FDD-LTE覆盖增强技术试验研究

      FDD-LTE网络建设初期，覆盖是运营商首先要关注的问题。由于FDD-LTE的主要频段多在2GHz以上，FDD-LTE和在800MHz频段的2G/3G网络共站建设时，覆盖范围要减少50%左右。同时FDD-LTE是一个干扰受限网络，小区边缘用户的性能会因为周围小区的干扰急剧下降，具体表现为：接入速率较低和用户体验差。LTE中的多天线技术、上行IRC（干扰消除）技术和上行功控技术能有效解决FDD-LTE实际网络建设中的上述覆盖问题。

    本文通过实验室和外场测试中的性能数据对比，提出了FDD-LTE多天线技术，上行IRC技术和上行功控技术在FDD-LTE覆盖中的综合应用解决方案。

    FDD-LTE 覆盖能力主要受限于频率和干扰两个方面。目前国内外FDD-LTE系统部署频率大部分位于2GHz频段及以上。众所周知，2G以上高频段相比于1GHz低频段，在覆盖上有着非常明显的差别，尤其是针对那些直接从CDMA/GSM网络升级到FDD-LTE网络的运营商。 

    FDD-LTE是一个上行干扰受限的系统，FDD-LTE的小区覆盖半径主要受上行影响。在2GHz频段附近，FDD-LTE覆盖半径一般在400m左右，以满足小区边缘用户下行1Mbps和上行256Kbps的基本业务速率的需求。而传统CDMA网络在800MHz低频段，覆盖半径会在1km以上。

    覆盖半径的差异导致在FDD-LTE实际网络建设中，FDD-LTE网络无法和现有CDMA网络完全共站，运营商需要重新规划FDD-LTE站址，并需要寻找新的站址。在此情况下，FDD-LTE网络有可能无法做到全网覆盖。

    除了FDD-LTE高频段带来的覆盖差异外，FDD-LTE的内部干扰也是影响FDD-LTE覆盖的另一个重要因素。图1是一个FDD-LTE不规则小区的用户在干扰情况下的实际速率的对比图。

    在小区中心50m左右的区域，FDD-LTE网络的业务速率会保持在7Mbps以上，当用户行进至小区边缘时，业务速率会有一个明显的下降过程，降至1Mbps以下。可见，FDD-LTE网络中，小区间的干扰确实会影响小区边缘用户的业务性能，导致用户的实际体验很差。

    针对FDD-LTE覆盖中出现的上述问题，国内外标准组织和研究机构正在制订相应标准和技术。从目前的研究进展看，FDD-LTE多天线技术、上行IRC技术和上行功控技术是公认的在目前阶段，可用于FDD-LTE覆盖增强的实用技术。下面将重点介绍FDD-LTE多天线接收技术和上行IRC技术。

LTE多天线技术

    多天线技术通过对发射和接收信号的空域和时域上的处理，能提高系统的覆盖和容量。其中，多天线的接收分集、发射分集、下行波束赋形和空分复用（MIMO）在3G和LTE网络中得到了广泛应用。

    3GPP规范中Rel-10已规定了多种传输模式，并且支持最高8天线的码本设计。原则上，3GPP对天线数目和传输模式没有特别的搭配要求。目前LTE网络，特别是FDD-LTE网络中，运营商一般会采用2天线或4天线解决方案。主要原因是：2/4天线的设备成本，包括基站成本相对8天线的设备成本较低。运营商采用2/4天线也可以和现有的WCDMA等网络进行共天馈建设，以节省工程安装费用。

    但对于传统的CDMA运营商， CDMA网络向LTE网络过渡时，频段上存在比较大的差异，2/4天线的方案选择会带来LTE网络覆盖上的空洞。因此，8天线技术，特别是上行8天线技术是传统CDMA运营商需要重点考虑的技术。
从大量的实验室测试数据来分析，8天线上行接收技术相对于2天线上行接收技术有5～8dB的信号增益。并且，8天线的信号增益和加载的信道仿真模型有一定的关联。当加载AWGN信道模型时，8天线的信号增益相比于2天线信号增益有5dB的增益；当加载IMT-A信道模型（适用于LTE技术的一种信道模型）时，8天线信号增益相比于2天线信号增益有8dB以上的增益。

    信号仿真模型和实际外场环境存在一定的对应关系。上面提到的AWGN信道模型基本上可以对应于一般郊区场景，存在直射径，反射和折射较少。这种外场环境下，上行8天线接收相比于2天线的信号增益在5dB左右；在密集城区，会存在比较多的反射径和折射径，这种外场环境下，上行8天线接收技术会有效抵抗多径带来的衰落，相比于2天线的信号增益在8dB左右。

