大唐移動TD-LTE創(chuàng)新技術(shù)——雙流波束賦形

雙流波束賦形技術(shù)是TD-LTE的多天線增強(qiáng)型技術(shù)，是TD-LTE建網(wǎng)的主流技術(shù)，結(jié)合了智能天線波束賦形技術(shù)與MIMO空間復(fù)用技術(shù)，是中國移動和大唐移動共同創(chuàng)新的成果，也是中國通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)能力的體現(xiàn)。

一、8天線雙流波束賦形技術(shù)引入需求分析

多天線技術(shù)是天線技術(shù)發(fā)展趨勢，現(xiàn)有TD-SCDMA已經(jīng)引入了8天線，TD- LTE也引入了8發(fā)2收的天線配置，到LTE-A則將引入8發(fā)8收的天線配置。

考慮到提升覆蓋能力和降低引入TD-LTE的CAPEX，TD-LTE系統(tǒng)中引入了 8天線方案。另外，引入8天線還可以使TD-SCDMA平滑演進(jìn)到TD-LTE，同時繼續(xù)沿用并充分發(fā)揮TDD系統(tǒng)在賦形方面的優(yōu)勢。

1． 系統(tǒng)平滑演進(jìn)需求

目前，TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)正在全國迅速鋪開。與此同時，TD-SCDMA演進(jìn)技術(shù) TD-LTE也被提上了未來移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展的日程。如何在進(jìn)行TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的同時保證能夠向TD-LTE實現(xiàn)平滑演進(jìn)已經(jīng)成為了運營商和設(shè)備供應(yīng)商共同關(guān)注的焦點問題。

出于系統(tǒng)平滑演進(jìn)的考慮，大唐移動提出了產(chǎn)品設(shè)備共平臺設(shè)計的解決方案，有效的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)有投資，保證網(wǎng)絡(luò)升級的快速便捷。在主設(shè)備實現(xiàn)平滑演進(jìn)的同時，從節(jié)約建網(wǎng)成本、降低建站難度等角度出發(fā)，需要盡可能保持TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)已部署的天線系統(tǒng)不變，且可以在TD-LTE中繼續(xù)使用。為實現(xiàn)天線系統(tǒng)的平滑演進(jìn)，TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行宏覆蓋主要采用的8天線，需要在TD- LTE網(wǎng)絡(luò)中繼續(xù)使用。

2． 技術(shù)演進(jìn)需求

波束賦形技術(shù)是一種基于小間距天線陣列的線性預(yù)處理技術(shù)，能夠根據(jù)用戶的信道特性進(jìn)行波束賦形，具有擴(kuò)大覆蓋、提高系統(tǒng)容量、降低干擾的能力。作為TD-SCDMA的核心技術(shù)，波束賦形技術(shù)已在中國移動3G網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用。

在LTE技術(shù)規(guī)范 Release 8版本中，引入了單流波束賦形技術(shù)，對于提高小區(qū)平均吞吐量及邊緣吞吐量、降低小區(qū)間干擾有著重要作用。但是，面對LTE Release 9以及LTE-Advanced系統(tǒng)的更高速率需求，有必要對波束賦形技術(shù)加以擴(kuò)展。以LTE定義的最大發(fā)天線數(shù)8天線為例，由多天線理論可知，8×2天線系統(tǒng)的單用戶MIMO至多可以同時傳輸兩個數(shù)據(jù)流，這就意味著LTE Release 8規(guī)范中的單流波束賦形技術(shù)并沒有充分開發(fā)信道容量。根據(jù)信道容量相關(guān)理論可知，信道容量為信噪比的對數(shù)函數(shù)，隨著信噪比提升，容量增加趨勢越來越緩；在高信噪比情況下，將某個數(shù)據(jù)流的功率降低一半并不會導(dǎo)致該數(shù)據(jù)流容量大幅降低，此種情況利用另一半功率來發(fā)送一個新的數(shù)據(jù)流將會極大地提升傳輸容量。

為滿足TD-LTE系統(tǒng)中使用8天線以及擴(kuò)展波束賦形技術(shù)以提升容量的需求，中國移動和大唐移動共同推出了采用8天線配置的雙流波束賦形技術(shù)。

二、雙流波束賦形技術(shù)介紹

雙流波束賦形技術(shù)應(yīng)用于信號散射體比較充分的條件下，是智能天線波束賦形技術(shù)（即單流波束賦形技術(shù)）和MIMO空間復(fù)用技術(shù)的有效結(jié)合，在TD-LTE系統(tǒng)中，利用TDD信道的對稱性，同時傳輸兩個賦形數(shù)據(jù)流來實現(xiàn)空間復(fù)用，并且能夠保持傳統(tǒng)單流波束賦形技術(shù)廣覆蓋、提高小區(qū)容量和減少干擾的特性，既可以提高邊緣用戶的可靠性，同時可有效提升小區(qū)中心用戶的吞吐量。

