TD—LTE TM8傳輸模式分析

郭建光+王宇欣+孫占委

【摘 要】針對TD-LTE R9階段新增加的TM8技術，從原理分析上給出了TM8的實現(xiàn)基本原理以及相較于TM3/TM7等傳輸模式的優(yōu)缺點。結(jié)合實際測試情況，分析了TM8在現(xiàn)網(wǎng)中的性能，并對提高單用戶吞吐量、提升小區(qū)吞吐量、抗小區(qū)間干擾等方面進行了詳細的對比分析，同時給出了TM8的應用建議。

【關鍵詞】TD-LTE MIMO TM8 雙流波束賦形

1 引言

TD-LTE在R9階段新增了雙流波束賦形技術，共八種傳輸模式，每種模式對應了不同的MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）傳輸形式，其中模式7、模式8又是針對TDD系統(tǒng)所特有的波束賦形技術[1]，模式7的波束賦形技術在一階段測試時，已經(jīng)較為充分地驗證了其性能的優(yōu)越性。針對邊緣用戶以及無線環(huán)境不理想的情況下，TM7（單流波束賦形）對于改善無線環(huán)境、提高用戶感知、提升小區(qū)的整體吞吐量有著較為重要的作用。TM3（開環(huán)空間復用）目前采用的2*2MIMO，可以針對同一個用戶傳輸雙流，理論上翻倍地提高了單用戶的峰值吞吐量，直接體現(xiàn)了TD-LTE系統(tǒng)的性能優(yōu)越性[2]。正是基于此，TM8（雙流波束賦形）同時取納了開環(huán)空間復用與單流波束賦形的優(yōu)點，將空間復用與波束賦形有機地結(jié)合起來，這樣在改善無線環(huán)境的同時又能盡量合理地提高用戶的吞吐量。

2 TM8原理簡介

雙流波束賦形技術應用于信號散射體比較充分的條件下，是智能天線波束賦形技術和MIMO空間復用技術的有效結(jié)合，在TD-LTE系統(tǒng)中，利用TDD信道的對稱性，同時傳輸兩個賦形數(shù)據(jù)流來實現(xiàn)空間復用，并且能夠保持傳統(tǒng)單流波束賦形技術廣覆蓋、提高小區(qū)容量和減少干擾的特性，既可以提高邊緣用戶的可靠性，還能有效提升小區(qū)中心用戶的吞吐量[3]。

根據(jù)多天線理論可知，接收天線數(shù)不能小于空間復用的數(shù)據(jù)流數(shù)。8天線雙流波束賦形技術的使用，接收端至少需要有2根天線。根據(jù)調(diào)度用戶的情況不同，雙流波束賦形技術可以分為單用戶雙流波束賦形技術和多用戶雙流波束賦形技術。

2.1 單用戶

單用戶雙流波束賦形技術：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(jù)上行信道信息計算兩個賦形矢量，利用該賦形矢量對要發(fā)射的兩個數(shù)據(jù)流進行下行賦形。采用單用戶雙流波束賦形技術，使得單個用戶在某一時刻可以進行兩個數(shù)據(jù)流傳輸，同時獲得賦形增益和空間復用增益，從而可以獲得比單流波束賦形技術更大的傳輸速率，進而提高系統(tǒng)容量。

2.2 多用戶

多用戶雙流波束賦形技術：基站根據(jù)上行信道信息或者UE反饋的結(jié)果進行多用戶匹配，多用戶匹配完成后，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UE、每一個流進行賦形。

多用戶雙流波束賦形技術利用了智能天線的波束定向原理，實現(xiàn)多用戶的空分多址。

2.3 應用場景

8天線雙流波束賦形技術是TD-LTE建網(wǎng)的主要技術，應用于室外場景的宏小區(qū)覆蓋，可以有效地增加空間隔離度，降低數(shù)據(jù)流之間的干擾。利用4+4雙極化天線，使用雙流波束賦形技術可實現(xiàn)室外宏小區(qū)覆蓋。

2.4 雙流波束賦形的參考信號時頻圖

LTE R9版本中對于DM-RS（Demodulation Reference Signal，解調(diào)參考信號）參考信號的引入不是R8解調(diào)參考信號的簡單延伸，而是一個新的結(jié)構(gòu)。如果基于R8的DM-RS結(jié)構(gòu)，將難以實現(xiàn)，因而R9版本引入了一個新的、更加面向未來的結(jié)構(gòu)，而不是擴展R8結(jié)構(gòu)以支持兩個參考信號。如圖1所示，在雙流波束賦形的傳輸模式下，采用12個資源塊對的參考信號，這12個資源塊均為兩個參考信號所用，參考信號之間的干擾是通過給連續(xù)的參考符號對使用相互正交的模式來處理，即正交覆蓋代碼（OCC），除了相互正交的模式，還可以給這些參考符號使用一個偽隨機序列[4]。該序列對這兩個參考信號相同，因此不會影響傳輸參考信號之間的正交性。相反，偽隨機序列是為了在所謂的MU-MIMO傳輸?shù)那闆r下區(qū)分給不同終端的解調(diào)參考。

