TD-LTE系統(tǒng)MU-MIMO外場測試性能分析*

曠婧華，龍紫薇，鄧 偉

（中國移動通信有限公司研究院 北京100053）

1 引言

TD-LTE系統(tǒng)中，基站側(cè)廣泛采用8天線配置，而終端側(cè)的發(fā)射天線目前只有1根，因而上行無法進行多天線傳輸，獲得多天線復(fù)用增益。如能將空間隔離度較好的兩個終端的發(fā)射天線配對進行上行傳輸，則可與基站的多根接收天線進行多天線傳輸，這種上行信號傳輸算法被稱為上行多用戶復(fù)用MIMO（上行MU-MIMO）。

上行MU-MIMO傳輸方式從單一用戶的角度看，由于用戶配對前后可用的最大資源數(shù)量不變，因而對單用戶吞吐量沒有提升。但由于兩個配對用戶在上行MU-MIMO傳輸模式下可復(fù)用同一時頻資源進行上行傳輸，并通過空間隔離予以區(qū)分，因而用戶配對后，整個小區(qū)可用的最大資源數(shù)將有大幅提高，小區(qū)吞吐量資源將有顯著提高。

下行傳輸中，基站側(cè)8根發(fā)射天線可實現(xiàn)3GPP R9規(guī)范[1]中定義的TM8雙流波束成形傳輸。當(dāng)TM8工作在單用戶雙流時，基站對要發(fā)射的兩個數(shù)據(jù)流進行下行成形[2]，實現(xiàn)單用戶雙流傳輸，同時獲得成形增益和空間復(fù)用增益，較單流波束成形而言，雙流波束可以獲得更高的傳輸速率。單用戶雙流TM8傳輸模式如圖1所示。但由于單用戶的雙流間存在一定程度的干擾，將會影響系統(tǒng)性能。且由于目前終端僅有1根發(fā)射天線，終端通過該天線發(fā)送上行sounding信號后，基站僅能獲得下行單流的信道質(zhì)量信息，另一個流的信道質(zhì)量信息無法獲得，只能近似處理為與第一個流正交?；緦﹄p流波束成形的信道信息估計困難，將會影響雙流波束成形的效果。

圖1 單用戶雙流TM8傳輸模式示意

針對下行TM8單用戶雙流模式存在的缺陷，可進一步引入下行多用戶復(fù)用MIMO傳輸方式（下行MU-MIMO，或稱MU-BF），基站利用波束方向性，將TM8的雙流分配給空間隔離度較好的兩個配對用戶，用戶之間的干擾利用波束成形算法刪除，使兩流間的干擾大幅減小[3，4]。同時，兩個配對用戶采用正交的導(dǎo)頻端口，可共用下行的時頻資源進行空分多址傳輸，進一步獲得多用戶復(fù)用增益，提升小區(qū)吞吐量。TM8兩用戶雙流傳輸模式如圖2所示。

圖2 TM8兩用戶雙流傳輸模式示意

前期針對上行和下行MU-MIMO的性能仿真評估中，上行MU-MIMO算法預(yù)計能夠提升小區(qū)上行平均吞吐量40%左右，較TM3/8自適應(yīng)傳輸模式而言，下行MU-MIMO可提升小區(qū)下行平均吞吐量7%左右。在TD-LTE規(guī)模試驗現(xiàn)網(wǎng)中，上行/下行MU-MIMO算法實現(xiàn)時用戶配對基于什么準則，配對后性能提升到什么程度，這都將是上行/下行MU-MIMO算法測試驗證的重點，也是本文闡述的重點。

2 性能評估

為驗證上行/下行MU-MIMO技術(shù)在TD-LTE系統(tǒng)中的性能，已在TD-LTE擴大規(guī)模試驗網(wǎng)中的兩處測試地點開展了相關(guān)外場測試，測試場景均為密集城區(qū)。

2.1 上行MU-MIMO外場測試驗證

對上行MU-MIMO性能的測試主要包含雙終端吞吐量和小區(qū)吞吐量兩方面內(nèi)容。對雙終端吞吐量指標(biāo)的考察，意在對上行MU-MIMO技術(shù)開展定點測試，探究技術(shù)的優(yōu)勢區(qū)間；對小區(qū)吞吐量指標(biāo)的考察，意在小區(qū)整體性能的基礎(chǔ)上評估上行MU-MIMO的增益。