根據(jù)多天線理論可知，接收天線數(shù)不能小于空間復(fù)用的數(shù)據(jù)流數(shù)。8天線雙流波束賦形技術(shù)的使用，接收端至少需要有2根天線。

根據(jù)調(diào)度用戶的情況不同，雙流波束賦形技術(shù)可以分為單用戶雙流波束賦形技術(shù)和多用戶雙流波束賦形技術(shù)。

1．單用戶

單用戶雙流波束賦形技術(shù)，由基站測量上行信道，得到上行信道狀態(tài)信息后，基站根據(jù)上行信道信息計算兩個賦形矢量，利用該賦形矢量對要發(fā)射的兩個數(shù)據(jù)流進(jìn)行下行賦形。

采用單用戶雙流波束賦形技術(shù)，使得單個用戶在某一時刻可以進(jìn)行兩個數(shù)據(jù)流傳輸，同時獲得賦形增益和空間復(fù)用增益，可以獲得比單流波束賦形技術(shù)更大的傳輸速率，進(jìn)而提高系統(tǒng)容量。

2．多用戶

多用戶雙流波束賦形技術(shù)，基站根據(jù)上行信道信息或者UE反饋的結(jié)果進(jìn)行多用戶匹配，多用戶匹配完成后，按照一定的準(zhǔn)則生成波束賦形矢量，利用得到的波束賦形矢量為每一個UE、每一個流進(jìn)行賦形。

多用戶雙流波束賦形技術(shù)，利用了智能天線的波束定向原理，實現(xiàn)多用戶的空分多址。

3． 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

雙流波束賦形技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程是中國移動和大唐移動共同努力推動的過程。

2007~2008年，中國移動和大唐移動在IMT-Advanced技術(shù)組和標(biāo)準(zhǔn)子組上分別提交了關(guān)于雙流波束賦形技術(shù)的整體解決方案，都獲得了通過。

在3GPP雙流波束賦形技術(shù)立項之前，大唐移動從2008年6月開始在LTE- Advanced（Release 10）技術(shù)范圍內(nèi)開始推動該技術(shù)。

2009年3月，雙流波束賦形技術(shù)在3GPP完成立項，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作在RAN 1展開討論。

2009年12月，雙流波束賦形技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)基本完成，相關(guān)協(xié)議規(guī)范（TS 36.211、TS 36.212、TS 36.213、TS 36.331等）已在12月發(fā)布的最新版本中包括雙流波束賦形技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，目前僅剩下射頻相關(guān)指標(biāo)未完成標(biāo)準(zhǔn)化，預(yù)計會在2010年一季度完成。

4． 具體實現(xiàn)

4+4雙極化天線是一種典型的8天線形態(tài)，其天線形態(tài)適合使用雙流波束賦形技術(shù)。 TD-SCDMA現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的4+4雙極化天線支持F+A+E頻段，若今后在此頻段內(nèi)支持TD-LTE，則現(xiàn)有4+4雙極化天線可以實現(xiàn)由TD- SCDMA向TD-LTE的平滑演進(jìn)，可在TD-LTE系統(tǒng)中繼續(xù)使用。

分析雙流波束賦形技術(shù)的實現(xiàn)難易度。從研究角度來看，雙流波束賦形技術(shù)可認(rèn)為就是多天線信道奇異值分解算法的典型應(yīng)用，并沒有太多新的理論問題需要解決；從信號處理的角度來看，其實現(xiàn)機(jī)制基本已經(jīng)成熟，更多的工作是算法優(yōu)化問題。由上可知，基于現(xiàn)有的理論研究和信號處理技術(shù)，基于大唐移動對智能天線波束賦形技術(shù)的深入理解，雙流波束賦形技術(shù)的實現(xiàn)非常簡單，可以很快的應(yīng)用于TD-LTE 系統(tǒng)。

5． 應(yīng)用場景

8天線雙流波束賦形技術(shù)是TD-LTE建網(wǎng)的主要技術(shù)，應(yīng)用于室外場景的宏小區(qū)覆蓋，可以有效的增加空間隔離度，降低數(shù)據(jù)流之間的干擾。

大唐移動提出TD-LTE的組網(wǎng)方案如圖所示。利用4+4雙極化天線，使用雙流波束賦形技術(shù)實現(xiàn)室外宏小區(qū)覆蓋。采用1+1雙極化天線進(jìn)行室外街道站的覆蓋，作為宏覆蓋的補(bǔ)盲。在室內(nèi)采用2×2 MIMO進(jìn)行微小區(qū)覆蓋。

三、8天線雙流波束賦形技術(shù)優(yōu)勢

1． 系統(tǒng)吞吐量提升，構(gòu)建高品質(zhì)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)

