TD-LTE网络中小型化天线的应用研究

董江波，孙浩，刘玮，陈燕雷，韩云波，李楠

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

TD-LTE网络中小型化天线的应用研究

董江波，孙浩，刘玮，陈燕雷，韩云波，李楠

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

本文应用无线网络规划仿真的方法，对小型化天线在TD-LTE网络中应用的性能进行了评估。根据目前小型化天线指标恶化程度的现状，在理想蜂窝结构以及实际现网工程中，通过仿真对比，给出了小型化天线在实际TD-LTE网络中的应用建议。

小型化天线；前后比；交叉极化比；业务波束增益图

近年来随着普通民众环保意识的增强，站点建设难度与日俱增。因此小型化天线由于其体积小易安装等优点受到了业界特别是工程建设人员的高度关注；并在面对业主阻扰进行大尺寸天线建设难度较大时，更加倾向于应用体积小易隐蔽的小型化天线。目前业界已有包括雷克等厂商研发了小型化天线，其体积尺寸仅约为普通双极化8通道天线的一半左右。但是从天线理论可知，天线长度与天线增益成近似正比关系，天线宽度与成型效果成近似正比关系，背板大小与前后比等指标成近似正比关系，因此天线尺寸变小之后，不可避免地会使天线射频指标恶化。

面对小型化天线指标的恶化量，在实际现网应用这些天线时会对网络性能带来什么影响，网络性能的恶化量是否在可接受的范围内？在实际应用时，什么场景下应用这些小型化天线，其对网络性能的影响相对较小？可以应用的比例与范围是多大？以上问题都是在实际工程建设中需要给予回答的问题。因此为了更好地支撑省公司的TD-LTE建设方案落地，本课题通过系统仿真的手段，对小型化天线的应用范围、应用后对网络性能的影响进行了评估。最后结合理想蜂窝结构仿真结果以及实际现网工程仿真结果，对小型化天线的应用范围进行了建议。

1 小型化天线指标性能的变化

小型化天线与常规天线相比，尺寸体积明显减小，长度仅为常规天线的1/3，厚度约为常规天线的1/2，宽度比常规天线略厚。由于天线性能与机械尺寸密切相关，因此相应地其性能指标也出现不同程度的恶化，表1是在微波暗室选取的不同款小型化天线与常规天线的主要电气指标的对比结果。

由表1可以看出小型化天线与常规天线相比，增益恶化了2～3 dB，前后比恶化了6～11 dB，交叉极化比恶化了9～10 dB，而垂直面半功率波束宽度增大了11°。

下面我们将从理论分析和仿真研究两个角度对小型化天线应用下的性能进行研究。

表1 常规天线与小型化天线电气性能指标对比

2 小型化天线应用下的性能研究

2.1 理论分析

天线电气指标对于TD-LTE网络性能至关重要，增益值将影响网络覆盖能力，即RSRP的达标程度；前后比将影响小区的后向干扰抑制能力；交叉极化比将影响两个极化方向上信号的相干程度，从而影响到TDLTE网络中双流传送的比例；业务波束增益图波瓣宽度及零点抑制功能，将影响到TM7模式下小区间干扰抑制能力。因此，从覆盖角度考虑，增益值、前后比以及广播波束增益图的畸变将影响网络的RSRP以及RSSINR性能；从容量角度考虑，除了前述几个指标，业务波束增益图的畸变以及交叉极化比的恶化都会影响TD-LTE网络的吞吐量性能。

2.2 覆盖性能研究

为了更加客观地反映小型化天线应用后TD-LTE网络的覆盖性能变化，为此下面将主要采用站间距为500 m，站高为30 m的理想蜂窝结构进行仿真分析。在覆盖性能评估中，主要评估在应用小型化天线后，TDLTE网络RSRP以及RS-SINR的性能。首先应用常规天线摸索在这种网络结构条件下，常规天线的最佳下倾角选择。其次，对比全部应用小型化天线时最优下倾角的变化。最后，对比在网络中选择不同比例站点替换为小型化天线时网络性能的变化。

