MIMO分布式天線系統中的延時失衡性能分析

鄧單

(京信通信技術(廣州)有限公司研發中心，廣東廣州510660)

在不增加傳輸功率和頻率資源的基礎上，為提高傳輸速率和增強小區覆蓋能力，多入多出(MIMO)技術被廣泛應用于各種無線通信標準中，其中包括3GPP長期演進(LTE)以及其高級版(LTEAdvanced)項目標準［1］。在LTE標準中，被采納的MIMO技術主要包括發送分集、空分復用、波束賦形等。其中基于用戶專用參考信號的下行波束賦形技術能夠利用時分復用LTE(TD－LTE)系統中上下行信道的互易性，針對單個用戶進行動態地波束賦形，從而有效提高傳輸速率和增強小區邊緣覆蓋性能［2－3］。

在目前的LTE室內商用系統的基本配置［2］中，一般采用2×2天線配置。下行BS采用雙天線分集或者復用發射，UE采用雙天線接收。上行UE采用單天線發射，BS采用雙天線接收，即接收分集［3－4］。理論分析中，大多假設多天線陣列中各天線單元增益相同且時延相等。但在實際工程應用中，由于饋線及器件制造工藝的差異，會引入天線單元的增益與時延的差異。中國移動企業標準［5］中，對于宏基站天線有明確的規定:各天線端口的幅度偏差≤0.7 dB;相位偏差≤5°。

在實際的室內分布式天線系統中，由于饋線以及極化天線本身的差異會引入天線延時不平衡因素。文中將對基于LTE系統，分析分布式天線系統中延時失衡對LTE基帶系統帶來的影響，并評估其可行性。

1 延時分析模型

以LTE 20 MHz帶寬系統分析:采樣周期T=1/30.72 MHz=0.032 6 μs，對應于光速傳播距離約為9.8 m。以10 MHz帶寬分析:采樣率為15.36 MHz，對應于光速傳播距離為19.6 m。假設時域上采樣點偏移N0，則相應在頻域上的變換如式(1)所示。

從式(1)可以看到，時域上線性偏移，頻域上疊加線性相偏。時域上偏移越多，相偏變化越快。偏移兩個采樣點后，等效的頻域信道估計響應如圖1所示。

圖1 偏移兩個采樣點后的等效頻域信道估計響應

從圖1可以看出，頻域等效信道響應呈周期性變化;當信道偏移量擴大時，此變化周期變快;當變化周期快于頻域信道估計周期時，系統性能將會惡化。LTE下行幀結構中，采用每個RB在頻域上包含14個子載波，中間插入兩個Pilot，用于信道估計。Pilot中間位置則使用插值算法作估計。如果頻域相偏變化過快，則會導致插值算法估計不準確，影響鏈路性能［6］。

假設LTE 2×2 MIMO系統，發射天線存在不同步的情況如圖2所示。

圖2 發射端天線間不同步示意圖

以接收端天線1為例，在FFT窗內對接收數據作變換，設r1(i)，r2(i)分別為來自發送端天線1和天線2的Data區域的時域信號抽樣點，其中0≤i≤NFFT－1，并設r2(i)為接收端FFT窗內的時域信號抽樣點，時延為p個抽樣點。

式中，Rn(k)和Rn，m(k)的下標m和n分別表示發送天線號和接收天線號;k為子載波號。

在下行接收端

由于下行DMRS并非在頻域上連續分布，因此φ與k不一定相等，即由天線2時延造成的相位偏差不一定可以消除，從而造成接收端解調性能的下降。

2 仿真與分析

為驗證延時失衡理論分析結果的正確性，文中在不同信道環境下，針對LTE典型業務進行仿真，并對結果進行分析比較。系統采用10 MHz帶寬，15.36 MHz采樣。上行鏈路仿真參數:仿真信道采用LTE標準中EPA 5 Hz信道;仿真業務采用LTE標準的FRC A4－6;信道估計算法采用LS平均算法;天線配置為1×2 SIMO;接收合并采用最大比合并(MRC)算法。下行鏈路仿真參數:仿真信道采用EPA 5 Hz;仿真業務中塊長5 736，調制方式為16QAM;信道估計采用LS線性插值;天線配置為2×2MIMO。發送模式:兩天線不帶CDD的空間復用。

首先分析接收端由于兩天線間上行延時不平衡，對系統造成的影響。分析高斯白噪聲信道下，不同信噪比環境下，不同的延時差異條件下，系統性能的惡化情況。圖3是AWGN信道下的BER仿真結果。

從圖3中可以看出，上行由于LTE標準中頻域插入的RS為全頻段設置，接收機不需要進行頻域插值，所以延時對接收機幾乎沒有影響。

圖3 上行MRC延時失衡BER性能曲線

另外，還分析了下行MIMO配置下，發射天線延時差異對系統性能的影響。在不同信噪比環境和不同延時差異條件下的性能對比如圖4所示。

圖4 下行2×2 MIMO延時失衡BER性能曲線

由于LTE 10 MHz帶寬配置時，CP長度為72采樣點。在時延差異＜CP/8(即9個采樣點)的情況下，系統的性能幾乎沒有下降;當時延差異較大時，系統性能下降明顯;在時延差異達到0.5 CP時，系統性能會有約2 dB損失;當延時差異達到0.75 CP時，性能下降達到8 dB。

3 結束語

MIMO室內分布式天線系統中，由于饋線以及極化天線本身的差異會引入延時不平衡因素。針對MIMO系統，首先從理論上分析分布式天線系統中延時失衡對MIMO系統帶來的影響。通過仿真，定量分析了MIMO上下行鏈路中，延時失衡對基帶性能的不利影響。結果表明:上行鏈路性能對延時差異不敏感;對下行鏈路，在時延差異達到0.5 CP時，系統性能會有約2 dB損失;當延時差異達到0.75 CP時，性能下降達到8 dB。

［1］ 沈嘉．3GPP長期演進(LTE)技術原理與系統設計［M］．北京:人民郵電出版社，2008．

［2］ 胡宏林，徐景．3GPP LTE無線鏈路關鍵技術［M］．北京:電子工業出版社，2008．

［3］ 3GPP Organization．GPP TS 36.211 v8.6.0．3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access(e－utra);physical channels and modulation(Release8)［S］．USA:3GPP Organization，2009．

［4］ 3GPP Organization．3GPP TS 36.104 v8.6.0．3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access(E－UTRA);base station(BS)radio transmission and reception(Release 8)［S］．USA:3GPP Organization，2009．

［5］ 中國移動通信集團公司．TD－LTE雙極化智能天線陣列設備規范［S］．北京:中國移動通信集團公司，2009．

［6］ GERARD J．Foschini，layered space－time architecture for wireless communication in a fading environment when using multi－element antennas［J］．Bell Labs Technical Journal，1996(4):41－59．