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【摘要】随着4G牌照的发放，三家运营商都得到了TD-LTE牌照，在网络建设中，到底是选择2天线来建设还是选择8天线，运营商需要根据各自对4G网络制式期许及建设计划来进行抉择。本文对2/8天线从技术性能、建网成本和施工难度三个维度来做对比分析，希望对运营商的天线选择有所借鉴。
【关键词】4G；TD-LTE；2/8天线；MIMO
2/8 antenna performance comparison
Lu Zheng-wei
（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）
【Abstract】With 4 g licences issued， three carriers have been the td-scdma LTE licences， in the construction of the network， whether to build or 2 antenna selection eight antenna， operators need to 4 g network system according to their respective expectations and construction plans to make choices. This paper makes a comparative analysis of the technical performance， construction cost and construction difficulty of 2/8 antenna， and hopes to learn from the antenna selection of operators.
【Key words】4G；The td-scdma LTE；2/8 antenna；MIMO
1. 背景
（1）随着2013年12月，工业和信息化部向三家電信运营商发放了第四代移动通信TD-LTE牌照，标志着我国4G时代的到来。
（2）多天线技术（MIMO）是TD-LTE系统的关键技术之一，是实现移动通信系统高容量、高频谱效率的重要手段。通过与OFDM、波束赋形等技术结合应用，可以显著提升空间分集的效果、改善小区边界区域的信道条件、很好的实现空、时、频多维信号的联合处理和调度，大幅度提升系统的灵活性和传输效率。
（3）TD-LTE系统继承了TDD的固有特点和优势，能够很好的满足非对称移动互联网业务应用的需求。TD-LTE牌照的发放，我国三大电信运营商也开始部署TD-LTE网络。铁塔公司的成立，租金问题也成为摆在各大运营商面前需要考虑的现实问题之一，到底是选择TD-LTE网络的2通道天线还是选择8通道天线，相信每个运营商都有自己的盘算。因此，本文对2通道天线和8通道天线从性能对比、建设成本和施工难度3个维度来做分析，为TD-LTE的天线选择、实际部署和后续发展提供依据。
2. 多天线技术（MIMO）
（1）MIMO（Multiple Input Multiple Output）：在发射机和接收机处设置两根或多根天线进行数据的发送和接收的技术。多天线技术是一种统称，根据实现方式的不同可以分为传输分集、空间复用、波束赋形和空分多址。
（2）四种技术对应空间信道的要求不同，在低信噪比场景，传输分集和波束赋形可以有效提高信噪比，从而提高容量和覆盖范围；在高信噪比场景，空间复用可以提高传输速率。
（3）从LTE的发展过程来看，最基本的LTE MIMO形式采用了两端口的2x2的形式。因此，多天线技术在TD-LTE系统中的发展及应用对于TD-LTE的发展发挥着非常重要的作用。最优的MIMO算法对于不同的天线属配置来说存在一定的差异（TD-LTE多天线技术支持能力见表1）。
（4）在TD-LTE系统中，常见传输方式主要包括TM2、TM3、TM4、TM7及TM8，其中2天线主要采用的传输模式包括TM2、TM3和TM4；8天线除了支持2天线的传输模式之外，还支持TM7和TM8。表1给出了2天线和8天线的上下行对天线模式的支持能力。从表1来看，在上行都是采用MIMO的分集模式，下行由于采用了模式间的自适应技术，当信道条件较好时会采用双流技术，而当信道条件较差时，则采用了单流技术。
