張 勇,姜大潔,劉光毅
(中國移動(dòng)通信有限公司研究院 北京 100032)
在全球3G及增強(qiáng)型3G網(wǎng)絡(luò)商用化進(jìn)程穩(wěn)步推進(jìn)的同時(shí),為滿足移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對傳輸速率的要求,2004年,3GPP組織提出了以O(shè)FDM/SC-FDMA為核心技術(shù),支持20 MHz系統(tǒng)帶寬的、具有高性能的3GPP演進(jìn)系統(tǒng),命名為LTE(長期演進(jìn))。2007年10月,中國移動(dòng)聯(lián)合主流的國內(nèi)外設(shè)備商、運(yùn)營商以及研究機(jī)構(gòu),在3GPP RAN1第51次小組會(huì)提議并通過了統(tǒng)一的TDD制式的幀結(jié)構(gòu),完成了2個(gè)TDD制式的融合,并將融合后的LTE TDD正式命名為TD-LTE。
TD-LTE采用了多入多出天線(MIMO)關(guān)鍵技術(shù),基站(evolved Node B,eNB)支持2/4/8根發(fā)送天線,移動(dòng)臺(tái)端支持2根接收天線。對于下行鏈路多天線的使用方法可以分為兩大類,一類是基于碼本的預(yù)編碼(precoded MIMO)傳輸方式,另一類是波束賦形(beamforming)的傳輸方式,這兩種傳輸方式都各有優(yōu)點(diǎn)。TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的流自適應(yīng)的預(yù)編碼傳輸屬于閉環(huán)MIMO的范疇,它通過增加移動(dòng)臺(tái)信令反饋,使得發(fā)送數(shù)據(jù)的eNB知道更多有關(guān)信道特性的信息,通過預(yù)編碼對發(fā)送信號(hào)進(jìn)行加權(quán),從而更加有效地利用空時(shí)信道的特性達(dá)到空間復(fù)用或者分集的效果。波束賦形的方式是利用發(fā)送天線之間的距離較近相關(guān)性強(qiáng)的特點(diǎn),通過對發(fā)送信號(hào)進(jìn)行加權(quán)使得天線向外輻射的能量集中到某一個(gè)特定的方向,在增強(qiáng)移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)能量的同時(shí),減弱對其他方向的干擾。實(shí)現(xiàn)波束賦形一般要求4或8根發(fā)送天線,這樣才能形成較好的波束賦形效果。要形成賦形波束,還需要準(zhǔn)確地知道空時(shí)信道矩陣,這對于FDD系統(tǒng)來說是比較困難的,但是由于TDD系統(tǒng)存在上下行信道的互易性能夠獲得這一信息,成為TDD系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。從本文的評估結(jié)果中可以看到,8天線發(fā)送的波束賦形方案比2天線或者4天線發(fā)送的預(yù)編碼技術(shù)在性能上有明顯的增益。
在3GPP的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展進(jìn)程中,F(xiàn)DD和TDD兩種制式是協(xié)調(diào)同步發(fā)展的,在波束賦形和多基站協(xié)作等特定的技術(shù)點(diǎn)上,TDD系統(tǒng)比FDD系統(tǒng)更有前途。本文的重點(diǎn)就是對TD-LTE的系統(tǒng)性能進(jìn)行評估,給出它在各種場景和配置條件下的系統(tǒng)性能,主要的性能指標(biāo)是扇區(qū)的頻譜效率和邊緣頻譜效率。
下行鏈路考慮了如下7種傳輸方案。
第1種:采用2根垂直極化天線做MIMO,使用流自適應(yīng)的預(yù)編碼技術(shù)傳輸(MIMO 2×2)。
第2種:采用2根雙極化天線的MIMO,使用流自適應(yīng)的預(yù)編碼技術(shù)傳輸(MIMO(1+1)×2)。預(yù)編碼技術(shù)是基于碼本和移動(dòng)臺(tái)發(fā)送的預(yù)編碼碼字索引反饋來得到加權(quán)向量的,加權(quán)向量可以形成一個(gè)或兩個(gè)傳輸流。圖1給出了預(yù)編碼的基本原理。
第3種:采用8根垂直極化天線做波束賦形單流(BF 8×2 rank1)。