雙流波束賦形技術(shù)可以有效的提高TD-LTE系統(tǒng)的吞吐量性能。相比于TD-LTE 的基本天線配置方式 2×2 MIMO，采用8×2雙流波束賦形技術(shù)在扇區(qū)吞吐量和邊緣吞吐量都有較大提升。根據(jù)IMT-Advanced的評估結(jié)果可知，8天線雙流波束賦形相比于2 天線MIMO扇區(qū)吞吐量最大提升約80%，邊緣吞吐量最大提升約130%。

2． 小區(qū)半徑提升，降低建網(wǎng)CAPEX投入

由TD-LTE覆蓋理論分析可知，TD-LTE 2天線的覆蓋能力受限于上行業(yè)務(wù)信道。根據(jù)仿真評估，以上行業(yè)務(wù)信道邊緣速率64Kbps為前提，TD-LTE 8天線的小區(qū)覆蓋半徑約為TD-LTE 2天線的2倍。相比于TD-LTE 2天線的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，8天線的使用有效降低了TD-LTE站點數(shù)量，降低了TD-LTE建網(wǎng)CAPEX。

TD-LTE采用8天線的覆蓋半徑與TD-SCDMA覆蓋半徑相當(dāng)，可以實現(xiàn)與 TD-SCDMA共覆蓋、共站址。在TD-SCDMA向TD-LTE平滑演進(jìn)的過程中，現(xiàn)有的站址、天饋系統(tǒng)等資源都可以復(fù)用，進(jìn)一步降低TD-LTE建網(wǎng)CAPEX。

根據(jù)TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)經(jīng)驗可知，實際建網(wǎng)時的單站覆蓋半徑可能只有500米甚至更小。以TD-SCDMA實際覆蓋半徑作為TD-LTE的覆蓋評估前提，分析TD-LTE 2天線和8天線的覆蓋性能。
根據(jù)仿真評估可知，TD- LTE 8天線可以有效的改善受限問題，在提高邊緣速率的同時，有效地擴(kuò)大覆蓋半徑。

TD-LTE 2天線和8天線覆蓋能力分析如上圖所示。當(dāng)覆蓋半徑為500米時，TD-LTE 8天線的上行邊緣速率為500kbps，2天線的上行邊緣速率為64Kbps?？芍趯崿F(xiàn)與TD-SCDMA實際覆蓋半徑相同時，TD-LTE 8天線的邊緣速率相對于TD-LTE 2天線有明顯優(yōu)勢，而TD-LTE 2天線的邊緣速率相比于TD-SCDMA卻并沒有明顯提高。TD-LTE 2天線若要實現(xiàn)500kbps的邊緣速率，其覆蓋半徑只有280米左右，無法實現(xiàn)與TD-SCDMA系統(tǒng)的共站址、共覆蓋。

根據(jù)以上分析，可以認(rèn)為，TD-LTE采用8天線可以極大提升覆蓋能力，在保證與 TD-SCDMA共覆蓋的前提下體現(xiàn)TD-LTE高速率的特點。

四、大唐移動率先發(fā)布雙流波束賦形技術(shù)

2009年12月，大唐移動在大唐電信集團(tuán)北京總部舉行了以“創(chuàng)新技術(shù)，成就夢想” 為主題的TD-LTE新技術(shù)發(fā)布會，在業(yè)內(nèi)率先發(fā)布雙流波束賦形技術(shù)，建設(shè)了TD-LTE演示網(wǎng)，進(jìn)行了8天線雙流波束賦形技術(shù)的性能演示。

TD-LTE發(fā)布會演示網(wǎng)，其覆蓋范圍是北京市海淀區(qū)學(xué)院路從學(xué)院橋到學(xué)知橋的路段。具體演示方案是在演示車的行駛過程中，隨著實時信道環(huán)境的變化，體驗TD-LTE 8天線雙流波束賦形技術(shù)相比于2天線MIMO技術(shù)的吞吐量性能優(yōu)勢。

在演示過程中，可以明顯體驗到8天線的覆蓋能力好于2天線。在演示路段的兩端，已經(jīng)接近2天線的覆蓋邊緣，此時2天線的吞吐量性能受到影響發(fā)生衰落，8天線依然保持平穩(wěn)數(shù)值。當(dāng)演示車行駛在演示路段邊緣的立交橋下時，受到橋體遮擋，信號接收受到影響，2天線發(fā)生嚴(yán)重衰落，吞吐量下降明顯。8天線也受到一定影響，但吞吐量性能只是略有降低，仍保持穩(wěn)定數(shù)值。
統(tǒng)計整個演示過程中的數(shù)值變化可知，8天線雙流波束賦形技術(shù)相比于2天線MIMO，頻譜效率平均優(yōu)勢約為40~50%。

五、結(jié)束語

8天線雙流波束賦形技術(shù)的引入，為實現(xiàn)TD-SCDMA系統(tǒng)向TD-LTE系統(tǒng)的平滑演進(jìn)提供了技術(shù)保障。其有效提升吞吐量和邊緣覆蓋的性能優(yōu)勢也使其成為TD-LTE創(chuàng)新技術(shù)中備受關(guān)注的亮點。