在雙終端吞吐量測試中，兩個終端分別按測試條件放置在小區(qū)中的極好點(SINR>22 dB)、好點(15 dB≤SINR≤20 dB)、中點(5 dB≤SINR≤10 dB)和差點(-5 dB≤SINR≤0 dB)等不同地理位置，分別考察雙終端在上行MU-MIMO功能開啟前后的雙終端定點吞吐量，以便評估上行MU-MIMO技術(shù)的優(yōu)勢區(qū)間。測試過程中，為便于考察雙終端配對時的信道條件，兩個終端將分別同時放置在極好點+極好點、好點+好點、中點+中點、差點+差點以及好點+中點、好點+差點、中點+差點，如圖3所示。下面將分別介紹這些測試條件下的測試結(jié)果。

圖3 上行MU-MIMO雙終端吞吐量測試條件

測試地點A開展的上行MU-MIMO雙終端吞吐量性能測試結(jié)果如圖4所示。由結(jié)果可見，位于極好點、好點、中點的用戶增益明顯，上行MU-MIMO開啟后雙終端吞吐量性能增益可達43%～69%；而位于差點的用戶（包含雙終端中其一位于差點的用戶），上行MU-MIMO開啟后雙終端的吞吐量性能增益較小。

不同地理位置的用戶所表現(xiàn)出的增益差異的根本原因在于上行MU-MIMO配對算法。上行MU-MIMO算法中以用戶為配對單位，當(dāng)兩個用戶配對成功后，基站將根據(jù)配對用戶整體的信道質(zhì)量進行調(diào)度，兩配對用戶的上行資源得到完全復(fù)用。當(dāng)且僅當(dāng)兩個潛在配對用戶同時達到以下配對條件時，基站才會對雙終端進行配對。配對條件介紹如下：

圖4 測試地點A上行MU-MIMO雙終端吞吐量性能

·潛在配對用戶的信道質(zhì)量達到一定門限；

·潛在配對用戶之間的空間隔離度（天線角度）達到一定要求；

·基站評估潛在配對用戶，確認兩個用戶配對后頻譜效率或吞吐量能夠得以提升，才予以配對。

對位于極好點、好點及中點的用戶，由于信道條件較好，因而較易達到配對所需的信道質(zhì)量門限要求，此時如果配對用戶間空間隔離度較好，基站則會進行配對。配對用戶在空間維度對同一時頻資源進行復(fù)用，使得雙終端吞吐量呈現(xiàn)大幅增長；對差點用戶或者有一個位于差點的兩個用戶而言，達到配對所需的信道質(zhì)量門限要求較難，或配對后受限于信道條件，難以獲得更多的調(diào)度資源，基站評估雙終端配對后反而會導(dǎo)致頻譜效率或吞吐量下降，從而配對成功率將大大下降。因而對差點用戶而言，上行MU-MIMO算法開啟后雙終端吞吐量沒有明顯增益。

圖5 測試地點B上行MU-MIMO雙終端吞吐量性能

測試地點B開展的上行MU-MIMO雙終端吞吐量性能測試結(jié)果如圖5所示。測試地點B的測試結(jié)果與測試地點A的結(jié)果呈現(xiàn)出相似的趨勢，原因是采取的上行MU-MIMO算法基本一致，對位于極好點、好點及中點處空間隔離度較好的用戶而言，由于信道條件利于用戶成功配對，因而上行MU-MIMO算法開啟后雙終端吞吐量會獲得較為明顯的增益；對差點用戶或有一個位于差點的兩個用戶而言，受限于信道質(zhì)量，配對成功率較低，雙終端吞吐量并沒有明顯增益。

為評估上行MU-MIMO對小區(qū)整體吞吐量性能的影響程度，需進一步開展小區(qū)吞吐量測試。在小區(qū)吞吐量測試中，共8部終端均勻分布在一個小區(qū)的極好點、好點、中點和差點等不同地理位置，如圖6所示，測試中需分別考察在上行MU-MIMO功能開啟前后的小區(qū)吞吐量性能。