3 TM8性能探討

3.1 提高單用戶吞吐量

雙流波束賦形既采用了雙流來提高吞吐量，又采用了波束賦形來抗干擾。由于賦形技術更適合邊緣用戶，因此相較于開環(huán)空間復用，雙流波束賦形更適合應用于中點、差點等相關位置。如圖2所示：

分別定義好點、中點、差點的SINR范圍，為了使對比更加明顯，在好點、中點、差點分別采用開環(huán)空間復用（TM3）和雙流波束賦形（TM8）對單個用戶的吞吐量進行測量。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，在好點，TM3的性能與TM8相差無幾，基本持平；在中點以及差點，TM8的賦形增益逐漸較好地體現(xiàn)出來，由部分實驗結(jié)果可知，在中點TM8較TM3的性能提升約40%，在差點TM8的性能體現(xiàn)得更為明顯，性能提升約70%。

以上分析均為TM8相較于TM3的性能體現(xiàn)，下面對比一下TM8相較于TM7的性能優(yōu)劣，如圖3所示：

由圖3分析可以得出，TM8相較于TM7在好點、中點、差點的性能增益的提高趨勢，與TM8跟TM3的增益趨勢截然相反。在好點TM3的增益較TM7約為50%，在中點約為25%，在差點TM8的性能與TM7相差無幾，基本持平。歸其原因，筆者認為：在好點，由于TM8大多采用了雙流，速率會成倍提高；在中點，由于信道環(huán)境不如好點理想，因而TM8雙流與單流均有采用，但整體上會比單流波束賦形速率高；在差點，TM8也大多采用單流，所以與TM7的性能基本持平。

綜合各種相關因素，筆者認為TM8更適合應用于無線環(huán)境較好的中點環(huán)境，相較于TM3、TM7兩種常采用的傳輸模式，性能均有較大提升，從而整體上提高用戶的感知。

3.2 提升小區(qū)吞吐量endprint

對于小區(qū)吞吐量的提升效果驗證，通過在全小區(qū)采用開環(huán)空間復用（TM3）、全小區(qū)采用單流波束賦形（TM7）、全小區(qū)采用模式3/7自適應、全小區(qū)采用TM8四種情況下進行對比測試。測試條件均為單小區(qū)20MHz帶寬，2：2時隙配置。如圖4所示：

由圖4可見，TM3、TM7以及TM3/7自適應三種情況下，各自對應的小區(qū)吞吐量為TM3/7自適應最高、TM3次之、TM7最低。同時也印證了模式自適應較固定模式的優(yōu)勢，由于TM7始終為單流，因而小區(qū)吞吐量最低。這三種情況相較于TM8模式，無論是小區(qū)采用開環(huán)空間復用還是單流波束賦形的小區(qū)吞吐量均不如雙流波束賦形的高，TM8對于小區(qū)吞吐量的抬升較為明顯。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，TM8對于小區(qū)吞吐量的提升有10%～30%的增益。

3.3 雙流波束賦形抗小區(qū)間干擾

雙流波束賦形由于其賦形特性，對于小區(qū)邊緣用戶間的干擾具有很強的協(xié)調(diào)作用，從而降低了小區(qū)間的干擾。對于小區(qū)間的干擾直接體現(xiàn)為SINR指標的抬升，如圖5所示：

可以推知在全網(wǎng)平均SINR值以及邊緣用戶的SINR平均值，TM8模式均較TM7、TM3兩種模式的性能有所提升，從而優(yōu)化了全網(wǎng)的無線環(huán)境，實現(xiàn)小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)作用。

4 總結(jié)

結(jié)合上述分析結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，雙流波束賦形技術無論是在技術實現(xiàn)原理層面還是在現(xiàn)網(wǎng)的實驗結(jié)果層面，均有一定的技術優(yōu)勢，尤其是對于單用戶小區(qū)吞吐量的抬升、全網(wǎng)吞吐量的抬升以及無線環(huán)境的優(yōu)化和抗干擾方面均有其自身特點。因此，雙流波束賦形是R9階段TD-LTE不可或缺的一項創(chuàng)新，為推動TD-LTE技術的發(fā)展起著較為重要的作用。

參考文獻：

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

[2] 王映民，孫韶輝. TD-LTE技術原理與系統(tǒng)設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2010.

[3] 郭建光，李壽鵬. TD-LTE傳輸模式性能分析[A]. 2011 TD-LTE網(wǎng)絡創(chuàng)新研討會論文集[C]. 2011.

[4] Erik Dahlman. 4G移動通信技術權威指南[M]. 堵久輝，繆慶育，譯. 北京： 人民郵電出版社， 2012.