第4種:采用8根雙極化天線做波束賦形單流,移動(dòng)臺(tái)端用垂直極化天線(BF(4+4)×2 rank1)。
第5種:采用8根雙極化天線做波束賦形單流,移動(dòng)臺(tái)端用雙極化天線(BF(4+4)×(1+1)rank1)。
第6種:采用8根雙極化天線做流自適應(yīng)的波束賦形,移動(dòng)臺(tái)端用垂直極化天線(BF(4+4)×2 rank adapt)。
第7種:采用8根雙極化天線做流自適應(yīng)的波束賦形,移動(dòng)臺(tái)端用雙極化天線(BF(4+4)×(1+1)rank adapt)。
此外,除上述的波束賦形方案,TD-LTE還支持將賦形的2個(gè)流分配給不同的用戶進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸(如圖2所示)實(shí)現(xiàn)多用戶的波束賦形或者M(jìn)IMO方案,但不在本文研究的范圍。
性能評估的主要參數(shù)見表1。
表1 TD-LTE性能的主要參數(shù)
圖3給出了在站距500 m宏蜂窩場景下的下行鏈路MIMO和多種波束賦形方案的評估結(jié)果。從圖中可以看到在本場景下,單流波束賦形技術(shù)的扇區(qū)平均頻譜效率要比2天線的預(yù)編碼技術(shù)高約22%,而流自適應(yīng)的波束賦形比2天線的預(yù)編碼技術(shù)的頻譜效率高約40%。這說明波束賦形方案對于提高扇區(qū)的平均頻譜效率有很好的效果。
圖 4給出了在站距500 m宏蜂窩場景下的下行鏈路的邊緣頻譜效率,從圖中可以看到,由于波束賦形能使移動(dòng)臺(tái)的接收功率增加,所以與2天線MIMO相比能夠大幅度提高小區(qū)邊緣的頻譜效率約1倍。當(dāng)使用8垂直極化天線時(shí),效果是最好的,但是由于尺寸過大,一般考慮使用8雙極化天線,邊緣頻譜效率略有下降。
圖 5、圖 6給出了在ITU城區(qū)微蜂窩場景下的下行鏈路的頻譜效率和邊緣頻譜效率。從圖中可以看到,其結(jié)論與500 m站距宏蜂窩情況下類似。
圖 7、圖 8給出了在ITU城區(qū)宏蜂窩場景下的下行鏈路的頻譜效率和邊緣頻譜效率。從圖中可以看到,由于在城區(qū)宏蜂窩中存在若干直射徑的情況,這種場景更有利于波束賦形,所以波束賦形相對于2天線MIMO的性能有更高的增益。
圖 9、圖 10給出了在ITU郊區(qū)宏蜂窩場景下的下行鏈路的頻譜效率和邊緣頻譜效率。從圖中可以看到,由于在城區(qū)宏蜂窩中存在若干直射徑的情況,這種場景更有利于波束賦形,所以波束賦形相對于2天線MIMO的性能有更高的增益。
TD-LTE是TD-SCDMA的后續(xù)長期演進(jìn)技術(shù),通過采用MIMO、OFDM等技術(shù),其系統(tǒng)整體性能相對于TD-SCDMA有大幅度的提升。本文對TD-LTE的各項(xiàng)多天線技術(shù)對系統(tǒng)整體性能的影響進(jìn)行了全面的評估,從評估結(jié)果可以看出TD-LTE有著非常優(yōu)越的性能,特別是利用TDD系統(tǒng)的上下行信道互易性的波束賦形技術(shù),對系統(tǒng)性能的提升有明顯的增益,充分體現(xiàn)出了TD-LTE的技術(shù)和性能優(yōu)勢。
1 IEEE 802.16.Broadband Wireless Access Working Group.IEEE 802.16m evaluation methodology document,2009-01-15
2 Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker.LTE-the UMTS long term evolution.WILEY,2009
3 沈嘉,索士強(qiáng)等編著.3GPP長期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:人民郵電出版社,2008
4 3GPP TR25.996 V6.1.0.Spatial channel model for multiple input multiple output(MIMO)simulations,release 6,2003-09
5 IST-WINNER II Deliverable 1.1.2 v1.2.WINNER II channel models.IST-WINNER2 Tech Rep,http://www.ist-winner.corg/deliverables.html,2007