測試地點A及測試地點B的小區(qū)吞吐量測試結(jié)果如圖7所示，在上行MU-MIMO算法開啟后，由于部分用戶進行上行多用戶復(fù)用配對，小區(qū)整體可用資源得到大幅提升，小區(qū)平均吞吐量增益在40%以上，與前期性能仿真預(yù)期基本一致。

綜合兩個測試地點的測試結(jié)果，上行MU-MIMO算法的優(yōu)勢區(qū)間主要在于極好點、好點和中點。處于這些位置的終端在MU-MIMO開啟后配對成功率較高，得益于配對用戶對時頻資源的復(fù)用，瞬時可用資源數(shù)量急劇增加，雙終端吞吐量增益可達39%～71%；從上行MU-MIMO對小區(qū)整體吞吐量性能的影響方面，上行MU-MIMO算法開啟后小區(qū)吞吐量增益在40%以上。

圖6 上行MU-MIMO小區(qū)吞吐量測試條件

圖7 上行MU-MIMO小區(qū)吞吐量性能

2.2 下行MU-MIMO外場測試驗證

因下行MU-MIMO功能需基于TM8模式開啟，而TM8模式的優(yōu)勢區(qū)間已形成明確結(jié)論，主要位于小區(qū)中點，因而下行MU-MIMO算法的定點吞吐量測試無需單獨開展，對下行MU-MIMO算法的性能評估將主要側(cè)重于小區(qū)吞吐量性能。

下行MU-MIMO小區(qū)吞吐量性能測試中，20部測試終端按照1∶2∶4∶3的比例放置在小區(qū)內(nèi)信道質(zhì)量條件不同的測試點，在極好點放置2部終端，在好點放置4部終端，在中點放置8部終端，在差點放置6部終端，測試條件如圖8所示，考察在TM3/8自適應(yīng)傳輸模式的基礎(chǔ)上下行MU-MIMO算法開啟前后的小區(qū)吞吐量性能。

測試地點A及測試地點B在空擾及鄰區(qū)業(yè)務(wù)70%加擾下的小區(qū)吞吐量性能測試結(jié)果如圖9所示。不論是在空擾還是在加擾情況下，下行MU-MIMO算法對下行小區(qū)吞吐量性能的提升程度都較為有限，在5%～8%，基本符合前期性能仿真預(yù)期，中點處用戶的下行吞吐量增益在14%～19%。下面就下行MU-MIMO算法實現(xiàn)方案和其中存在的問題做一簡單分析。

圖8 下行MU-MIMO小區(qū)吞吐量測試條件

圖9 下行MU-MIMO小區(qū)吞吐量性能

下行MU-MIMO算法中，用戶配對條件與上行MU-MIMO算法基本一致，除需考察配對用戶各自的信道條件及用戶間的空間隔離度外，基站還將評估潛在配對用戶在配對后頻譜效率或吞吐量是否能夠得以提升，如不能則不予配對。因而與上行MU-MIMO算法類似，信道質(zhì)量條件較差的用戶將難以成功配對。

與上行MU-MIMO算法不同之處在于，下行MU-MIMO算法的配對單位不是用戶，而是PRB級別的。因而在理想的算法實現(xiàn)方案中，某一個用戶下行所使用的不同PRB資源將可分別與其他符合配對條件的用戶的該部分下行PRB資源進行配對，因而從某一個用戶的下行資源使用角度而言，該用戶將根據(jù)各PRB的瞬時信道質(zhì)量，與多個用戶存在動態(tài)的下行資源配對關(guān)系。但基于目前主流系統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)算法的測試結(jié)果，僅有部分算法能夠達到以PRB為顆粒度的配對要求，其余部分算法仍以用戶為下行MU-MIMO配對單位，導(dǎo)致配對成功率降低，算法實現(xiàn)方案還有待優(yōu)化。

