董江波，孫浩，劉瑋，陳燕雷，韓云波，李楠

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中小型化天線(xiàn)的應(yīng)用研究

董江波，孫浩，劉瑋，陳燕雷，韓云波，李楠

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

本文應(yīng)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真的方法，對(duì)小型化天線(xiàn)在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的性能進(jìn)行了評(píng)估。根據(jù)目前小型化天線(xiàn)指標(biāo)惡化程度的現(xiàn)狀，在理想蜂窩結(jié)構(gòu)以及實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)工程中，通過(guò)仿真對(duì)比，給出了小型化天線(xiàn)在實(shí)際TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用建議。

小型化天線(xiàn)；前后比；交叉極化比；業(yè)務(wù)波束增益圖

近年來(lái)隨著普通民眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，站點(diǎn)建設(shè)難度與日俱增。因此小型化天線(xiàn)由于其體積小易安裝等優(yōu)點(diǎn)受到了業(yè)界特別是工程建設(shè)人員的高度關(guān)注；并在面對(duì)業(yè)主阻擾進(jìn)行大尺寸天線(xiàn)建設(shè)難度較大時(shí)，更加傾向于應(yīng)用體積小易隱蔽的小型化天線(xiàn)。目前業(yè)界已有包括雷克等廠(chǎng)商研發(fā)了小型化天線(xiàn)，其體積尺寸僅約為普通雙極化8通道天線(xiàn)的一半左右。但是從天線(xiàn)理論可知，天線(xiàn)長(zhǎng)度與天線(xiàn)增益成近似正比關(guān)系，天線(xiàn)寬度與成型效果成近似正比關(guān)系，背板大小與前后比等指標(biāo)成近似正比關(guān)系，因此天線(xiàn)尺寸變小之后，不可避免地會(huì)使天線(xiàn)射頻指標(biāo)惡化。

面對(duì)小型化天線(xiàn)指標(biāo)的惡化量，在實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用這些天線(xiàn)時(shí)會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能帶來(lái)什么影響，網(wǎng)絡(luò)性能的惡化量是否在可接受的范圍內(nèi)？在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，什么場(chǎng)景下應(yīng)用這些小型化天線(xiàn)，其對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響相對(duì)較??？可以應(yīng)用的比例與范圍是多大？以上問(wèn)題都是在實(shí)際工程建設(shè)中需要給予回答的問(wèn)題。因此為了更好地支撐省公司的TD-LTE建設(shè)方案落地，本課題通過(guò)系統(tǒng)仿真的手段，對(duì)小型化天線(xiàn)的應(yīng)用范圍、應(yīng)用后對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響進(jìn)行了評(píng)估。最后結(jié)合理想蜂窩結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果以及實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)工程仿真結(jié)果，對(duì)小型化天線(xiàn)的應(yīng)用范圍進(jìn)行了建議。

1 小型化天線(xiàn)指標(biāo)性能的變化

小型化天線(xiàn)與常規(guī)天線(xiàn)相比，尺寸體積明顯減小，長(zhǎng)度僅為常規(guī)天線(xiàn)的1/3，厚度約為常規(guī)天線(xiàn)的1/2，寬度比常規(guī)天線(xiàn)略厚。由于天線(xiàn)性能與機(jī)械尺寸密切相關(guān)，因此相應(yīng)地其性能指標(biāo)也出現(xiàn)不同程度的惡化，表1是在微波暗室選取的不同款小型化天線(xiàn)與常規(guī)天線(xiàn)的主要電氣指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果。

由表1可以看出小型化天線(xiàn)與常規(guī)天線(xiàn)相比，增益惡化了2～3 dB，前后比惡化了6～11 dB，交叉極化比惡化了9～10 dB，而垂直面半功率波束寬度增大了11°。

下面我們將從理論分析和仿真研究?jī)蓚€(gè)角度對(duì)小型化天線(xiàn)應(yīng)用下的性能進(jìn)行研究。

表1 常規(guī)天線(xiàn)與小型化天線(xiàn)電氣性能指標(biāo)對(duì)比

2 小型化天線(xiàn)應(yīng)用下的性能研究

2.1 理論分析

天線(xiàn)電氣指標(biāo)對(duì)于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)性能至關(guān)重要，增益值將影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，即RSRP的達(dá)標(biāo)程度；前后比將影響小區(qū)的后向干擾抑制能力；交叉極化比將影響兩個(gè)極化方向上信號(hào)的相干程度，從而影響到TDLTE網(wǎng)絡(luò)中雙流傳送的比例；業(yè)務(wù)波束增益圖波瓣寬度及零點(diǎn)抑制功能，將影響到TM7模式下小區(qū)間干擾抑制能力。因此，從覆蓋角度考慮，增益值、前后比以及廣播波束增益圖的畸變將影響網(wǎng)絡(luò)的RSRP以及RSSINR性能；從容量角度考慮，除了前述幾個(gè)指標(biāo)，業(yè)務(wù)波束增益圖的畸變以及交叉極化比的惡化都會(huì)影響TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的吞吐量性能。

