TD-LTE室内多天线模式探讨

 TD-LTE网络的优势在于更好地支撑高速数据业务与多媒体业务。国内外3G业务发展规律表明，视频电话、视频流媒体、在线游戏等高速数据业务，70%都发生在室内环境中。作为解决室内覆盖的主要方式，TD-LTE室内分布系统建设成为TD-LTE网络建设的重中之重。

    由于TD-LTE引入MIMO多天线技术，能够有效提高系统容量和小区峰值速率，因此在TD-LTE室内分布系统中如何引入MIMO成为业界研究热点。

TD-LTE室内多天线模式简介

    TD-LTE室内多天线模式包括单通道和双通道两种，其中双通道模式下可考虑采用单极化天线或双极化天线。

单通道模式

    单通道模式（如图1所示）是指通过合路器，将TD-LTE系统馈入现有单通道室内分布系统。该模式工程改造量小，施工成本低。由于采用单通道，因此实现的天线模式较少，虽然能够提高UE峰值速率，但相比双通道模式无法提升系统容量。

  图1  单通道模式系统框图

    在TD-LTE网络建设初期，如果用于TD-LTE系统的频谱资源丰富，则可考虑不引入MIMO双流，只改造单通道室内分布系统引入LTE；尤其是已存在室内分布系统，但数据业务需求并不高的楼宇，可以优先考虑该模式。

双通道单极化天线模式

    双通道单极化天线模式（如图2所示）是指TD-LTE系统一路通道通过合路器馈入现有单通道室内分布系统，另外新建一路通道，通过双通道的方式实现MIMO双流。双通道单极化天线模式中每路通道均使用单极化天线，因此需新增现有单通道室分系统一倍的天线。


  图2 双通道单极化天线模式系统框图

    与单通道模式相比，双通道模式的工程改造量大，系统投资、施工成本总额较高。在提高UE峰值速率的同时，理论上可以得到两倍于单通道模式下的系统容量。但是不同场景下无线环境和单极化天线间距会影响MIMO双流的性能。

    TD-LTE网络建设初期，特别是在数据业务热点地区，可以考虑引入双通道室内分布系统，以体现MIMO双流对系统容量的提升，提高用户感知度。 

双通道双极化天线模式

    双通道双极化天线模式本质上与双通道单极化天线模式相同，只是用一个双极化天线替换了两个单极化天线，因此从外观上天线数量与现有单通道室分系统相同，可降低业主对增加室分天线的担忧和抗拒；但是在不同场景下，双极化天线对MIMO双流的性能影响各异。

TD-LTE室内多天线模式测试对比
单通道、双通道网络性能对比

    TD-LTE室内分布系统单双通道性能对比测试场景选择在一个商业写字楼，该大厦为钢筋混凝土结构，平层内部建筑隔断较多，楼层内、楼层间穿透损耗均较大。

    本次测试选择走廊、会议室群、大办公室和大会议室等场景进行测试；主要测试不同场景下，双极化天线与单极化天线相比对容量提升的影响。

• 定点测试吞吐量
      分别在走廊、会议室群、大办公室和大会议室等场景选择多个固定测试点，测试结果如表1所示。
• 移动测试吞吐量
      单通道测试方向为由强场移动至弱场，红点表示有人经过，吞吐量结果如图3所示； 双通道测试方向为由弱场移动至强场，且此时经常有人经过，吞吐量结果如图4所示。
• 结论
      在各种测试场景下，TD-LTE双通道室内分布系统小区下行吞吐量相比单通道室内分布系统都有明显的提高，小区下行吞吐量平均提升60％以上；TD-LTE双通道室内分布系统对无线环境较为敏感，不同测试环境小区下行吞吐量有明显波动；TD-LTE单通道室内分布系统对环境不敏感，不同测试环境小区下行吞吐量波动较小。
  
   表1 定点测试吞吐量结果
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   图3 单通道移动测试吞吐量结果                          图4 双通道移动测试吞吐量结果

双通道网络性能研究对比

    TD-LTE室内分布系统双通道时，单极化天线、双极化天线性能对比测试场景选择在一个商业写字楼，该大厦为钢筋混凝土结构，开阔场景为写字楼走廊，封闭场景为大会议室。

    测试主要目的为：开阔、封闭场景下，单极化天线/双极化天线性能对比、满足MIMO应用时单极化天线间距要求以及建议采用单极化还是双极化天线，单极化天线间距要求。

• 单极化、双极化天线对比——开阔场景
      在不同天线配置（单极化天线间距0.3m、0.9m和1.5m、晖速双极化天线、摩比双极化天线）下选择近点、中点和远点进行对比测试，测试结果见表2及图5。
  
• 单极化、双极化天线对比——封闭场景
      在不同天线配置（单极化天线间距1.5m、晖速双极化天线、摩比双极化天线）下选择近点、中点和远点进行对比测试，测试结果见表3。
  
• MIMO性能与室内无线信道相关性研究结论
      开阔场景下：根据测试吞吐量变化趋势，终端离吸顶天线越远，无线信道相关性呈下降趋势；两路单极化天线间距4波长以上，可以良好支持MIMO双流的应用；无线信道相关性随时间呈现一定的波动性，因此TD-LTE基站需支持MIMO单流、双流自适应切换。
  
      封闭场景下：封闭场景散射体分布较少，因此在相同天线间距下，无线信道相关性比开阔场景显著增强；增大吸顶天线间距，可以降低无线信道相关性，从而满足MIMO双流的应用，建议天线间距在10个波长以上。
  
• 单极化双极化天线对比结论
      开阔场景下：近点和中点摩比双极化天线性能相对最优，晖速双极化天线和单极化天线性能基本相当；与单极化天线性能相比，摩比双极化天线性能有10%以上的下行流量提升；远点各种天线性能基本相当。
  
      封闭场景下：近点单极化天线间距1.5m时性能相对最优、摩比双极化天线次之、晖速双极化天线最差；与单极化天线性能相比，晖速双极化天线下行流量下降10%左右，摩比双极化天线下行流量下降5%左右；中点各种天线性能基本接近；远点单极化天线间距1.5m性能相对最优、摩比双极化天线次之、晖速双极化天线最差；与单极化天线性能相比，晖速双极化天线下行流量下降20%左右，摩比双极化天线上行流量下降20%左右。
  
      开阔场景时，单极化天线/双极化天线均可满足MIMO应用，根据工程安装需求选择天线类型即可。
  
      封闭场景时，双极化天线与单极化天线相比性能下降明显，在工程安装允许的条件下，优先采用单极化天线（天线间距1m~2m）。
  
    表2  开阔场景测试结果
  
  
  
    图5 开阔场景不同天线NTA（信道相关性）的CDF分布曲线
  
  
   表3  封闭场景测试结果

    中兴通讯一直致力于TD-LTE组网方案及网络性能研究，目前TD-LTE尚处于起步阶段，以上室内分布系统多天线模式研究成果抛砖引玉，为后续的规模实验网及商用网络室内分布系统部署提供理论基础和决策参考。

[关键词] TD-LTE