目前下行MU-MIMO算法產(chǎn)品實現(xiàn)中還存在一個問題，配對時篩選潛在用戶還僅限于在TM8單流用戶范圍內(nèi)，即基站目前僅能對TM8單流用戶進行下行MU-MIMO配對，使兩個TM8單流用戶復(fù)用同一下行時頻資源進行數(shù)據(jù)傳輸。在此情況下，下行MU-MIMO算法配對增益將受限于小區(qū)中TM8單流傳輸模式的比例。小區(qū)中TM8單流用戶主要位于中點和差點，但是差點用戶受限于信道質(zhì)量，配對成功率較低，因而主要的增益區(qū)間位于中點，這也正是測試中中點用戶下行吞吐量存在增益的原因。

但是目前設(shè)備實現(xiàn)中僅將TM8單流用戶作為下行MU-MIMO潛在配對用戶的方法是非常局限的，算法應(yīng)能將采用TM8雙流傳輸?shù)挠脩粢布{入潛在配對用戶范圍。因單用戶雙流用戶的兩流之間存在一定的干擾，且由于終端上行傳輸僅采用單一發(fā)射天線，無法對雙流信道條件進行準確估計，因而較單用戶雙流而言，下行雙流服務(wù)于空間隔離度較好的兩個用戶的MU-MIMO傳輸模式將存在一定的潛在增益。應(yīng)進一步優(yōu)化下行MU-MIMO算法實現(xiàn)方案，將TM8雙流單用戶情況也納入下行MU-MIMO潛在配對用戶范圍。

綜合而言，下行MU-MIMO算法對下行小區(qū)吞吐量性能的提升程度較為有限，下行小區(qū)吞吐量增益為5%～8%，算法的實現(xiàn)方案還存在以下局限性，仍需進一步優(yōu)化，如下：

·下行MU-MIMO算法配對顆粒度和相應(yīng)的下行預(yù)編碼顆粒度還有待提升，以便根據(jù)瞬時下行PRB資源的信道條件進行動態(tài)的配對選擇；

·下行MU-MIMO算法對潛在配對用戶的篩選還較為局限，應(yīng)將使用TM8雙流的用戶也納入潛在配對用戶范圍，可根據(jù)信道條件將雙流拆分為符合配對條件的兩個單用戶單流。

3 結(jié)束語

本文分別介紹了上行MU-MIMO算法和下行MU-MIMO算法在TD-LTE規(guī)模試驗網(wǎng)中的外場測試性能和算法實現(xiàn)，并指出了目前TD-LTE系統(tǒng)中MU-MIMO算法的實現(xiàn)問題。

上行MU-MIMO算法的優(yōu)勢區(qū)間位于小區(qū)信道質(zhì)量條件較好的極好點、好點和中點，算法開啟后雙終端定點吞吐量可提升39%～71%；當(dāng)用戶平均分布在小區(qū)信道質(zhì)量不同的測試點時，小區(qū)上行吞吐量增益在40%以上。由分析可見，上行MU-MIMO算法應(yīng)重點部署在信道質(zhì)量條件較好的區(qū)域，通過引入多用戶對上行資源的復(fù)用，有效提升小區(qū)吞吐量。

與TM3/8自適應(yīng)模式相比，下行MU-MIMO算法對小區(qū)下行吞吐量的提升程度較為有限，小區(qū)吞吐量增益在5%～8%。目前下行MU-MIMO算法的實現(xiàn)方案還不夠完善，在配對資源顆粒度和配對用戶的篩選方面還存在算法優(yōu)化的空間，需要進一步完善實現(xiàn)方案。

1 3GPP TS 36.211.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation,2008

2 Zhou S L,Giannakis G B.Optimal transmitter eigen-beamforming and space-time block coding based on channel correlations.IEEE Transactions on Information Theory,2003,49(7):1673～1690

3 Jia Liu,Krzymien W A.A novel nonlinear joint transmitter-receiver processing algorithm for the downlink of multiuser MIMO systems.IEEE Transactions on Vehicular Technology,2008,57(4):2189～2204

4 Spencer Q H,Swindlehurst A L,Haardt M.Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing in multiuser MIMO channels.IEEE Transactions on Signal Processing,2004,52(2):461～471