TD-LTE-Advanced候選技術性能評估研究

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網絡商用化進程穩步推進的同時，為滿足移動寬帶數據業務對傳輸速率的要求，2004年，3GPP組織提出了以OFDM/SC-FDMA和MIMO技術為核心、靈活支持1.4～20 MHz系統帶寬的、采用扁平網絡結構的3G長期演進系統，并命名為LTE（長期演進）。2007年10月，中國企業聯合主流的國內外設備商、運營商以及研究機構，在3GPP RAN1第51次小組會提議并通過了統一的TDD制式的幀結構，并將LTE TDD正式命名為TD-LTE，為TD-SCDMA等TDD技術的進一步發展演進奠定了基礎。

TD-LTE采用了多入多出天線（MIMO）關鍵技術，基站（evolved NodeB，eNB）支持 2/4/8根發送天線，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編碼（Precoding）傳輸方式，另一類是波束賦形（Beamforming）的傳輸方式。TD-LTE標準中所規定的流自適應的預編碼傳輸屬于閉環MIMO的范疇，它通過增加移動臺信令反饋，使得發送數據的eNB知道更多有關信道特性的信息，通過預編碼對發送信號進行加權，從而更加有效地利用空時信道的特性達到空間復用或者分集的效果。波束賦形技術利用發送天線之間的距離較近、相關性強的特點，通過對發送信號進行加權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。實現波束賦形一般要求4或8根發送天線，這樣才能形成較好的波束賦形效果。要形成賦形波束，還需要準確地知道空時信道矩陣。對于FDD系統，由于上下行信道采用不同的頻率，且間隔較大，所以很難在基站端準確地知道下行信道的空時信道矩陣，而僅能通過一些空間的位置或者角度信息進行一定的方向性賦形。而對于TDD系統而言，由于上下行信道采用同一頻率，在信道的相干時間范圍內，上下行信道的響應可以認為是相同的，并將TDD的這一特性稱之為信道互易性，所以TDD系統可以充分地利用TDD信道的信道互易性，最大限度地獲得波束賦形帶來的增益。同時，為了進一步提升波束賦形的性能，TD-LTE Release 9采用了雙流波束賦形技術，通過單雙流波束的自適應切換，最大限度地提升系統的整體頻譜效率和峰值速率。

2009年 1月，ITU-R正式開始 IMT-Advanced（4G）候選技術的征集。為了持續保持LTE的技術競爭力，3GPP于2008年4月正式開始LTE的后續演進技術LTE-Advanced的研究和標準化，并于2009年將包括FDD和TDD制式的LTE-Advanced候選技術正式提交ITU-R。同時，中國也將由中國企業主導的LTE-Advanced的TDD模式正式命名為TD-LTE-Advanced，并作為中國的IMT-Advanced候選技術提交ITU-R。在Release 10中，為了進一步降低小區間的干擾和提升系統的整體頻譜效率，TD-LTE-Advanced采用了多用戶MIMO（MU-MIMO）和多點協作傳輸技術（CoMP）。

本文針對TD-LTE-Advanced，對其關鍵技術進行了深入的系統研究和驗證。在頻譜效率方面，TD-LTE-Advanced相對于TD-LTE的Release 8和9都有了顯著的性能提升，遠遠超過了ITU-R對IMT-Advanced候選技術的最小性能要求；通過利用TDD系統的信道互易性，TD-LTEAdvanced的頻譜效率相對于FDD系統有一定的性能優勢。

2 評估方案

在TD-LTE系統中，對系統的整體頻譜效率有重要影響的是MIMO技術，而且在TD-LTE的后續演進系統TD-LTE-Advanced中，也主要是從MIMO技術方面對系統進行了進一步的增強。本節首先介紹TD-LTE Release 8/9/10中的MIMO技術方案，然后再對不同的MIMO技術進行全面的系統性能評估。

