大唐移動(dòng)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(xiàn)增強型技術(shù)，是TD-LTE建網(wǎng)的主流技術(shù)，結合了智能天線(xiàn)波束賦形技術(shù)與MIMO空間復用技術(shù)，是中國移動(dòng)和大唐移動(dòng)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。

一、8天線(xiàn)雙流波束賦形技術(shù)引入需求分析

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

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

1． 系統平滑演進(jìn)需求

目前，TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò )正在全國迅速鋪開(kāi)。與此同時(shí)，TD-SCDMA演進(jìn)技術(shù) TD-LTE也被提上了未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )建設發(fā)展的日程。如何在進(jìn)行TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò )建設的同時(shí)保證能夠向TD-LTE實(shí)現平滑演進(jìn)已經(jīng)成為了運營(yíng)商和設備供應商共同關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。

出于系統平滑演進(jìn)的考慮，大唐移動(dòng)提出了產(chǎn)品設備共平臺設計的解決方案，有效的保護網(wǎng)絡(luò )建設現有投資，保證網(wǎng)絡(luò )升級的快速便捷。在主設備實(shí)現平滑演進(jìn)的同時(shí)，從節約建網(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(xiàn)系統不變，且可以在TD-LTE中繼續使用。為實(shí)現天線(xiàn)系統的平滑演進(jìn)，TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行宏覆蓋主要采用的8天線(xiàn)，需要在TD- LTE網(wǎng)絡(luò )中繼續使用。

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(xiàn)陣列的線(xiàn)性預處理技術(shù)，能夠根據用戶(hù)的信道特性進(jìn)行波束賦形，具有擴大覆蓋、提高系統容量、降低干擾的能力。作為T(mén)D-SCDMA的核心技術(shù)，波束賦形技術(shù)已在中國移動(dòng)3G網(wǎng)絡(luò )中廣泛使用。

在LTE技術(shù)規范 Release 8版本中，引入了單流波束賦形技術(shù)，對于提高小區平均吞吐量及邊緣吞吐量、降低小區間干擾有著(zhù)重要作用。但是，面對LTE Release 9以及LTE-Advanced系統的更高速率需求，有必要對波束賦形技術(shù)加以擴展。以L(fǎng)TE定義的最大發(fā)天線(xiàn)數8天線(xiàn)為例，由多天線(xiàn)理論可知，8×2天線(xiàn)系統的單用戶(hù)MIMO至多可以同時(shí)傳輸兩個(gè)數據流，這就意味著(zhù)LTE Release 8規范中的單流波束賦形技術(shù)并沒(méi)有充分開(kāi)發(fā)信道容量。根據信道容量相關(guān)理論可知，信道容量為信噪比的對數函數，隨著(zhù)信噪比提升，容量增加趨勢越來(lái)越緩；在高信噪比情況下，將某個(gè)數據流的功率降低一半并不會(huì )導致該數據流容量大幅降低，此種情況利用另一半功率來(lái)發(fā)送一個(gè)新的數據流將會(huì )極大地提升傳輸容量。

為滿(mǎn)足TD-LTE系統中使用8天線(xiàn)以及擴展波束賦形技術(shù)以提升容量的需求，中國移動(dòng)和大唐移動(dòng)共同推出了采用8天線(xiàn)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)應用于信號散射體比較充分的條件下，是智能天線(xiàn)波束賦形技術(shù)（即單流波束賦形技術(shù)）和MIMO空間復用技術(shù)的有效結合，在TD-LTE系統中，利用TDD信道的對稱(chēng)性，同時(shí)傳輸兩個(gè)賦形數據流來(lái)實(shí)現空間復用，并且能夠保持傳統單流波束賦形技術(shù)廣覆蓋、提高小區容量和減少干擾的特性，既可以提高邊緣用戶(hù)的可靠性，同時(shí)可有效提升小區中心用戶(hù)的吞吐量。

根據多天線(xiàn)理論可知，接收天線(xiàn)數不能小于空間復用的數據流數。8天線(xiàn)雙流波束賦形技術(shù)的使用，接收端至少需要有2根天線(xiàn)。

根據調度用戶(hù)的情況不同，雙流波束賦形技術(shù)可以分為單用戶(hù)雙流波束賦形技術(shù)和多用戶(hù)雙流波束賦形技術(shù)。

1．單用戶(hù)

單用戶(hù)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，基站根據上行信道信息計算兩個(gè)賦形矢量，利用該賦形矢量對要發(fā)射的兩個(gè)數據流進(jìn)行下行賦形。

采用單用戶(hù)雙流波束賦形技術(shù)，使得單個(gè)用戶(hù)在某一時(shí)刻可以進(jìn)行兩個(gè)數據流傳輸，同時(shí)獲得賦形增益和空間復用增益，可以獲得比單流波束賦形技術(shù)更大的傳輸速率，進(jìn)而提高系統容量。

2．多用戶(hù)

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

多用戶(hù)雙流波束賦形技術(shù)，利用了智能天線(xiàn)的波束定向原理，實(shí)現多用戶(hù)的空分多址。

3． 標準進(jìn)展

雙流波束賦形技術(shù)的標準化進(jìn)程是中國移動(dòng)和大唐移動(dòng)共同努力推動(dòng)的過(guò)程。

2007~2008年，中國移動(dòng)和大唐移動(dòng)在IMT-Advanced技術(shù)組和標準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(guò)。

在3GPP雙流波束賦形技術(shù)立項之前，大唐移動(dòng)從2008年6月開(kāi)始在LTE- Advanced（Release 10）技術(shù)范圍內開(kāi)始推動(dòng)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)標準化工作在RAN 1展開(kāi)討論。

