD特有的智能天線波束賦形能力，通過調(diào)整天線幅度和相位權(quán)值，將2個(gè)小區(qū)方位角各偏置一定角度進(jìn)行覆蓋。

六扇區(qū)技術(shù)既可以用于局部弱覆蓋區(qū)域的覆蓋改善，也可以用于局部容量熱點(diǎn)區(qū)域的容量提升。六扇區(qū)技術(shù)采用六扇區(qū)30°波束，可最大程度提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋，解決選址難問題。在容量熱點(diǎn)區(qū)域，六扇區(qū)技術(shù)采用異頻組網(wǎng)可充分發(fā)揮F頻段30 Mbit/s帶寬優(yōu)勢，滿足用戶深度容量需求，避免簡單擴(kuò)容帶來的覆蓋收縮。

2.3.2 性能提升

圖3 六扇區(qū)技術(shù)示意

在六扇區(qū)模式下，兩載波波束變窄，相比傳統(tǒng)三扇區(qū)能量更集中。

另外，通過優(yōu)化調(diào)整天線幅度和相位取值，為智能天線尋找一組功率和干擾處于最佳平衡點(diǎn)的參數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)能量的再分布，提升邊緣用戶信號(hào)強(qiáng)度，改善用戶感知。

圖4給出了各個(gè)方向的增益提升，原扇區(qū)方向增益提升6 dB（120°與240°方位），原扇區(qū)夾角方向增益提升7～9 dB。

2.3.3 部署建議

六扇區(qū)技術(shù)在覆蓋和容量方面的性能提升，使其有廣泛的應(yīng)用場景。

(1）六扇區(qū)技術(shù)建立在現(xiàn)有站址基礎(chǔ)上，可解決選址難的問題。

（2）與原三扇區(qū)20 Mbit/s融合組網(wǎng)，提升單小區(qū)覆蓋半徑，可以改善城區(qū)室內(nèi)深度覆蓋和農(nóng)村廣覆蓋水平。

（3）可以解決高校區(qū)等場景的覆蓋、容量需求。

考慮到農(nóng)村村莊分布廣泛，村莊與農(nóng)田交錯(cuò)分布，村莊不連續(xù)性較強(qiáng)，因此六扇區(qū)技術(shù)在農(nóng)村的應(yīng)用場景有限。

圖4 六扇區(qū)天線方向圖

2.4 16T16R技術(shù)

2.4.1 技術(shù)原理

16T16R是將兩個(gè)8通道RRU、兩面8通道天線進(jìn)行雙拼，共同覆蓋同一小區(qū)，形成16通道收發(fā)，從而提升覆蓋能力。

2.4.2 性能提升

對(duì)于下行，兩個(gè)8通道RRU可以最大化使用每個(gè)RRU的功率，以滿足農(nóng)村廣覆蓋場景下行功率的需求，下行覆蓋半徑相對(duì)8T8R提升30%。

對(duì)于上行，采用16通道接收，并采用最大比合并算法提高上行信號(hào)解調(diào)能力，從而提升上行覆蓋能力。上行增益相對(duì)8T8R理論提升4 dB，對(duì)應(yīng)覆蓋半徑能力提升25%。

2.4.3 部署建議

16T16R技術(shù)在部署時(shí)，對(duì)天面要求較高，兩個(gè)天線需部署在同一水平面，水平間距要求在3～5倍波長，并且具有相同的方向角和下傾角，實(shí)現(xiàn)同覆蓋。實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)部署時(shí)存在較大困難，影響實(shí)施效果。

2.5 覆蓋增強(qiáng)COMP功能

覆蓋增強(qiáng)COMP功能，本小區(qū)和鄰區(qū)通過協(xié)作同時(shí)對(duì)邊緣用戶進(jìn)行聯(lián)合接收處理，以提高網(wǎng)絡(luò)性能。

根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)測試驗(yàn)證：在小區(qū)邊緣（RSRP=-100 dBm)區(qū)域吞吐量增益約10%，在室外站覆蓋室內(nèi)的邊緣（RSRP=-115 dBm）區(qū)域吞吐量增益約30%。

表2 農(nóng)村4G覆蓋增強(qiáng)技術(shù)對(duì)比

在覆蓋受限場景開啟，COMP功能可增強(qiáng)邊緣覆蓋性能，尤其對(duì)于室外站覆蓋室內(nèi)的場景。

3 小結(jié)

表2給出了5種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的特點(diǎn)，農(nóng)村4G廣覆蓋使用建議為優(yōu)先使用高增益天線技術(shù)和導(dǎo)頻功率提升技術(shù)，六扇區(qū)技術(shù)、16T16R技術(shù)、COMP技術(shù)在農(nóng)村實(shí)施效果相對(duì)較弱，可在特定場景具備條件時(shí)使用。

[1]顧一泓，陸學(xué)兵，李欽竹. TD-LTE 6扇區(qū)組網(wǎng)研究[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2015(09).

Research on the coverage enhancement technology of TD-LTE in rural areas

ZHANG Yu1, YANG Jian2
(1 China Mobile Group Shandong Co., Ltd., Ji'nan 250001, China; 2 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Shandong Branch, Ji'nan 250101, China)

This paper introduces fi ve technologies to enhance coverage of TD-LTE in rural areas. The principle and performance improvement of these technologies are analyzed and construction suggestions are given. At last, the construction priority of the technologies is given through comparison.

rural area; TD-LTE; coverage enhancement technology

TN929.5

A

1008-5599（2017）02-0028-04

2016-05-05