1 引言

日前，上海貝爾股份有限公司參加工業(yè)和信息化部和中國移動共同組織的多項實(shí)驗室和外場驗證及測試，并首批成功完成了該測試。作為第一批成功完成該項測試的廠商之一，上海貝爾將為中國移動在上海開展的大規(guī)模4G TD-LTE試驗網(wǎng)部署項目提供端到端LTE解決方案。

大規(guī)模外場測試在真實(shí)環(huán)境下布網(wǎng)，邊界條件復(fù)雜，與實(shí)驗室環(huán)境有諸多不同。TD-LTE技術(shù)采用多天線的發(fā)射接收技術(shù)，利用不同的傳輸模式來適配復(fù)雜的自然環(huán)境從而達(dá)到性能最優(yōu)。在LTE系統(tǒng)的研發(fā)過程中，經(jīng)過幾年的摸索與實(shí)踐，上海貝爾阿爾卡特朗訊公司積累了眾多經(jīng)驗。

下面以大規(guī)模試驗網(wǎng)絡(luò)需要的布網(wǎng)技術(shù)角度，對幾種MIMO的原理及應(yīng)用場景進(jìn)行描述，對波束賦形的天線模式、物理層過程、波束賦形在TD-LTE基站系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)和原理以及幾種波束賦形算法的特點(diǎn)和應(yīng)用場景進(jìn)行介紹與分析。

在LTE(Long Term Evolution，長期演進(jìn)技術(shù))標(biāo)準(zhǔn)中，被采納的MIMO技術(shù)主要包括發(fā)送分集、空分復(fù)用、波束賦形等。其中基于用戶專用參考信號的下行波束賦形技術(shù)能夠利用時分復(fù)用LTE(TD-LTE)系統(tǒng)中的上/下行信道的互易性，針對單個用戶進(jìn)行動態(tài)的波束賦形，從而有效提高傳輸速率和增強(qiáng)小區(qū)邊緣覆蓋性能。這些都在阿爾卡特朗訊的解決方案中得到了驗證。本文對此進(jìn)行了總結(jié)，對真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)部署有參考意義。

2 TD-LTE MIMO應(yīng)用場景

在本次中國移動大規(guī)模外場測試主要選用以下3種MIMO技術(shù)適配不同的應(yīng)用場景。

2.1 發(fā)射分集(Tx Diversity)

LTE的多天線發(fā)送分集技術(shù)選用SFBC(Space Frequency Block Code)作為基本發(fā)送技術(shù)，在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減少由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號錯誤率。SFBC通過在發(fā)射端增加信號的冗余度，使信號在接收端獲得分集增益。發(fā)射分集方案不能提高數(shù)據(jù)率。

LTE采用的SFBC技術(shù)對編碼矩陣進(jìn)行了改進(jìn)，能保證在有天線損壞的情況下也可以正常傳輸，傳輸數(shù)據(jù)更為簡單，圖1為SFBC發(fā)送端基本框圖。


     圖1 SFBC發(fā)送端基本框圖

對發(fā)射信號以發(fā)送分集進(jìn)行傳輸可以獲得額外的分集增益和編碼增益，從而可以在信噪比相對較小的無線環(huán)境下使用高階調(diào)制方式，但無法獲取空間并行信道帶來的速率紅利。空時編碼技術(shù)在無線相關(guān)性較大的場合也能很好地發(fā)揮效能。SFBC可以較普遍地應(yīng)用于表1所示場景。

表1 SFBC應(yīng)用場景

    

發(fā)送分集發(fā)射方式對信道條件要求不高，對SNR，信道相關(guān)性，移動速度均不敏感。但是該發(fā)射方式無法獲取空間并行信道帶來的速率紅利，發(fā)送分集方案不能提高數(shù)據(jù)率。當(dāng)信道間相關(guān)性大且SNR較低或移動速度過高情況下(對應(yīng)無線信道條件差)，會考慮切換到發(fā)送分集的發(fā)射方案，例如信道惡化的場景下。當(dāng)信道處于理想狀態(tài)或信道間相關(guān)性小時，發(fā)射端采用空分復(fù)用的發(fā)射方案，例如密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋高SNR條件等場景。

2.2 空分復(fù)用技術(shù)(Spatial Multiplexing)