3. 2/8天线性能对比
3.12/8天线下行信道性能对比。
（1）表2给出了2/8天线SU-MIMO的系统性能对比数据，基于3GPP Casel-3D场景进行仿真，2天线采用TM4模式，8天线采用TM8模式，均支持单双流自适应（2/8天线SU-MIMO性能对比（单位：bps/Hz）见表2）。
（2）从表2中的数据来看，8天线相对于2天线来说，平均频谱效率的增益达到了19%，边缘频谱效率的增益达到了22%。8天线的性能增益主要是由于其本身的空间自由度更高，能够形成更窄、指向性更强的波束，使有用信号提高，干扰也大幅度降低。同时2天线通过终端反馈码本的方式存在码本量化损失，而8天线通过信道互易性得到的信道进行矩阵分解，可以得到更加准确的预编码向量。
（3）由于8天线相对于2天线来说具有更大的空间自由度，因此8天线能够对MU-MIMO进行更好的支持。表3给出了8天线的SU-MIMO和MU-MIMO的性能对比，其中SU-MIMO采用了单双流自适应技术，MU-MIMI则采用了2用户配对的单流技术。从表中的数据能够看出，MU-MIMO相对于SU-MIMO的平均频谱效率和边缘频谱效率均有15%左右的提升。8天线MU-MIMO模式下，用户配对准则以及用户之间的干扰消除的预编码算法会在较大程度上影响传输性能（8天线下行SU-MIMO与MU-MIMO性能对比（单位：bps/Hz）见表3）。 3.22/8天線上行信道性能对比。
（1）从上行链路的性能来看，8天线相对于2天线具有更大的接收分集增益。同时，8天线的空间自由度优势方便基站通过更具有优势的接收算法来提升处理增益。表4给出了2/8天线系统上行仿真性能对比，仿真基于理想的信道估计（2/8天线系统上行性能对比（单位：bps/Hz）见表4）。
（2）接收端通过采用8天线和基于MMSE的干扰消除接收算法，8天线在平均频谱效率以及边缘频谱效率具有50%以上的增益效果，尤其是边缘频谱效率的增益接近80%左右。
（3）因为8天线具有很好的干扰消除性能，因此8天线的基站上行引入MU-MIMO技术能够进一步替身系统性能增益。
4. 建网成本
（1）TD-LTE基站的2天线和8天线站址的配套建设成本是一样的，铁塔的租金方面也没有区别，建设的主要成本区别是天线及设备价格及施工费用的差异。
（2）主设备价格：8端口设备单价比2端口设备单价价格略高，但由于8端口设备集采量大，目前两种设备价格相仿，我们认为两者价格相同。
（3）天线价格：8天线单价是2天线单价的4倍，但由于天线价格占比较小，对总价格影响不太大。
（4）施工费用：8天线施工费用比2天线多20%左右。
（5）综合目前各大无线和天线设备厂商的价格，8天线的建网总成本约为2天线成本的1.15倍。
（6）表5给出了城区环境下10Km2覆盖范围内2天线和8天线无线网络建设成本计算过程。由结果可以看出，在相同的边缘速率要求下，由于8天线的覆盖半径较大，虽然单站建设成本8天线较高，但总体建网成本低于2天线，可节约成本47%（2天线和8天线网络建设对比见表5）。
5. 施工难度对比
（1）2天线和8天线的主要参数如表6所示。
（2）通过对比可以得出，8天线的RRU及天线尺寸均较大，设备重量较重，对天面要求较高，与2天线相比增加了施工和维护的工作量。
6. 结语
TDD-LTE继承了TDD的优势和特点，具有较高的灵活性和性能。通过分析可以看出，8天线在容量和覆盖性能方面有一定优势，在同等站距情况下可以提升网络容量；而在同等边缘用户速率要求下，采用8天线可以减少站址建设需求，从而节省网络建设投资。虽然8天线施工难度大于2天线，但参考网络建设经验，大部分站址具备8天线安装条件，建议在城区、郊区以及农村等需要连续覆盖的区域采用8天线。2天线产品对于天面要求低，馈线少，易于安装，因此主要在部分实施受限的场景使用，例如天面受限站点、物业和居民对大面板天线反感较大难以实施的炸点、街道站、高速公路站点、补盲站点等。
参考文献
[1]毕奇.LTE多天线技术发展趋势[J].电信科学，2014（10）：1～7.
[2]黄岳.兰来喜.8通道TD-LTE系统优势分析[J].电信技术，2011（7）.
