TD-LTE雙流波束賦形天線技術創(chuàng)新

雙流波束賦形技術是TD-LTE的多天線增強型技術，是TD-LTE建網(wǎng)的主流技術，結合了智能天線波束賦形技術與MIMO空間復用技術，是中國移動和大唐移動共同創(chuàng)新的成果，也是中國通信產(chǎn)業(yè)技術能力的體現(xiàn)。

一、8天線雙流波束賦形技術引入需求分析

多天線技術是天線技術發(fā)展趨勢，現(xiàn)有TD-SCDMA已經(jīng)引入了8天線，TD- LTE也引入了8發(fā)2收的天線配置，到LTE-A則將引入8發(fā)8收的天線配置。

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

1． 系統(tǒng)平滑演進需求

目前，TD-SCDMA網(wǎng)絡正在全國迅速鋪開。與此同時，TD-SCDMA演進技術 TD-LTE也被提上了未來移動通信網(wǎng)絡建設發(fā)展的日程。如何在進行TD-SCDMA網(wǎng)絡建設的同時保證能夠向TD-LTE實現(xiàn)平滑演進已經(jīng)成為了運營商和設備供應商共同關注的焦點問題。

出于系統(tǒng)平滑演進的考慮，大唐移動提出了產(chǎn)品設備共平臺設計的解決方案，有效的保護網(wǎng)絡建設現(xiàn)有投資，保證網(wǎng)絡升級的快速便捷。在主設備實現(xiàn)平滑演進的同時，從節(jié)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)絡已部署的天線系統(tǒng)不變，且可以在TD-LTE中繼續(xù)使用。為實現(xiàn)天線系統(tǒng)的平滑演進，TD-SCDMA網(wǎng)絡中進行宏覆蓋主要采用的8天線，需要在TD- LTE網(wǎng)絡中繼續(xù)使用。

2． 技術演進需求

波束賦形技術是一種基于小間距天線陣列的線性預處理技術，能夠根據(jù)用戶的信道特性進行波束賦形，具有擴大覆蓋、提高系統(tǒng)容量、降低干擾的能力。作為TD-SCDMA的核心技術，波束賦形技術已在中國移動3G網(wǎng)絡中廣泛使用。

在LTE技術規(guī)范 Release 8版本中，引入了單流波束賦形技術，對于提高小區(qū)平均吞吐量及邊緣吞吐量、降低小區(qū)間干擾有著重要作用。但是，面對LTE Release 9以及LTE-Advanced系統(tǒng)的更高速率需求，有必要對波束賦形技術加以擴展。以LTE定義的最大發(fā)天線數(shù)8天線為例，由多天線理論可知，8×2天線系統(tǒng)的單用戶MIMO至多可以同時傳輸兩個數(shù)據(jù)流，這就意味著LTE Release 8規(guī)范中的單流波束賦形技術并沒有充分開發(fā)信道容量。根據(jù)信道容量相關理論可知，信道容量為信噪比的對數(shù)函數(shù)，隨著信噪比提升，容量增加趨勢越來越緩；在高信噪比情況下，將某個數(shù)據(jù)流的功率降低一半并不會導致該數(shù)據(jù)流容量大幅降低，此種情況利用另一半功率來發(fā)送一個新的數(shù)據(jù)流將會極大地提升傳輸容量。

為滿足TD-LTE系統(tǒng)中使用8天線以及擴展波束賦形技術以提升容量的需求，中國移動和大唐移動共同推出了采用8天線配置的雙流波束賦形技術。

二、雙流波束賦形技術介紹

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（即單流波束賦形技術）和MIMO空間復用技術的有效結合，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，同時可有效提升小區(qū)中心用戶的吞吐量。

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。

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，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．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。

3． 標準進展

雙流波束賦形技術的標準化進程是中國移動和大唐移動共同努力推動的過程。

2007~2008年，中國移動和大唐移動在IMT-Advanced技術組和標準子組上分別提交了關于雙流波束賦形技術的整體解決方案，都獲得了通過。

在3GPP雙流波束賦形技術立項之前，大唐移動從2008年6月開始在LTE- Advanced（Release 10）技術范圍內(nèi)開始推動該技術。

2009年3月，雙流波束賦形技術在3GPP完成立項，相關標準化工作在RAN 1展開討論。

2009年12月，雙流波束賦形技術的標準化工作已經(jīng)基本完成，相關協(xié)議規(guī)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相關標準內(nèi)容，目前僅剩下射頻相關指標未完成標準化，預計會在2010年一季度完成。

4． 具體實現(xiàn)

