LTE网络天馈系统性能分析

1、LTE系统的性能分析2目录天线基础知识 天线溯源 电参数和辐射参数智能天线 原理与应用MIMO天线 分集、复用与赋形室外天线演进 LTE与3G、2G共天线 2、8天线性能对比 传输模式选择及天线技术应用建议 8天线覆盖增强技术室内天线演进 双极化MIMO天线的测试3传输线演变为天线 导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的照射，照射的能力与导线的长短和形状有关.如由于两导线的距离很近，两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而照射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而照射较强。当导线的长度L远小于波长时，导线的电流很小，照射很微弱.当导线

2、的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的照射。通常将上述能产生显著照射的直导线称为振子。4电磁波的传播F0(MHz)(Meters)(Inches)3010.0393.6803.75147.61601.8773.82801.0742.24600.6525.78000.3814.89600.3112.317000.186.9520000.155.905F0 偶极子 类型类型参数参数对网络质量的影响对网络质量的影响辐射参数辐射参数半功率波束宽度半功率波束宽度覆盖范围、覆盖均匀性覆盖范围、覆盖均匀性辐射参数辐射参数前后比前后比越区覆盖、干扰、切换关系混乱、掉话越区覆盖

3、、干扰、切换关系混乱、掉话辐射参数辐射参数交叉极化比交叉极化比分集接收上行信号性能分集接收上行信号性能辐射参数辐射参数增益增益覆盖覆盖辐射参数辐射参数上旁瓣抑制上旁瓣抑制同频干扰、导频污染同频干扰、导频污染辐射参数辐射参数下零点填充下零点填充近端覆盖近端覆盖辐射参数辐射参数下调角精度下调角精度覆盖、干扰覆盖、干扰辐射参数辐射参数方向图圆度方向图圆度覆盖均匀性覆盖均匀性电参数电参数驻波比驻波比覆盖、基站发射器件覆盖、基站发射器件电参数电参数隔离度隔离度上行干扰、自激上行干扰、自激电参数电参数交调交调上行干扰、通话质量，掉话上行干扰、通话质量，掉话6天线的主要指标7dB的相关概念“dBd” Sig

4、nal strength relative to a dipole in empty space“dBi”“dB” Signal strength relative to an isotropic radiator Difference between two signal strengths“dBm” Absolute signal strength relative to 1 milliwatt1 mWatt1 Watt20 Watts= 0 dBm= 30 dBm= 43 dBmNote: TheLogarithmic Scale10 * log10 (Power Ratio)“dBc”

5、 Signal strength relative to a signal of knownstrength, in this case: the carrier signalExample: -100 dBc = 100 dB below carrier signalIf carrier is 100 Watt = 50 dBm-100 dBc = -50 dBm or 0.00001 mWattdBi和dBd，3D天线演示ApertureVerticalHorizontalofDipolesPatternPatternSingleDipole4DipolesVerticallyStacke

6、dby half.8增益Stacking 4 dipolesvertically in line changesthe pattern shape(squashes the doughnut)and increases the gainover single dipole.The peak of thehorizontal or verticalpattern measures thegain.The little lobes,illustrated in the lowersection, are secondaryminor lobes.GENERAL STACKING RULE:Coll

7、inear elements (in-line vertically).Optimum spacing (for non-electrical tilt) is approximately 0.9.Doubling the number of elements increases gain by 3 dB, and reducesvertical beamwidth9方向图及圆度 方向（性）图是表示天线方向性的特性曲线，即天线在各个方向上所具有的发射或接收电磁波能力的图形。 天线实际工作在三度几何空间中，其方向图应该是立体图，因此又由于所取的截面不同而有不同的方向性图。最常用的是水平面内的方向

8、图（即和大地平行的平面内的方向图）和垂直面内的方向图（即垂直于大地的平面内的方向图）。有的专业书籍上也称赤道面方向图或子午面方向图。 方向图圆度（antenna pattern roundness）是反映全向天线的覆盖均匀性指标。全向天线的方向图圆度是指在水平面方向图中，其最大值或最小值电平值与平均值的偏差，平均值是指水平面方向图中最大间隔不超过5方位上电平（dB）值的算术平均值。10半功率波束宽度和前后比半功率波束宽度前后比1/2 PowerBeamwidthF/B Ratio 180 degrees0 dB - 25 dB = 25 dBReceived Level (dBm)1100.1