[3]戴源等.TD-LTE无线网络规划与设计.人民邮电出版社[A]. 2012.4.
[4]符新.TD-LTE网络2/8天线性能对比研究[J].中国新电信，2015（01）：56～58.
【关键词】4G；TD-LTE；2/8天线；MIMO
2/8 antenna performance comparison
Lu Zheng-wei
（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）
【Abstract】With 4 g licences issued， three carriers have been the td-scdma LTE licences， in the construction of the network， whether to build or 2 antenna selection eight antenna， operators need to 4 g network system according to their respective expectations and construction plans to make choices. This paper makes a comparative analysis of the technical performance， construction cost and construction difficulty of 2/8 antenna， and hopes to learn from the antenna selection of operators.
【Key words】4G；The td-scdma LTE；2/8 antenna；MIMO
1. 背景
（1）随着2013年12月，工业和信息化部向三家電信运营商发放了第四代移动通信TD-LTE牌照，标志着我国4G时代的到来。
（2）多天线技术（MIMO）是TD-LTE系统的关键技术之一，是实现移动通信系统高容量、高频谱效率的重要手段。通过与OFDM、波束赋形等技术结合应用，可以显著提升空间分集的效果、改善小区边界区域的信道条件、很好的实现空、时、频多维信号的联合处理和调度，大幅度提升系统的灵活性和传输效率。
（3）TD-LTE系统继承了TDD的固有特点和优势，能够很好的满足非对称移动互联网业务应用的需求。TD-LTE牌照的发放，我国三大电信运营商也开始部署TD-LTE网络。铁塔公司的成立，租金问题也成为摆在各大运营商面前需要考虑的现实问题之一，到底是选择TD-LTE网络的2通道天线还是选择8通道天线，相信每个运营商都有自己的盘算。因此，本文对2通道天线和8通道天线从性能对比、建设成本和施工难度3个维度来做分析，为TD-LTE的天线选择、实际部署和后续发展提供依据。
2. 多天线技术（MIMO）
（1）MIMO（Multiple Input Multiple Output）：在发射机和接收机处设置两根或多根天线进行数据的发送和接收的技术。多天线技术是一种统称，根据实现方式的不同可以分为传输分集、空间复用、波束赋形和空分多址。
（2）四种技术对应空间信道的要求不同，在低信噪比场景，传输分集和波束赋形可以有效提高信噪比，从而提高容量和覆盖范围；在高信噪比场景，空间复用可以提高传输速率。
（3）从LTE的发展过程来看，最基本的LTE MIMO形式采用了两端口的2x2的形式。因此，多天线技术在TD-LTE系统中的发展及应用对于TD-LTE的发展发挥着非常重要的作用。最优的MIMO算法对于不同的天线属配置来说存在一定的差异（TD-LTE多天线技术支持能力见表1）。
（4）在TD-LTE系统中，常见传输方式主要包括TM2、TM3、TM4、TM7及TM8，其中2天线主要采用的传输模式包括TM2、TM3和TM4；8天线除了支持2天线的传输模式之外，还支持TM7和TM8。表1给出了2天线和8天线的上下行对天线模式的支持能力。从表1来看，在上行都是采用MIMO的分集模式，下行由于采用了模式间的自适应技术，当信道条件较好时会采用双流技术，而当信道条件较差时，则采用了单流技术。
3. 2/8天线性能对比
3.12/8天线下行信道性能对比。