2.2 覆蓋性能研究

為了更加客觀地反映小型化天線(xiàn)應(yīng)用后TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能變化，為此下面將主要采用站間距為500 m，站高為30 m的理想蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。在覆蓋性能評(píng)估中，主要評(píng)估在應(yīng)用小型化天線(xiàn)后，TDLTE網(wǎng)絡(luò)RSRP以及RS-SINR的性能。首先應(yīng)用常規(guī)天線(xiàn)摸索在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)條件下，常規(guī)天線(xiàn)的最佳下傾角選擇。其次，對(duì)比全部應(yīng)用小型化天線(xiàn)時(shí)最優(yōu)下傾角的變化。最后，對(duì)比在網(wǎng)絡(luò)中選擇不同比例站點(diǎn)替換為小型化天線(xiàn)時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能的變化。

2.2.1 常規(guī)天線(xiàn)最優(yōu)下傾角分析

小型化天線(xiàn)相比常規(guī)天線(xiàn)的垂直平面半波寬度和增益都所有變化。為了對(duì)比小型化天線(xiàn)應(yīng)用后網(wǎng)絡(luò)性能的變化，我們首先來(lái)分析在理想蜂窩結(jié)構(gòu)下應(yīng)用常規(guī)天線(xiàn)時(shí)，如果取得最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能，下傾角的設(shè)置情況。為此在本文研究中，仿真對(duì)比了常規(guī)天線(xiàn)在下傾0°，6°、10°與13°條件下RSRP與RS-SINR的性能，如圖1所示。從CDF曲線(xiàn)分布可以看出，下傾10°時(shí)具有最優(yōu)的RSRP性能，同時(shí)也具有最優(yōu)的RS-SINR性能，因此后續(xù)應(yīng)用小型化天線(xiàn)仿真對(duì)比時(shí)，將以常規(guī)天線(xiàn)下傾10°的性能最優(yōu)比較對(duì)象。同時(shí)，通過(guò)此仿真也可以看出在常規(guī)天線(xiàn)垂直面波瓣較窄的條件下，當(dāng)下傾角過(guò)小時(shí)會(huì)有明顯的塔下黑現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)的RSRP性能較差。相反，當(dāng)進(jìn)一步增加下傾角到13°時(shí)，由于覆蓋范圍壓縮過(guò)小，RSRP性能出現(xiàn)惡化。

圖1 大天線(xiàn)RSRP與RS-SINR CDF分布圖

圖2 小型化天線(xiàn)RSRP與RS-SINR CDF分布圖

2.2.2 小型化天線(xiàn)性能

以下仿真結(jié)果對(duì)比小型化天線(xiàn)在下傾角為0°、5°、11°以及13°條件下與常規(guī)天線(xiàn)10°相比的覆蓋性能，如圖2。與圖1進(jìn)行對(duì)比，可以看到由于小型化天線(xiàn)的垂直半波寬度較大，在小傾角條件下塔下黑現(xiàn)象不明顯。同時(shí)，綜合考慮RSRP與RS-SINR，對(duì)于小型化天線(xiàn)為了獲得更好的SINR性能，需要進(jìn)一步加大下傾角來(lái)控制小區(qū)覆蓋范圍，從而有效控制干擾。但與常規(guī)天線(xiàn)的覆蓋性能相比，小型化天線(xiàn)的RSRP性能與常規(guī)天線(xiàn)相比差異不明顯，但是在RS-SINR方面，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于常規(guī)天線(xiàn)的應(yīng)用。

2.2.3 小型化天線(xiàn)的應(yīng)用研究

從上面的分析我們可以看出整網(wǎng)全部小型化天線(xiàn)應(yīng)用后網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能，尤其是RS-SINR會(huì)進(jìn)一步惡化，并且在應(yīng)用時(shí)需要更大的下傾角。那么在實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)中考慮到存在個(gè)別站點(diǎn)建站困難的情形，那么在應(yīng)用范圍上應(yīng)該如何進(jìn)行控制呢？為此，我們應(yīng)用不同比例小型化天線(xiàn)應(yīng)用下網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)比的方法來(lái)進(jìn)行分析。從下面的仿真結(jié)果如圖3可以看出，以滿(mǎn)足全網(wǎng)95%概率SINR大于-3 dB為要求，那么小型化天線(xiàn)的應(yīng)用比例應(yīng)該控制在10%以下，才能保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能滿(mǎn)足規(guī)劃指標(biāo)要求。