9、0.20.30.40.50.60.70.80.91-20-40-60-80-100Distance (km)下零点填充和上旁瓣抑制Null Filled to 16 dB Below Peak0Transmit Power = 1 WBase Station Antenna Height = 40 mBase Station Antenna Gain = 16 dBdElevation Beamwidth = 6.512下倾角13-35交叉极化比 交叉极化比是在希望的波束范围内（轴向，60），双极化天线同极化与正交极化的图形性能的比较。 一般取值轴向15，60以内101200-5-10-15-

10、20-25-30TYPICAL-40Co-PolarizationCross-Polarization(Source 90)14目录天线基础知识 天线溯源 电参数和辐射参数智能天线 原理与应用MIMO天线 分集、复用与赋形室外天线演进 LTE与3G、2G共天线 2、8天线性能对比 传输模式选择及天线技术应用建议 8天线覆盖增强技术室内天线演进 双极化MIMO天线的测试15智能天线的基本思想 天线以多个高增益窄带波束动态地跟踪多个期望用户； 接收模式下，来自窄带波束以外地信号被抑制； 发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄带波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小；1617空分多

11、址的概念与传统的频分多址（FDMA）、十分多址（TDMA）和码分多址不同，智能天线引入空分多址（SDMA），利用用户空间位置的不同来区分不同用户；在相同时隙，相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的传播路径来区分；18空分多址的概念SDMA是一种信道增容方式，与其他多址方式完全兼容，从而可实现组合的多址方式，例如空时码分多址（SD-CDMA）；智能天线与传统天线在概念上的区别，智能天线理论支撑是信号统计检测与估计理论，信号处理及最优控制理论，其技术基础是自适应天线和高分辨阵列信号处理。19智能天线和自适应天线的不同 智能天线以自适应天线为基础的新一代天线系统，其目标是通过抑制干扰和

12、对抗衰落来增加系统容量，进而提高频谱利用率，不仅涉及智能接收，还包括智能发射； 智能天线与自适应天线有着本质的区别，后者只能对功率方向图进行调整，而前者还可以独立的对信道方向图进行调整。智能天线的最大魅力在于，它可以利用信号方向的不同，将不同信号分开，从而对传统信道空分复用，增加系统容量。20智能天线的形式根据工作方式的不同：欲多波束或切换波束系统；自适应阵列系统；根据波束形成的不同：阵元空间处理方式；波束空间处理方式；21切换波束系统22自适应阵列系统23阵元空间处理方式阵元空间处理方式直接对各阵元按接收信号采样进行加权求和处理后，形成阵列输出，使阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向。由于各种

13、阵元均参与自适应加权调整，这种方式属于全自适应阵列处理。24波束空间处理方式 包含两级处理过程，第一级对各阵元信号进行固定加权求和，形成多个指向不同方向的波束； 第二级对第一级的波束输出进行自适应加权调整后合成得到阵列输出，此方案不是对全部阵元是从整天计算最优的加权系数作自适应处理，而是仅对其中的部分阵元作自适应处理，因此，属于部分自适应阵列处理； 计算量小，收敛快，且具有良好的波束保形性能，是当前自适应阵列处理技术的发展方向。25智能天线的结构典型阵列；结构原理；系统组成。26典型阵列均匀线阵；随机分步线阵；十字阵；圆阵；面阵，等。27结构原理图28智能天线的系统组成 天线阵列： 天线阵元数

14、量与天线阵元的配置方式，对智能天线的性能有着重要的影响； 模数转换： 接收链路：模拟信号 数字信号 发射链路：数字信号 模拟信号 智能处理： 天线波束在一定范围内能根据用户的需要和天线传播环境的变化而自适应地进行调整，包括： 以数字信号处理器和自适应算法为核心的自适应数字信号处理器，用来产生自适应的最优权值系数： 以动态自适应加权网络构成自适应波束形成网络29智能天线的赋形波束形成技术：使阵列天线方向图的主瓣指向所需的方向，提高阵列输出所需信号的强度；零点技术：使阵列天线方向图的零点对准干扰方向，减少干扰信号的强度；空间谱估计技术：处理带宽内信号的到达方向DOA（Direction ofArr