[5] 蔣遠，湯利民. TD-LTE原理與網(wǎng)絡規(guī)劃設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2012.★endprint

對于小區(qū)吞吐量的提升效果驗證，通過在全小區(qū)采用開環(huán)空間復用（TM3）、全小區(qū)采用單流波束賦形（TM7）、全小區(qū)采用模式3/7自適應、全小區(qū)采用TM8四種情況下進行對比測試。測試條件均為單小區(qū)20MHz帶寬，2：2時隙配置。如圖4所示：

由圖4可見，TM3、TM7以及TM3/7自適應三種情況下，各自對應的小區(qū)吞吐量為TM3/7自適應最高、TM3次之、TM7最低。同時也印證了模式自適應較固定模式的優(yōu)勢，由于TM7始終為單流，因而小區(qū)吞吐量最低。這三種情況相較于TM8模式，無論是小區(qū)采用開環(huán)空間復用還是單流波束賦形的小區(qū)吞吐量均不如雙流波束賦形的高，TM8對于小區(qū)吞吐量的抬升較為明顯。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，TM8對于小區(qū)吞吐量的提升有10%～30%的增益。

3.3 雙流波束賦形抗小區(qū)間干擾

雙流波束賦形由于其賦形特性，對于小區(qū)邊緣用戶間的干擾具有很強的協(xié)調(diào)作用，從而降低了小區(qū)間的干擾。對于小區(qū)間的干擾直接體現(xiàn)為SINR指標的抬升，如圖5所示：

可以推知在全網(wǎng)平均SINR值以及邊緣用戶的SINR平均值，TM8模式均較TM7、TM3兩種模式的性能有所提升，從而優(yōu)化了全網(wǎng)的無線環(huán)境，實現(xiàn)小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)作用。

4 總結(jié)

結(jié)合上述分析結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，雙流波束賦形技術無論是在技術實現(xiàn)原理層面還是在現(xiàn)網(wǎng)的實驗結(jié)果層面，均有一定的技術優(yōu)勢，尤其是對于單用戶小區(qū)吞吐量的抬升、全網(wǎng)吞吐量的抬升以及無線環(huán)境的優(yōu)化和抗干擾方面均有其自身特點。因此，雙流波束賦形是R9階段TD-LTE不可或缺的一項創(chuàng)新，為推動TD-LTE技術的發(fā)展起著較為重要的作用。

參考文獻：

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

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[4] Erik Dahlman. 4G移動通信技術權威指南[M]. 堵久輝，繆慶育，譯. 北京： 人民郵電出版社， 2012.

[5] 蔣遠，湯利民. TD-LTE原理與網(wǎng)絡規(guī)劃設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2012.★endprint

對于小區(qū)吞吐量的提升效果驗證，通過在全小區(qū)采用開環(huán)空間復用（TM3）、全小區(qū)采用單流波束賦形（TM7）、全小區(qū)采用模式3/7自適應、全小區(qū)采用TM8四種情況下進行對比測試。測試條件均為單小區(qū)20MHz帶寬，2：2時隙配置。如圖4所示：

由圖4可見，TM3、TM7以及TM3/7自適應三種情況下，各自對應的小區(qū)吞吐量為TM3/7自適應最高、TM3次之、TM7最低。同時也印證了模式自適應較固定模式的優(yōu)勢，由于TM7始終為單流，因而小區(qū)吞吐量最低。這三種情況相較于TM8模式，無論是小區(qū)采用開環(huán)空間復用還是單流波束賦形的小區(qū)吞吐量均不如雙流波束賦形的高，TM8對于小區(qū)吞吐量的抬升較為明顯。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，TM8對于小區(qū)吞吐量的提升有10%～30%的增益。

3.3 雙流波束賦形抗小區(qū)間干擾

雙流波束賦形由于其賦形特性，對于小區(qū)邊緣用戶間的干擾具有很強的協(xié)調(diào)作用，從而降低了小區(qū)間的干擾。對于小區(qū)間的干擾直接體現(xiàn)為SINR指標的抬升，如圖5所示：

可以推知在全網(wǎng)平均SINR值以及邊緣用戶的SINR平均值，TM8模式均較TM7、TM3兩種模式的性能有所提升，從而優(yōu)化了全網(wǎng)的無線環(huán)境，實現(xiàn)小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)作用。

4 總結(jié)

結(jié)合上述分析結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，雙流波束賦形技術無論是在技術實現(xiàn)原理層面還是在現(xiàn)網(wǎng)的實驗結(jié)果層面，均有一定的技術優(yōu)勢，尤其是對于單用戶小區(qū)吞吐量的抬升、全網(wǎng)吞吐量的抬升以及無線環(huán)境的優(yōu)化和抗干擾方面均有其自身特點。因此，雙流波束賦形是R9階段TD-LTE不可或缺的一項創(chuàng)新，為推動TD-LTE技術的發(fā)展起著較為重要的作用。

參考文獻：

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[5] 蔣遠，湯利民. TD-LTE原理與網(wǎng)絡規(guī)劃設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2012.★endprint