2.2.1 常规天线最优下倾角分析

小型化天线相比常规天线的垂直平面半波宽度和增益都所有变化。为了对比小型化天线应用后网络性能的变化，我们首先来分析在理想蜂窝结构下应用常规天线时，如果取得最优的网络性能，下倾角的设置情况。为此在本文研究中，仿真对比了常规天线在下倾0°，6°、10°与13°条件下RSRP与RS-SINR的性能，如图1所示。从CDF曲线分布可以看出，下倾10°时具有最优的RSRP性能，同时也具有最优的RS-SINR性能，因此后续应用小型化天线仿真对比时，将以常规天线下倾10°的性能最优比较对象。同时，通过此仿真也可以看出在常规天线垂直面波瓣较窄的条件下，当下倾角过小时会有明显的塔下黑现象，网络的RSRP性能较差。相反，当进一步增加下倾角到13°时，由于覆盖范围压缩过小，RSRP性能出现恶化。

图1 大天线RSRP与RS-SINR CDF分布图

图2 小型化天线RSRP与RS-SINR CDF分布图

2.2.2 小型化天线性能

以下仿真结果对比小型化天线在下倾角为0°、5°、11°以及13°条件下与常规天线10°相比的覆盖性能，如图2。与图1进行对比，可以看到由于小型化天线的垂直半波宽度较大，在小倾角条件下塔下黑现象不明显。同时，综合考虑RSRP与RS-SINR，对于小型化天线为了获得更好的SINR性能，需要进一步加大下倾角来控制小区覆盖范围，从而有效控制干扰。但与常规天线的覆盖性能相比，小型化天线的RSRP性能与常规天线相比差异不明显，但是在RS-SINR方面，其性能远远差于常规天线的应用。

2.2.3 小型化天线的应用研究

从上面的分析我们可以看出整网全部小型化天线应用后网络的覆盖性能，尤其是RS-SINR会进一步恶化，并且在应用时需要更大的下倾角。那么在实际现网中考虑到存在个别站点建站困难的情形，那么在应用范围上应该如何进行控制呢？为此，我们应用不同比例小型化天线应用下网络性能对比的方法来进行分析。从下面的仿真结果如图3可以看出，以满足全网95%概率SINR大于-3 dB为要求，那么小型化天线的应用比例应该控制在10%以下，才能保证网络的覆盖性能满足规划指标要求。

图3 不同小型化天线应用比例下RS-SINR CDF分布图

综上，从覆盖性能的角度考虑小型化天线在整网的应用比例不能太高，同时应用时需要更大的下倾角。

2.3 容量性能研究

前面已经分析了小型化天线各个指标恶化产生的影响。由于公共信道主要采用分集方式传送，对于覆盖性能的影响主要来自于天线增益大小、旁瓣抑制、前后比以及垂直面半波宽度等。但是对于交叉极化比以及业务波束畸变等指标的恶化，带来的更多是网络容量性能的影响。从理论上分析，交叉极化比指标恶化将使得两个天线信号相关性增强，那么当UE工作在分集模式时，将降低分集增益，从而降低传输有效性；当UE工作在复用模式时，由于天线相关性增加，从而增加了信道相关性，最终将降低双流形成的比例，这两种情形都将带来网络吞吐量的降低。另外，由于业务波束增益图的畸变，使得UE工作在波束赋型模式时，邻小区干扰抑制能力将降低，从而也降低了UE工作在TM7模式下的吞吐量。为此，本文采用了实际现网蜂窝结构仿真小型化天线应用下网络的容量性能。现网对一般城区场景137站范围进行仿真，平均站间距为440 m，平均站高为26.5 m，区域如图4所示。

图4 一般城区

仿真结果如表2所示，在网络中全部使用小型化天线与全部使用常规天线相比，并且网络负载为50%时，下行小区吞吐量下降59.3%，下行边缘吞吐量下降62.1%。

表2 小型化天线与常规天线容量性能对比

3 总结

本文采用系统仿真的手段对小型化天线的应用进行了研究。通过对覆盖性能和容量性能的对比分析，我们可以看到由于小型化天线射频指标的恶化带来了LTE网络性能的损失。同时，通过理想蜂窝结构下网络性能的仿真对比，可以看出在小型化天线应用时需要控制应用比例与下倾角的调整。因此，在小型化天线指标没有改进之前在现网中应该慎用，尽量应用在覆盖范围比较小并且下倾角较大的小区，从而有效控制由于小型化天线带来的对整网性能的影响。

[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，索士强，全海洋等. 3GPP长期演进技术（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京：人民邮电出版社，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