15、ival）的问题；3031目录天线基础知识 天线溯源 电参数和辐射参数智能天线 原理与应用MIMO天线 分集、复用与赋形室外天线演进 LTE与3G、2G共天线 2、8天线性能对比 传输模式选择及天线技术应用建议 8天线覆盖增强技术室内天线演进 双极化MIMO天线的测试32LTE系统多天线技术 MIMO（Multiple Input Multiple Output） 不相关的各个天线上分别发送多个数据流； 利用多径衰落，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，提高信道容量及频谱利用率，下行数据的传输质量。33LTE系统多天线技术应用传输分集多天线技术波束赋形空间复用34复杂和动态的无线信道 快衰落和

16、慢衰落；大尺度衰落与小尺度衰落 平坦衰落与频率选择性衰落传输分集技术35SCTD（空间码分集）下行用户数据的功率分配STTD(空时发送分集)发射分集天线P-CCPCH的分集发送。这种方式占用了码道的资源，只能对少数重要的码常用发射分集天线TSTD(时间开关的发射分集)所有用户都由相同的天线发送，且一起在不同的天线间切换可以用一个简单的线性变换实现分集信号的分离和最大似然检测。道使用根据实际信道条件确定各天线信号的加权系数，实现分集发送。CLTxDSub-carrier36传输分集： TSTD TSTD (Time Switched Transmit Diversity) 在任意时刻只有一个天线

17、被激活 一个数据流在多根天线中进行选择发送Antenna 1TSTDtimeAntenna 2LTE系统上行天线选择技术可以看作是TSTD的一个特例Sub-carrier37传输分集： FSTD FSTD (Frequency Switched Transmit Diversity) 在任意频点只有一个天线被激活 一个数据流在多根天线中进行选择发送Antenna 1FSTDtimeAntenna 2LTE系统并没有直接采用FSTD技术，而是与其他传输分集技术结合起来使用38频域f40S40S3 *f2S20S1 *0f30S30 S4 *f1S10 S2 *0SFBC+FSTDTX1TX2TX

18、3TX4LTE支持SFBC与FSTD结合的传输分集方式传输分集 SFBC ( Space Frequency Block Code)39MIMO应用方式：波束赋形与Pre-coding 接收波束赋形 MRC 接收分集 适用于任何天线间距 Null Steering Beamformer 抑制强干扰线间距 适用于小天 发送波束赋形 MRT 发送分集（TxAA？） 适用于任何天线间距 Null Steering Beamformer 抑制强干扰 适用于小天线间距40波束赋形Wanted UE传统波束赋形Interfering UE 小间距的天线阵列，使用较多天线单元 提高峰值速率，小区覆盖，降低小

19、区间干扰41波束赋形基于预编码的波束赋形 大间距的天线阵列，或者极化天线阵列 通过码本选择和反馈，即终端通过进行下行方向的信道估计，从已知的码本中选择下一次传输的赋形权值，并反馈给基站。42波束赋形当接收端也存在多根天线时，接收端也可以利用多根天线降低用户间干扰，其主要的原理是通过对接收信号进行加权，抑制强干扰，称为IRC（Interference Rejection Combining）下行上行43MIMO应用方式：空间复用 天线配置MxN，NM 在发送端的不同天线天线上发送不同的数据流，接收端通过N根天线接收到的向量为：y Hxw 其中x为发送的符号向量，Mx1 y为接收到的符号向量，Nx

20、1 H为空间信道矩阵，NxM W为噪声向量，Nx144MIMO技术与多用户分集 多用户分集 当存在大量用户时，每一个用户经历的信道都是独立衰落的用户所经历的信道是强壮的。从系统的角度来看，如果被调度的用户所经历的信道越强壮，那么系统获得多用户分集增益越多 MU-MIMO扩大了可调度的资源集合 Virtual MIMO使得用户可以，在某一个时刻和频率上，总是能够找到一个选择与其他用户相同的时频资源 下行MU-MIMO，增加了一个可调度的维度，用户不仅可以在时域和频域上进行调度，同时还可以在空域（波束域）进行调度45MIMO技术与多用户分集46空间复用 多码字传输 多码字传输即复用到多根天线上的数