2009年12月，雙流波束賦形技術(shù)的標準化工作已經(jīng)基本完成，相關(guān)協(xié)議規范（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)標準內容，目前僅剩下射頻相關(guān)指標未完成標準化，預計會(huì )在2010年一季度完成。

4． 具體實(shí)現

4+4雙極化天線(xiàn)是一種典型的8天線(xiàn)形態(tài)，其天線(xiàn)形態(tài)適合使用雙流波束賦形技術(shù)。 TD-SCDMA現有網(wǎng)絡(luò )中的4+4雙極化天線(xiàn)支持F+A+E頻段，若今后在此頻段內支持TD-LTE，則現有4+4雙極化天線(xiàn)可以實(shí)現由TD- SCDMA向TD-LTE的平滑演進(jìn)，可在TD-LTE系統中繼續使用。

分析雙流波束賦形技術(shù)的實(shí)現難易度。從研究角度來(lái)看，雙流波束賦形技術(shù)可認為就是多天線(xiàn)信道奇異值分解算法的典型應用，并沒(méi)有太多新的理論問(wèn)題需要解決；從信號處理的角度來(lái)看，其實(shí)現機制基本已經(jīng)成熟，更多的工作是算法優(yōu)化問(wèn)題。由上可知，基于現有的理論研究和信號處理技術(shù)，基于大唐移動(dòng)對智能天線(xiàn)波束賦形技術(shù)的深入理解，雙流波束賦形技術(shù)的實(shí)現非常簡(jiǎn)單，可以很快的應用于TD-LTE 系統。

5． 應用場(chǎng)景

8天線(xiàn)雙流波束賦形技術(shù)是TD-LTE建網(wǎng)的主要技術(shù)，應用于室外場(chǎng)景的宏小區覆蓋，可以有效的增加空間隔離度，降低數據流之間的干擾。

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

三、8天線(xiàn)雙流波束賦形技術(shù)優(yōu)勢

1． 系統吞吐量提升，構建高品質(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系統的吞吐量性能。相比于TD-LTE 的基本天線(xiàn)配置方式 2×2 MIMO，采用8×2雙流波束賦形技術(shù)在扇區吞吐量和邊緣吞吐量都有較大提升。根據IMT-Advanced的評估結果可知，8天線(xiàn)雙流波束賦形相比于2 天線(xiàn)MIMO扇區吞吐量最大提升約80%，邊緣吞吐量最大提升約130%。

2． 小區半徑提升，降低建網(wǎng)CAPEX投入

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

TD-LTE采用8天線(xiàn)的覆蓋半徑與TD-SCDMA覆蓋半徑相當，可以實(shí)現與 TD-SCDMA共覆蓋、共站址。在TD-SCDMA向TD-LTE平滑演進(jìn)的過(guò)程中，現有的站址、天饋系統等資源都可以復用，進(jìn)一步降低TD-LTE建網(wǎng)CAPEX。

根據TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò )建設經(jīng)驗可知，實(shí)際建網(wǎng)時(shí)的單站覆蓋半徑可能只有500米甚至更小。以TD-SCDMA實(shí)際覆蓋半徑作為T(mén)D-LTE的覆蓋評估前提，分析TD-LTE 2天線(xiàn)和8天線(xiàn)的覆蓋性能。
根據仿真評估可知，TD- LTE 8天線(xiàn)可以有效的改善受限問(wèn)題，在提高邊緣速率的同時(shí)，有效地擴大覆蓋半徑。

TD-LTE 2天線(xiàn)和8天線(xiàn)覆蓋能力分析如上圖所示。當覆蓋半徑為500米時(shí)，TD-LTE 8天線(xiàn)的上行邊緣速率為500kbps，2天線(xiàn)的上行邊緣速率為64Kbps?？芍?，在實(shí)現與TD-SCDMA實(shí)際覆蓋半徑相同時(shí)，TD-LTE 8天線(xiàn)的邊緣速率相對于TD-LTE 2天線(xiàn)有明顯優(yōu)勢，而TD-LTE 2天線(xiàn)的邊緣速率相比于TD-SCDMA卻并沒(méi)有明顯提高。TD-LTE 2天線(xiàn)若要實(shí)現500kbps的邊緣速率，其覆蓋半徑只有280米左右，無(wú)法實(shí)現與TD-SCDMA系統的共站址、共覆蓋。

根據以上分析，可以認為，TD-LTE采用8天線(xiàn)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TD-LTE高速率的特點(diǎn)。

四、大唐移動(dòng)率先發(fā)布雙流波束賦形技術(shù)

2009年12月，大唐移動(dòng)在大唐電信集團北京總部舉行了以“創(chuàng )新技術(shù)，成就夢(mèng)想” 為主題的TD-LTE新技術(shù)發(fā)布會(huì )，在業(yè)內率先發(fā)布雙流波束賦形技術(shù)，建設了TD-LTE演示網(wǎng)，進(jìn)行了8天線(xiàn)雙流波束賦形技術(shù)的性能演示。

TD-LTE發(fā)布會(huì )演示網(wǎng)，其覆蓋范圍是北京市海淀區學(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(chē)的行駛過(guò)程中，隨著(zhù)實(shí)時(shí)信道環(huán)境的變化，體驗TD-LTE 8天線(xiàn)雙流波束賦形技術(shù)相比于2天線(xiàn)MIMO技術(shù)的吞吐量性能優(yōu)勢。

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

五、結束語(yǔ)

8天線(xiàn)雙流波束賦形技術(shù)的引入，為實(shí)現TD-SCDMA系統向TD-LTE系統的平滑演進(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T(mén)D-LTE創(chuàng )新技術(shù)中備受關(guān)注的亮點(diǎn)。