（1）表2给出了2/8天线SU-MIMO的系统性能对比数据，基于3GPP Casel-3D场景进行仿真，2天线采用TM4模式，8天线采用TM8模式，均支持单双流自适应（2/8天线SU-MIMO性能对比（单位：bps/Hz）见表2）。
（2）从表2中的数据来看，8天线相对于2天线来说，平均频谱效率的增益达到了19%，边缘频谱效率的增益达到了22%。8天线的性能增益主要是由于其本身的空间自由度更高，能够形成更窄、指向性更强的波束，使有用信号提高，干扰也大幅度降低。同时2天线通过终端反馈码本的方式存在码本量化损失，而8天线通过信道互易性得到的信道进行矩阵分解，可以得到更加准确的预编码向量。
（3）由于8天线相对于2天线来说具有更大的空间自由度，因此8天线能够对MU-MIMO进行更好的支持。表3给出了8天线的SU-MIMO和MU-MIMO的性能对比，其中SU-MIMO采用了单双流自适应技术，MU-MIMI则采用了2用户配对的单流技术。从表中的数据能够看出，MU-MIMO相对于SU-MIMO的平均频谱效率和边缘频谱效率均有15%左右的提升。8天线MU-MIMO模式下，用户配对准则以及用户之间的干扰消除的预编码算法会在较大程度上影响传输性能（8天线下行SU-MIMO与MU-MIMO性能对比（单位：bps/Hz）见表3）。 3.22/8天線上行信道性能对比。
（1）从上行链路的性能来看，8天线相对于2天线具有更大的接收分集增益。同时，8天线的空间自由度优势方便基站通过更具有优势的接收算法来提升处理增益。表4给出了2/8天线系统上行仿真性能对比，仿真基于理想的信道估计（2/8天线系统上行性能对比（单位：bps/Hz）见表4）。
（2）接收端通过采用8天线和基于MMSE的干扰消除接收算法，8天线在平均频谱效率以及边缘频谱效率具有50%以上的增益效果，尤其是边缘频谱效率的增益接近80%左右。
（3）因为8天线具有很好的干扰消除性能，因此8天线的基站上行引入MU-MIMO技术能够进一步替身系统性能增益。
4. 建网成本
（1）TD-LTE基站的2天线和8天线站址的配套建设成本是一样的，铁塔的租金方面也没有区别，建设的主要成本区别是天线及设备价格及施工费用的差异。
（2）主设备价格：8端口设备单价比2端口设备单价价格略高，但由于8端口设备集采量大，目前两种设备价格相仿，我们认为两者价格相同。
（3）天线价格：8天线单价是2天线单价的4倍，但由于天线价格占比较小，对总价格影响不太大。
（4）施工费用：8天线施工费用比2天线多20%左右。
（5）综合目前各大无线和天线设备厂商的价格，8天线的建网总成本约为2天线成本的1.15倍。
（6）表5给出了城区环境下10Km2覆盖范围内2天线和8天线无线网络建设成本计算过程。由结果可以看出，在相同的边缘速率要求下，由于8天线的覆盖半径较大，虽然单站建设成本8天线较高，但总体建网成本低于2天线，可节约成本47%（2天线和8天线网络建设对比见表5）。
5. 施工难度对比
（1）2天线和8天线的主要参数如表6所示。
（2）通过对比可以得出，8天线的RRU及天线尺寸均较大，设备重量较重，对天面要求较高，与2天线相比增加了施工和维护的工作量。
6. 结语
TDD-LTE继承了TDD的优势和特点，具有较高的灵活性和性能。通过分析可以看出，8天线在容量和覆盖性能方面有一定优势，在同等站距情况下可以提升网络容量；而在同等边缘用户速率要求下，采用8天线可以减少站址建设需求，从而节省网络建设投资。虽然8天线施工难度大于2天线，但参考网络建设经验，大部分站址具备8天线安装条件，建议在城区、郊区以及农村等需要连续覆盖的区域采用8天线。2天线产品对于天面要求低，馈线少，易于安装，因此主要在部分实施受限的场景使用，例如天面受限站点、物业和居民对大面板天线反感较大难以实施的炸点、街道站、高速公路站点、补盲站点等。
参考文献
[1]毕奇.LTE多天线技术发展趋势[J].电信科学，2014（10）：1～7.
[2]黄岳.兰来喜.8通道TD-LTE系统优势分析[J].电信技术，2011（7）.
[3]戴源等.TD-LTE无线网络规划与设计.人民邮电出版社[A]. 2012.4.
[4]符新.TD-LTE网络2/8天线性能对比研究[J].中国新电信，2015（01）：56～58.