TD-LTE系統(tǒng)性能仿真評估研究

張 勇，姜大潔，劉光毅

（中國移動通信有限公司研究院 北京 100032）

1 前言

在全球3G及增強型3G網(wǎng)絡(luò)商用化進(jìn)程穩(wěn)步推進(jìn)的同時，為滿足移動寬帶數(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，中國移動聯(lián)合主流的國內(nèi)外設(shè)備商、運營商以及研究機構(gòu)，在3GPP RAN1第51次小組會提議并通過了統(tǒng)一的TDD制式的幀結(jié)構(gòu)，完成了2個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，移動臺端支持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。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，它通過增加移動臺信令反饋，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)送信號進(jìn)行加權(quán)，從而更加有效地利用空時信道的特性達(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)性強的特點，通過對發(fā)送信號進(jìn)行加權(quán)使得天線向外輻射的能量集中到某一個特定的方向，在增強移動臺接收信號能量的同時，減弱對其他方向的干擾。實現(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)點上，TDD系統(tǒng)比FDD系統(tǒng)更有前途。本文的重點就是對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。

2 評估方案

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)是基于碼本和移動臺發(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)向量可以形成一個或兩個傳輸流。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，移動臺端用垂直極化天線（BF(4＋4)×2 rank1）。

第5種：采用8根雙極化天線做波束賦形單流，移動臺端用雙極化天線（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，移動臺端用垂直極化天線（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，移動臺端用雙極化天線（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個流分配給不同的用戶進(jìn)行獨立的數(shù)據(jù)傳輸（如圖2所示）實現(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)

3 性能評估結(jié)果

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臺的接收功率增加，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，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。

4 結(jié)束語

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，索士強等編著.3GPP長期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計.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