4+4雙極化天線是一種典型的8天線形態(tài)，其天線形態(tài)適合使用雙流波束賦形技術。 TD-SCDMA現(xiàn)有網(wǎng)絡中的4+4雙極化天線支持F+A+E頻段，若今后在此頻段內(nèi)支持TD-LTE，則現(xiàn)有4+4雙極化天線可以實現(xiàn)由TD- SCDMA向TD-LTE的平滑演進，可在TD-LTE系統(tǒng)中繼續(xù)使用。

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

5． 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，可以有效的增加空間隔離度，降低數(shù)據(jù)流之間的干擾。

大唐移動提出TD-LTE的組網(wǎng)方案如圖所示。利用4+4雙極化天線，使用雙流波束賦形技術實現(xiàn)室外宏小區(qū)覆蓋。采用1+1雙極化天線進行室外街道站的覆蓋，作為宏覆蓋的補盲。在室內(nèi)采用2×2 MIMO進行微小區(qū)覆蓋。

三、8天線雙流波束賦形技術優(yōu)勢

1． 系統(tǒng)吞吐量提升，構建高品質(zhì)TD-LTE網(wǎng)絡

雙流波束賦形技術可以有效的提高TD-LTE系統(tǒng)的吞吐量性能。相比于TD-LTE 的基本天線配置方式 2×2 MIMO，采用8×2雙流波束賦形技術在扇區(qū)吞吐量和邊緣吞吐量都有較大提升。根據(jù)IMT-Advanced的評估結果可知，8天線雙流波束賦形相比于2 天線MIMO扇區(qū)吞吐量最大提升約80%，邊緣吞吐量最大提升約130%。

2． 小區(qū)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天線的覆蓋能力受限于上行業(yè)務信道。根據(jù)仿真評估，以上行業(yè)務信道邊緣速率64Kbps為前提，TD-LTE 8天線的小區(qū)覆蓋半徑約為TD-LTE 2天線的2倍。相比于TD-LTE 2天線的網(wǎng)絡建設，8天線的使用有效降低了TD-LTE站點數(shù)量，降低了TD-LTE建網(wǎng)CAPEX。

TD-LTE采用8天線的覆蓋半徑與TD-SCDMA覆蓋半徑相當，可以實現(xiàn)與 TD-SCDMA共覆蓋、共站址。在TD-SCDMA向TD-LTE平滑演進的過程中，現(xiàn)有的站址、天饋系統(tǒng)等資源都可以復用，進一步降低TD-LTE建網(wǎng)CAPEX。

根據(jù)TD-SCDMA網(wǎng)絡建設經(jīng)驗可知，實際建網(wǎng)時的單站覆蓋半徑可能只有500米甚至更小。以TD-SCDMA實際覆蓋半徑作為TD-LTE的覆蓋評估前提，分析TD-LTE 2天線和8天線的覆蓋性能。
根據(jù)仿真評估可知，TD-LTE 8天線可以有效的改善受限問題，在提高邊緣速率的同時，有效地擴大覆蓋半徑。

TD-LTE 2天線和8天線覆蓋能力分析如上圖所示。當覆蓋半徑為500米時，TD-LTE 8天線的上行邊緣速率為500kbps，2天線的上行邊緣速率為64Kbps?？芍?，在實現(xiàn)與TD-SCDMA實際覆蓋半徑相同時，TD-LTE 8天線的邊緣速率相對于TD-LTE 2天線有明顯優(yōu)勢，而TD-LTE 2天線的邊緣速率相比于TD-SCDMA卻并沒有明顯提高。TD-LTE 2天線若要實現(xiàn)500kbps的邊緣速率，其覆蓋半徑只有280米左右，無法實現(xiàn)與TD-SCDMA系統(tǒng)的共站址、共覆蓋。

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

四、大唐移動率先發(fā)布雙流波束賦形技術

2009年12月，大唐移動在大唐電信集團北京總部舉行了以“創(chuàng)新技術，成就夢想” 為主題的TD-LTE新技術發(fā)布會，在業(yè)內(nèi)率先發(fā)布雙流波束賦形技術，建設了TD-LTE演示網(wǎng)，進行了8天線雙流波束賦形技術的性能演示。

TD-LTE發(fā)布會演示網(wǎng)，其覆蓋范圍是北京市海淀區(qū)學院路從學院橋到學知橋的路段。具體演示方案是在演示車的行駛過程中，隨著實時信道環(huán)境的變化，體驗TD-LTE 8天線雙流波束賦形技術相比于2天線MIMO技術的吞吐量性能優(yōu)勢。

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

五、結束語

8天線雙流波束賦形技術的引入，為實現(xiàn)TD-SCDMA系統(tǒng)向TD-LTE系統(tǒng)的平滑演進提供了技術保障。其有效提升吞吐量和邊緣覆蓋的性能優(yōu)勢也使其成為TD-LTE創(chuàng)新技術中備受關注的亮點。