上行IRC技术

    上行多天线接收技术主要使用MRC（最大比合并）技术，主要用于抗衰落和抗噪声。当系统中存在较大的干扰时，对于干扰很大的分支，MRC给的权值也很大，因此，这些分支的干扰被放大，致使性能恶化。

    IRC是一种更高级的分集接收功能，相较于传统的MRC算法，IRC考虑了空间特征，抗干扰效果更加明显。图2是MRC和IRC的实验室/性能仿真的对比。

    仿真/测试条件：FDD-LTE基站配置为2天线，信道模型EPA5低相关，UE上行RB个数为6，系统带宽20MHz，信号源在相同位置上，进行干扰。

    从以上仿真结果可看出，当存在强干扰时，即使SNR不断增加，MRC也无法达到正常的10% BLER，而IRC却在一定的SNR下，可以达到正常的10% BLER。

    因此，在外部强干扰情况下，IRC技术是一个有效的抗干扰技术，能保证小区边缘用户良好的覆盖和容量。当然，IRC技术要求干扰信号相对有用信号，有一个比较强的方向性。

    从上面的技术研究可得出：FDD-LTE多天线技术、上行IRC技术上行功控技术能有效解决目前FDD-LTE上行覆盖不足的问题。

    上述技术可以综合应用，以期最大限度提高覆盖、抗干扰和提高小区边缘用户的容量。

外场试验的实际测试效果

    2012年8—11月，中兴通讯在国内某城市进行了FDD-LTE覆盖增强技术的外场试验。对FDD-LTE多天线技术、上行IRC技术和上行功控制技术对FDD-LTE上行覆盖增强进行了综合试验测试。其中，重点对比了相同条件下，上行8天线接收相比2天线接收的信号处理增益。

试验设置

    测试共使用2个基站，每个基站1个小区的配置。每个小区采用2个2发4收的RRU合并的方式，完成上行8天线接收技术、上行8天线IRC技术和上行功控技术的测试和验证。室外天线采用FDD-LTE 8阵列天线通过射频线缆和RRU相接。

    2个测试站点分别位于国内某城市的主要商业区，之间相距300m，1个站点作为主测站点，另1个站点用于加扰。

    测试线路超过1km，途经线路高楼林立。在测试线路的近端，中心站点和UE间还有直射径，在测试线路的中、远端，基站和测试UE间主要依靠绕射和反射。

2/8天线近点发射功率测试结果对比

    测试条件：2天线UE和8天线UE在相同条件下，上行灌包，并且打开上行功控功能。当在近点时，测试中2天线UE和8天线UE均能达到上行最大峰值速率，发射功率均小于最大发射功率，其发射功率撒点图如图3所示。

    在近点时（RSRP为-60dBm~-80dBm），8天线UE发射功率相比2天线发射功率低10dB左右，随着距离增加，发射功率差值在减小，但平均能维持在5~6dB。当进入中、远点时（RSRP为890dBm~-120dBm），8天线UE和2天线UE发射功率一致，均达到最大发射功率，此时8天线增益主要体现在容量变化上。

加扰时，2/8天线定点测试结果对比

    邻区UE使用相同RB块加扰，主测小区的2/8天线UE上行灌包，上行功控功能关闭，采用上行IRC功能，定点测试结果显示：在近、中点时（RSRP为-60dBm~-100dBm），8天线UE吞吐量相比2天线，有将近1倍增长；远点时（RSRP为-100dBm~-120dBm），8天线UE吞吐量相比2天线，有将近2倍增长。

加扰时，2/8天线拉远测试结果对比

    邻区UE使用相同RB块加扰，主测小区的2/8天线UE上行灌包，上行功控功能关闭，采用上行IRC功能，并限定上行256Kbps速率，其拉远测试结果显示：在近、中点（RSRP>-100dBm）时，2/8天线均能达到上行256Kbps上行限速能力，但8天线的SINR（信噪比）明显高于2天线，表明此时8天线相比2天线有接收分集的增益。在远点时（RSRP<-100dBm），2天线已不能达到256Kbps速率，8天线却可以达到。

    通过上述对FDD-LTE覆盖增强关键技术的研究和实际外场试验测试，证明FDD-LTE多天线技术、上行IRC技术和上行功控技术能够提高FDD-LTE覆盖能力、降低干扰、降低近点UE的发射功率并能大幅提高上行容量。

    但也不可否认，FDD-LTE多天线技术也会面临工程安装相对困难、设备和配套成本较高等问题，并且8天线本身的天线工艺制作水平也有待提高。同时，目前试验的FDD-LTE多天线技术主要着力解决上行覆盖问题，当上行覆盖问题得到缓解后，下行覆盖问题可能会显露出来。因此，FDD-LTE覆盖增强技术下一步将继续解决下行覆盖问题，以期做到上、下行链路完全平衡，更好地满足用户对FDD-LTE网络高速业务的需求。

[关键词] LTE