2.1 下行評估方案

由于TD-LTE的Release 8和9的MIMO方案在TD-LTE-Advanced中仍然支持，所以TD-LTE-Advanced的性能評估中，下行鏈路主要考慮了5種傳輸方案，分別如圖1～5所示。第一種是基于碼本的預編碼（SU-MIMO），通過對發送數據的預加權形成一個或兩個傳輸流給一個用戶；第二種是多用戶MIMO（MU-MIMO），在發送端已知相應的多個用戶的信道信息，通過發送信號的預處理，在同樣的時間和頻率資源上形成兩個或者多個數據流，并發送給不同的用戶；第三種是單用戶波束賦形（SU-BF），通過波束賦形技術向單個用戶發送數據；第四種是協作式波束賦形（CB/CS-CoMP），這是一種多基站相互協作的技術，基站之間通過交互信息，在服務本區用戶的同時避免對鄰區用戶的干擾，最大限度地抑制整個系統中的干擾；第五種是多基站聯合處理（JP-CoMP），這也是一種多基站相互協作的技術，可以將多個基站看作是一個統一的發射機，通過預先獲得多個被服務用戶的信道信息，它可以同時服務多個用戶且幾乎完全避免相互間的干擾。

2.2 上行評估方案

由于TD-LTE的單天線發送方案仍然在TD-LTEAdvanced中支持，所以在TD-LTE-Advanced上行鏈路的性能評估中考慮了4種傳輸方案，第一種是上行1發多收的方案（SIMO），即假設移動臺只使用一根天線發送信號；第二種是單用戶MIMO方案，假設基站端使用兩根天線發送信號；第三種是上行的多用戶虛擬MIMO；第四種是多基站協作式接收（CoMP），4種方案如圖6～9所示。

3 性能評估結果

基于3GPP的仿真方法和仿真假設，本節給出TD-LTE-Advanced各項MIMO技術的系統整體性能研究結果。圖10給出了在室內場景下，下行鏈路單用戶MIMO和多用戶MIMO的評估結果。在室內場景下，單用戶MIMO和多用戶MIMO的性能都遠超過ITU-R規定的IMT-Advanced系統的最小性能需求。特別是多用戶MIMO，其扇區平均性能比ITU-R需求高123%。

圖11給出了室內場景下，上行鏈路SU-SIMO、SU-MIMO和MU-MIMO的評估結果。從圖中可以看出，SU-SIMO、SU-MIMO都能滿足ITU-R的需求，MU-MIMO的性能大幅高于ITU-R的需求。

圖12給出了在城區微蜂窩場景下，下行鏈路MU-MIMO和CoMP的性能。從圖中可以看出，MU-MIMO和CoMP都能滿足ITU-R的需求。特別是多基站協作聯合處理時的性能大幅高于ITU-R的需求。

圖13給出了城區微蜂窩場景下，上行鏈路SU-SIMO和MU-MIMO的評估結果。所列技術方案都能滿足ITU-R的需求。當有8根接收天線時，MU-MIMO的性能大幅高于ITU-R的需求。

圖14給出了在城區宏蜂窩場景下，下行鏈路MU-MIMO和CoMP的性能。從圖中可以看出，MU-MIMO和CoMP都能滿足ITU-R的需求。特別是多基站協作聯合處理時的性能大幅高于ITU-R的需求。

圖15給出了在城區宏蜂窩場景下，上行鏈路SU-SIMO和MU-MIMO的評估結果。從圖中可以看出，這些技術方案都能滿足ITU-R的需求。當有8根接收天線時，MU-MIMO的性能大幅高于ITU-R的需求。

4 結束語

隨著3GPP LTE Release 8和9標準化的完成，為了保持LTE的持續競爭力，3GPP開始了LTE-Advanced的研究和標準化。本文結合TD-LTE-Advanced標準化的最新進展，通過仿真評估，對TD-LTE-Advanced系統的綜合性能進行了深入的研究和驗證，包括預編碼、波束賦形、多用戶MIMO、CoMP等技術方案在各種復雜環境下的平均頻譜效率、小區邊緣頻譜效率等。從仿真結果可以看出，TD-LTE-Advanced系統通過采用增強MIMO技術，其性能相對于TD-LTE得到大幅提升，其能力遠遠超過了現有的3G系統。TD-LTE Release 8在大多數場景下能夠滿足ITU-R規定的IMT-Advanced候選技術的最小性能需求，而TD-LTE-Advanced的技術性能則完全能夠滿足和超越ITU-R規定的IMT-Advanced候選技術的最小性能需求。

1 3GPP TR 36.814.Further advancements for E-UTRA,physical layer aspects

2 3GPP TR 36.912.Feasibility study for further advancements for E-UTRA(LTE-Advanced)

3 M.2134.Requirements related to technical performance for IMT-advanced radio interface(s)

4 M.2136.Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-advanced