21、据流可以独立进行信道编码和调制 单码字传输是一个数据流进行信道编码和调制之后再复用到多根天线上 LTE支持最大的码字数目为2单码字多码字47空间复用 预编码技术 基于预编码的空间复用是将多个数据流在发送之前使用一个预编码矩阵进行线性加权 NL=NT ，预编码可以用来对多个并行传输进行正交化，从而增加在接收端的信号隔离度。 NLNT ，预编码还提供将NL个空间复用信号映射到NT个传输天线上的作用，通过提供空间复用和波束赋形带来增益。48空间复用 MU-MIMO 基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同用户 下行同时支持SU-MIMO和MU-MIMOSU-MIMO(SDM)MU-MIMO(SD

22、MA)49空间复用 MU-MIMO LTE上行不支持SU-MIMO 上行只支持虚拟MIMO，即每一个终端均发送一个数据流，但是两个或者更多的数据流占用相同的时频资源，这样从基站接收机来看，这些来自不同终端的数据流，可以被看作来自同一个终端上不同天线的数据流，从而构成一个MIMO系统SU-MIMOMU-MIMO50LTE时的天线配置 下行 1x2 (接收分集) 2x2 (发射分集, 空分复用) 4x2, 4x4 (发射分集, 空分复用) 8x2, 8x4. (波束赋型) 上行 1x2, 1x4, 1x8 (接收分集)BSMS51Code wordsLayerMapperLayersPre-cod

23、ingAntenna PortsAntenna PortMapperAntennasabcd主要在下行方向，上行方向虽然支持MU-MIMO，但是每一个UE来看，其与单天线传输没有区别层（Layer）有不同的解释在使用单天线传输、传输分集以及波束赋形时，层数目等于天线端口数目；在使用空间复用传输时，层数目等于空间信道的Rank数目，即实际传输的流数目LTE系统多天线技术处理流程MIMO方式码字 层映射预编码天线端口映射天线端口单端口/非赋形单码字透传透传透传/扇区赋形AP0单端口/赋形单码字透传透传动态赋形AP5空间复用单码字双码字串并变换CDD/动态预编码透传/扇区赋形AP03传输分集单码字串

24、并变换SFBC透传/扇区赋形AP03公共导频N/AN/AN/A透传/扇区赋形AP03专用导频N/AN/AN/A动态形赋AP552不同MIMO方式的比较传输模式是不同MIMO方式的组合，每种传输模式中都有传输分集/或单端口AP0，便于模式切换以及在出现突发情况时可以快速的回退到传输分集/或单端口AP0 MIMO方式用户业务量信道相关性移动速度其他TM2（传输分集）低未知/低未知/高TM3（开环SM高低未知/高TM4（闭环SM高低低TM5（MU-MIMO）低/高低低系统负载较重时TM7（AP5：BF）低高低/高TM1（AP0）N/AN/AN/A天线端口失效室内SDMA？53传输模式的选择 主要考虑

25、因素 需要动态调度的业务类型 业务量 时延要求反馈 信道相关性 移动速度反馈 TDD/FDD 其他限制因素 资源分配资源的限制 反馈资源的限制 SRS资源的限制UE能力FDD/TDD用户数目SRS资源UEport0不支持/支持FDD/TDD多不足闭环支持FDD/TDD少充足开环*支持TDD多充足54上行传输类型的选择 主要考虑因素 UE能力 FDD/TDD 用户数目限制 SRS资源的限制 建议天线技术类型协议具体模式技术描述引入分析分集同一信息的多个信号副本分别通过多个衰落特性相互独立的信道进行发送主要用于下行控制信道，建议规模试验第一阶段要求合并多根天线上接收到的同一信号的副本，获得分集增益

26、主要用于上行数据/控制信道，建议规模试验第一阶段要求，并结合不同场景比较MRC和IRC的性能空间复用没有终端反馈信息，发射端根据预定义的信道信息来确定发射信号，使其适合当前的信道密集城区的高速场景下使用开环空间复用，建议规模试验第一阶段要求需要终端反馈信息，发射端采用相应信息进行信号预处理以对抗信道衰落室内场景建议使用波束赋形发射端利用上行信号来估计下行信道的特征，在下行信号发送时，每根天线上乘以相应的特征权值，使其天线阵发射信号具有波束赋形效果室外场景应用结合复用和智能天线技术，进行多路波束赋形发送，既提高用户信号强度，又提高用户的峰值和均值速率55TD-LTE多天线技术56目录天线基础知识