空分復(fù)用技術(shù)是在發(fā)射端發(fā)射相互獨(dú)立的信號，接收端采用干擾抑制的方法進(jìn)行解碼，此時的理論空口信道容量隨著收發(fā)端天線對數(shù)量的增加而線性增大，從而能夠顯著提高系統(tǒng)的傳輸速率。

空分復(fù)用允許在同一個下行資源塊上傳輸不同的數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流可以來自于一個用戶(單用戶MIMO/SU-MIMO)，也可以來自多個用戶(多用戶MIMO/MU-MIMO)。單用戶MIMO可以增加一個用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率，多用戶MIMO可以增加整個系統(tǒng)的容量(見圖2)。


     圖2 空間復(fù)用基本框圖

空分復(fù)用能最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益，在信噪比較小時使用可能無法使用高階調(diào)制方式。

無線信號在密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境中會頻繁反射，使得多個空間信道之間的衰落特性更加獨(dú)立，從而使得空分復(fù)用的效果更加明顯。無線信號在市郊、農(nóng)村地區(qū)多徑分量少，各空間信道之間的相關(guān)性較大，因此空分復(fù)用的效果要差許多。

無線信號在密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境中會頻繁反射，使得多個空間信道之間的衰落特性更加獨(dú)立，從而使得空分復(fù)用的效果更加明顯。對于適用于密集城區(qū)地區(qū)的MIMO應(yīng)用，可以用OpenLoop MIMO和CloseLoop MIMO兩種MIMO模式選擇，其中CloseLoop MIMO對環(huán)境要求較高，由于擁有PMI/RI的反饋調(diào)整，其數(shù)據(jù)可靠性較強(qiáng)，對于OpenLoop MIMO，其健壯性較強(qiáng)，對SNR要求和信道相關(guān)性要求不如前者嚴(yán)格(見表2，表3)。無線信號在市郊、農(nóng)村地區(qū)多徑分量少，各空間信道之間的相關(guān)性較大，因此空間復(fù)用的效果要差許多。

表2 CL-MIMO應(yīng)用場景
    

表3 OL-MIMO應(yīng)用場景
    

2.3 波束賦形(Beam Forming)

波束成型技術(shù)又稱為智能天線，通過對多根天線輸出信號的相關(guān)性進(jìn)行相位加權(quán)，使信號在某個方向形成同相疊加，在其他方向形成相位抵消，從而實(shí)現(xiàn)信號的增益。系統(tǒng)發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時(例如TDD系統(tǒng))，系統(tǒng)會根據(jù)信道狀態(tài)調(diào)整每根天線發(fā)射信號的相位(數(shù)據(jù)相同)，以保證在目標(biāo)方向達(dá)到最大的增益；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射端不知道信道狀態(tài)時，可以采用隨機(jī)波束成形的方法實(shí)現(xiàn)多用戶分集(見圖3)。



圖3 定向智能天線的信號仿真效果

系統(tǒng)發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時(例如TDD系統(tǒng))，系統(tǒng)會根據(jù)信道狀態(tài)調(diào)整每根天線發(fā)射信號的相位，以保證在目標(biāo)方向達(dá)到最大的增益。

波束成型技術(shù)在能夠獲取信道狀態(tài)信息時，可以實(shí)現(xiàn)較好的信號增益及干擾抑制使的小區(qū)邊緣性能提升(見表4)。波束成型技術(shù)不適合密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境，由于反射的原因，接收端會收到太多路徑的信號，導(dǎo)致相位疊加的效果不佳。

表4 波束成型應(yīng)用場景
    

波束賦形技術(shù)對環(huán)境要求嚴(yán)格，不適用于密集城區(qū)。在阿爾卡特朗訊的LTE-TDD的系統(tǒng)方案中，針對波束賦形技術(shù)能夠適配的場景的無線信道情況不同，應(yīng)用不同的波束賦形算法，從而獲得最大的增益與健壯性，達(dá)到性能最優(yōu)。下面對阿爾卡特方案中的幾種典型的算法做簡單的介紹。

(1)per-RB-MRT(窄帶加權(quán))

per-RB-MRT是基于EBB(Eigen Beam Forming，SEBB)波束賦形算法的一個子類；利用對每個子載波/資源塊瞬時信道狀態(tài)信息的特征值分解成對應(yīng)的下行波束加權(quán)向量。