圖3 不同小型化天線(xiàn)應(yīng)用比例下RS-SINR CDF分布圖

綜上，從覆蓋性能的角度考慮小型化天線(xiàn)在整網(wǎng)的應(yīng)用比例不能太高，同時(shí)應(yīng)用時(shí)需要更大的下傾角。

2.3 容量性能研究

前面已經(jīng)分析了小型化天線(xiàn)各個(gè)指標(biāo)惡化產(chǎn)生的影響。由于公共信道主要采用分集方式傳送，對(duì)于覆蓋性能的影響主要來(lái)自于天線(xiàn)增益大小、旁瓣抑制、前后比以及垂直面半波寬度等。但是對(duì)于交叉極化比以及業(yè)務(wù)波束畸變等指標(biāo)的惡化，帶來(lái)的更多是網(wǎng)絡(luò)容量性能的影響。從理論上分析，交叉極化比指標(biāo)惡化將使得兩個(gè)天線(xiàn)信號(hào)相關(guān)性增強(qiáng)，那么當(dāng)UE工作在分集模式時(shí)，將降低分集增益，從而降低傳輸有效性；當(dāng)UE工作在復(fù)用模式時(shí)，由于天線(xiàn)相關(guān)性增加，從而增加了信道相關(guān)性，最終將降低雙流形成的比例，這兩種情形都將帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的降低。另外，由于業(yè)務(wù)波束增益圖的畸變，使得UE工作在波束賦型模式時(shí)，鄰小區(qū)干擾抑制能力將降低，從而也降低了UE工作在TM7模式下的吞吐量。為此，本文采用了實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)蜂窩結(jié)構(gòu)仿真小型化天線(xiàn)應(yīng)用下網(wǎng)絡(luò)的容量性能。現(xiàn)網(wǎng)對(duì)一般城區(qū)場(chǎng)景137站范圍進(jìn)行仿真，平均站間距為440 m，平均站高為26.5 m，區(qū)域如圖4所示。

圖4 一般城區(qū)

仿真結(jié)果如表2所示，在網(wǎng)絡(luò)中全部使用小型化天線(xiàn)與全部使用常規(guī)天線(xiàn)相比，并且網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為50%時(shí)，下行小區(qū)吞吐量下降59.3%，下行邊緣吞吐量下降62.1%。

表2 小型化天線(xiàn)與常規(guī)天線(xiàn)容量性能對(duì)比

3 總結(jié)

本文采用系統(tǒng)仿真的手段對(duì)小型化天線(xiàn)的應(yīng)用進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)覆蓋性能和容量性能的對(duì)比分析，我們可以看到由于小型化天線(xiàn)射頻指標(biāo)的惡化帶來(lái)了LTE網(wǎng)絡(luò)性能的損失。同時(shí)，通過(guò)理想蜂窩結(jié)構(gòu)下網(wǎng)絡(luò)性能的仿真對(duì)比，可以看出在小型化天線(xiàn)應(yīng)用時(shí)需要控制應(yīng)用比例與下傾角的調(diào)整。因此，在小型化天線(xiàn)指標(biāo)沒(méi)有改進(jìn)之前在現(xiàn)網(wǎng)中應(yīng)該慎用，盡量應(yīng)用在覆蓋范圍比較小并且下傾角較大的小區(qū)，從而有效控制由于小型化天線(xiàn)帶來(lái)的對(duì)整網(wǎng)性能的影響。

[1] 3GPP TS 36.211 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);PhysicalChannels and Modulation(Release 8)[S]，2013年3月.

[2] 沈嘉，索士強(qiáng)，全海洋等. 3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：人民郵電出版社，2008,11.

Study on network performance with small antenna in TD-LTE system

DONG Jiang-bo, SUN Hao, LIU Wei, CHEN Yan-lei, HAN Yun-bo, LI Nan
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

The network performance with small antenna is investigated with TD-LTE network simulation platform. From the simulation results in ideal network and real network, the application suggestion is provided in this paper.

small antenna; front to back ratio; cross polarization ratio; traffc beam gain pattern

TN929.5

A

1008-5599（2014）01-0006-04

2014-01-03