27、 天线溯源 电参数和辐射参数智能天线 原理与应用MIMO天线 分集、复用与赋形室外天线演进 LTE与3G、2G共天线 2、8天线性能对比 传输模式选择及天线技术应用建议 8天线覆盖增强技术室内天线演进 双极化MIMO天线的测试57TDD频段现状以及频段现状以及TD-LTE可能应用的频段可能应用的频段2010-2025A频段PHS18501880EV-DO3G FDD扩展下行18801900 19001920F频段192019802400-2483.5C频段2200-2300WLAN、蓝牙2320-2370空间研究（空对地）2300A频段（2010-2025MHz）:带宽15MHz， 2009年

28、1月，工信部分配给移动部署TD-SCDMA网络F频段（1880-1920MHz）:带宽40MHz， 2009年1月，工信部将前20MHz分配给移动部署TD-SCDMA网络2400D频段（2570-2620MHz）:带宽50MHz， 尚未正式分配，将在TD-LTE规模试验中使用E频段（2300-2400MHz），2009年11月，工信部将2320-2370MHz作为TD-SCDMA室内覆盖使用军用雷达FAFADDFAFADFADFAFAFADD58TD-L室外天线室外天线(D频段）的三种演进方案频段）的三种演进方案(1/2)1单独新建TD-L天线TD-STD-L对天面空间需无单独安装D频段天线条

29、件，F和D需共用天线集束、BMA或N头Or引入D频段2替换共用TD-S天线合路器TD-S和TD-L难以各自调整下倾角，抱杆要求高，安装复杂，但对天面整体空间需求低天线RRU*现有TD天线中较大比例为FA频段天线求大F+D站点，有单独安装D频段天面条件*合路器可内置在RRU或天线中59TD-L室外天线室外天线(D频段）的三种演进方案频段）的三种演进方案(2/2)3替换共用DCS1800天线 海外FDD LTE网络也有应用DCS和LTE共用天线的做法（香港等），但要求DCS天线是宽频凯瑟琳和京信等已有供货经验） 1710MHz 2200MHz 2200MHz 2690MHz 经初步了解，目前移动集

30、采的DCS天线支持的频段仅为17101850，还不支持与TD-L的共用； 如果要共用，需要替换DCS1800天线有站址有天面TD-L室外天线室外天线(D频段）的三种演进方案的比较频段）的三种演进方案的比较TD-LTE如何与现有GSM和TD-SCDMA共站址单独新建TD-L天线便于网络优化便于网络维护 替换共用TD-S天线 操作简单，外观简化60有站址无天面替换共用DCS1800天线操作简单，外观简化与TD-SCDMA共天面与GSM共天面FAFAFA DFAD61TD-L和和TD-S共用天线时合路器的三种放置方案共用天线时合路器的三种放置方案 TD-L和TD-S共用天线有三种合路方案 方案1:合

31、路器在天线内：TD-L和TD-S分别引馈线至天线，RRU设备间故障耦合度小，维护方便（目前业界倾向方案） 方案2:合路器在TD-S或TD-L的RRU内：RRU内置合路器方式下，天线简洁（右图示意了TD-L的RRU内置合路器方案） 方案3:合路器和TD-L的RRU都在天线内：下倾角可单独调整，天面简洁，但天线本身尺寸较大LTE BBUTDS BBULTE AASTDSRRU有源天线部分: 与TD-LTE RRU集成，支持2.6G (Band 38 )无源天线部分: 支持TD-SCDMA2.1G&1.9G (Band 34 & Band 39)光纤+DC电缆光纤馈线方案1方案2方案3628天线性能优势632、8天线平均频谱效率对比642、8天线应用建议65增强型多天线技术设计 多天线系统设计方案 阵列的单元波束达到65度广播波束要求 设计原则 重点优化LTE在D频段65度应用要求，但不应影响TD-S在FA的性能 尽量降低对于TD-SCDMA网络应用的影响 针对场景 同时支持F、A、D频段的宽带天线 TD-LTE与TD-SCDMA具有共用天线能力方案特点 超宽带天线设计，且灵活兼顾多系统不同性能需求 可以灵活支持