可適用于角度擴(kuò)展比較大的應(yīng)用場合(如城區(qū)微小區(qū)覆蓋、基站天線架設(shè)不太高的場合)；復(fù)雜度高；在信道移動性較低，信道估計質(zhì)量較好的情況下，可以獲得最優(yōu)的波束賦形增益；在移動性較高，信道估計交差的情況下，性能不是很健壯。

(2)Full-BW-EBB算法(寬帶加權(quán))

Full-BW-EBB是基于EBB波束賦形算法的另一個子類，利用對每個子載波/資源塊的瞬時信道狀態(tài)信息“統(tǒng)計特性”的特征值分解形成對應(yīng)的下行波束賦形的加權(quán)向量。

可適用于角度擴(kuò)展較大的應(yīng)用場合；復(fù)雜度低于基于MRT的波束成形；在信道移動性較低，信道估計質(zhì)量較好的情況下，相對于基于MRT的波束成形可獲得的波束賦形增益較低；在信道移動性較高、信道估計質(zhì)量較差的情況下，性能比較健壯。

(3)DOA算法(基于到達(dá)方向估計)

DOA基于對用戶信號到達(dá)方向的估計形成下行波束賦形的加權(quán)向量。

適用于具有視距路徑(Line Of Sight，LOS)或角度擴(kuò)展(Angle Spread，AS)較小的應(yīng)用場合(如郊區(qū)宏小區(qū)覆蓋、基站天線架設(shè)較高的場合)，獲得高的波束賦形增益；復(fù)雜度較低；對于角度擴(kuò)展較大的應(yīng)用場合，有效性不高。

2.4 應(yīng)用場景

大規(guī)模外場測試中無線通信環(huán)境邊界條件復(fù)雜，布網(wǎng)期間眾多因素均可導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的差異，應(yīng)該依照不同的邊界環(huán)境具體權(quán)衡與選擇(見圖4)。阿爾卡特朗訊也做了大量的針對各種場景的仿真與測試工作，力求提高其健壯性以適應(yīng)復(fù)雜場景。


     圖4 MIMO多種模式的切換門限考慮

MIMO的幾種模式分別適用于不同的場景，按照切換的邊界件來分，從離城市中心到郊區(qū)以及小區(qū)邊緣，分別可以用如下傳輸方式布網(wǎng)：離基站比較近、信號較強(qiáng)、靠近市中心、多徑衰落較強(qiáng)的城市中心地區(qū)，可以使用傳輸模式4(CL-MIMO)，由于有閉環(huán)的RI/PMI反饋，其速率穩(wěn)定、誤碼率較低，可以獲得多天線增益，但是對邊界條件要求比較嚴(yán)格；如果環(huán)境較為惡劣，SNR較低，信道相關(guān)性稍低，可以適應(yīng)傳輸模式3(OL-MIMO)方式；在城市郊區(qū)較為開闊、信道相關(guān)性較高的郊區(qū)地區(qū)，依照速度的不同，選擇對應(yīng)算法的Beam Forming算法(傳輸模式7)。以上各種模式均可切換成發(fā)射分集模式，發(fā)射分集模式的健壯性強(qiáng)，對速度、信道環(huán)境與SNR要求均不高，但是無法產(chǎn)生多天線速率增益，只可以享受由于多天線并行傳輸帶來的分集增益。

LTE-TDD外場大規(guī)模布網(wǎng)，信道邊界條件復(fù)雜，使用不同的傳輸技術(shù)以適配不同的應(yīng)用場景尤為重要。如果選擇不當(dāng)，不僅不能達(dá)到網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)，而且會造成網(wǎng)絡(luò)干擾加大等惡劣影響。阿爾卡特朗訊在長期的研發(fā)與測試過程中，通過多種技術(shù)來適配各種不同的無線應(yīng)用場景，每種技術(shù)在相應(yīng)的場景下能有效地提高其數(shù)據(jù)健壯與性能增益，波束賦形技術(shù)更可以利用時TD-LTE系統(tǒng)中上/下行信道互易性，針對單個用戶動態(tài)地進(jìn)行波束賦形，從而有效提高傳輸速率和增強(qiáng)小區(qū)邊緣的覆蓋性能。