TD-LTE-Advanced候選技術(shù)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(qiáng)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和MIMO技術(shù)為核心、靈活支持1.4～20 MHz系統(tǒng)帶寬的、采用扁平網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的3G長期演進(jìn)系統(tǒng)，并命名為LTE（長期演進(jìn)）。2007年10月，中國企業(yè)聯(lián)合主流的國內(nèi)外設(shè)備商、運(yùn)營商以及研究機(jī)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)，并將LTE TDD正式命名為TD-LTE，為TD-SCDMA等TDD技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展演進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

TD-LTE采用了多入多出天線（MIMO）關(guān)鍵技術(shù)，基站（evolved NodeB，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（Precoding）傳輸方式，另一類是波束賦形（Beamforming）的傳輸方式。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。波束賦形技術(shù)利用發(fā)送天線之間的距離較近、相關(guān)性強(qiáng)的特點(diǎn)，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(qiáng)移動臺接收信號能量的同時，減弱對其他方向的干擾。實(shí)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。對于FDD系統(tǒng)，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(zhǔn)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(jìn)行一定的方向性賦形。而對于TDD系統(tǒng)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(nèi)，上下行信道的響應(yīng)可以認(rèn)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(tǒng)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(jìn)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(shù)，通過單雙流波束的自適應(yīng)切換，最大限度地提升系統(tǒng)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(shù)的征集。為了持續(xù)保持LTE的技術(shù)競爭力，3GPP于2008年4月正式開始LTE的后續(xù)演進(jìn)技術(shù)LTE-Advanced的研究和標(biāo)準(zhǔn)化，并于2009年將包括FDD和TDD制式的LTE-Advanced候選技術(shù)正式提交ITU-R。同時，中國也將由中國企業(yè)主導(dǎo)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(shù)提交ITU-R。在Release 10中，為了進(jìn)一步降低小區(qū)間的干擾和提升系統(tǒng)的整體頻譜效率，TD-LTE-Advanced采用了多用戶MIMO（MU-MIMO）和多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)（CoMP）。

本文針對TD-LTE-Advanced，對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的系統(tǒng)研究和驗(yàn)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過了ITU-R對IMT-Advanced候選技術(shù)的最小性能要求；通過利用TDD系統(tǒng)的信道互易性，TD-LTEAdvanced的頻譜效率相對于FDD系統(tǒng)有一定的性能優(yōu)勢。

2 評估方案

在TD-LTE系統(tǒng)中，對系統(tǒng)的整體頻譜效率有重要影響的是MIMO技術(shù)，而且在TD-LTE的后續(xù)演進(jìn)系統(tǒng)TD-LTE-Advanced中，也主要是從MIMO技術(shù)方面對系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的增強(qiáng)。本節(jié)首先介紹TD-LTE Release 8/9/10中的MIMO技術(shù)方案，然后再對不同的MIMO技術(shù)進(jìn)行全面的系統(tǒng)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(yù)編碼（SU-MIMO），通過對發(fā)送數(shù)據(jù)的預(yù)加權(quán)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(fā)送端已知相應(yīng)的多個用戶的信道信息，通過發(fā)送信號的預(yù)處理，在同樣的時間和頻率資源上形成兩個或者多個數(shù)據(jù)流，并發(fā)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(shù)向單個用戶發(fā)送數(shù)據(jù)；第四種是協(xié)作式波束賦形（CB/CS-CoMP），這是一種多基站相互協(xié)作的技術(shù)，基站之間通過交互信息，在服務(wù)本區(qū)用戶的同時避免對鄰區(qū)用戶的干擾，最大限度地抑制整個系統(tǒng)中的干擾；第五種是多基站聯(lián)合處理（JP-CoMP），這也是一種多基站相互協(xié)作的技術(shù)，可以將多個基站看作是一個統(tǒng)一的發(fā)射機(jī)，通過預(yù)先獲得多個被服務(wù)用戶的信道信息，它可以同時服務(wù)多個用戶且?guī)缀跬耆苊庀嗷ラg的干擾。

2.2 上行評估方案

由于TD-LTE的單天線發(fā)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(fā)多收的方案（SIMO），即假設(shè)移動臺只使用一根天線發(fā)送信號；第二種是單用戶MIMO方案，假設(shè)基站端使用兩根天線發(fā)送信號；第三種是上行的多用戶虛擬MIMO；第四種是多基站協(xié)作式接收（CoMP），4種方案如圖6～9所示。

3 性能評估結(jié)果

基于3GPP的仿真方法和仿真假設(shè)，本節(jié)給出TD-LTE-Advanced各項(xiàng)MIMO技術(shù)的系統(tǒng)整體性能研究結(jié)果。圖10給出了在室內(nèi)場景下，下行鏈路單用戶MIMO和多用戶MIMO的評估結(jié)果。在室內(nèi)場景下，單用戶MIMO和多用戶MIMO的性能都遠(yuǎn)超過ITU-R規(guī)定的IMT-Advanced系統(tǒng)的最小性能需求。特別是多用戶MIMO，其扇區(qū)平均性能比ITU-R需求高123%。

圖11給出了室內(nèi)場景下，上行鏈路SU-SIMO、SU-MIMO和MU-MIMO的評估結(jié)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(qū)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(xié)作聯(lián)合處理時的性能大幅高于ITU-R的需求。

圖13給出了城區(qū)微蜂窩場景下，上行鏈路SU-SIMO和MU-MIMO的評估結(jié)果。所列技術(shù)方案都能滿足ITU-R的需求。當(dāng)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(qū)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(xié)作聯(lián)合處理時的性能大幅高于ITU-R的需求。

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

4 結(jié)束語

隨著3GPP LTE Release 8和9標(biāo)準(zhǔn)化的完成，為了保持LTE的持續(xù)競爭力，3GPP開始了LTE-Advanced的研究和標(biāo)準(zhǔn)化。本文結(jié)合TD-LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)化的最新進(jìn)展，通過仿真評估，對TD-LTE-Advanced系統(tǒng)的綜合性能進(jìn)行了深入的研究和驗(yàn)證，包括預(yù)編碼、波束賦形、多用戶MIMO、CoMP等技術(shù)方案在各種復(fù)雜環(huán)境下的平均頻譜效率、小區(qū)邊緣頻譜效率等。從仿真結(jié)果可以看出，TD-LTE-Advanced系統(tǒng)通過采用增強(qiáng)MIMO技術(shù)，其性能相對于TD-LTE得到大幅提升，其能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)有的3G系統(tǒng)。TD-LTE Release 8在大多數(shù)場景下能夠滿足ITU-R規(guī)定的IMT-Advanced候選技術(shù)的最小性能需求，而TD-LTE-Advanced的技術(shù)性能則完全能夠滿足和超越ITU-R規(guī)定的IMT-Advanced候選技術(shù)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