TD-LTE双流波束赋形技术

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TD-LTE为了追求更高的传输速率，在LTE R9中引入了智能天线双流波束赋形技术，即在TD-SCDMA现有的智能天线上，引入两个数据流，对于每个数据流分别进行波束赋形。该技术把智能天线波束赋形技术与MIMO系统的空间复用技术结合在一起，相应的，把智能天线带来的赋形增益和干扰抑制增益与MIMO带来的空间复用增益结合在一起。

多天线是天线技术发展趋势，现有TD-SCDMA已经引入了8天线，理论上可以带来9dB波束赋形增益，有效地增加了小区的覆盖范围，降低了系统干扰。在TD-LTE网络基站侧也引入了8发2收的天线配置，到LTE-A则引入了8发8收的天线配置。在TD-LTE中引入8天线，一方面提升了网络的覆盖能力，同时也降低了TD-LTE的成本，另一方面可以充分发挥TDD系统在波束赋形方面的优势，可以满足TDD系统平滑演进的需求。

传统的智能天线波束赋形技术

通常的波束赋形技术是一种应用于小间距的天线阵列多天线传输技术。其主要原理是利用空间信道的强相关性和波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使方向图的主瓣指向用户来波方向，这样保证终端收到的信号有最大的接收功率，并降低了对其他方向的干扰。

而LTE利用MIMO技术，可以在不增加带宽资源的情况下，显著的提升网络容量。多天线理论表明，假设发送天线数和接收天线数分别为nT与nR，则MIMO系统的容量为单入单出(SISO)系统的min(nT,nR)倍，这是传统的其他技术所做不到的。因而在LTE系统中引入MIMO技术，极大地满足了更高的传输速率的而要求。



图1: 智能天线波束赋形示意图。

TM8中的双流波束赋形技术

在LTE Release 8中给出的是单流波束赋形，相同的时间和频率资源分配一个数据流。鉴于双流波束赋形对于单流波束赋形能更进一步的提高频谱效率，扩大小区覆盖范围,提高系统容量，在Release9中给出了双流波束赋形，不同的数据流可以面向单个用户或多个用户。为了支持双流波束赋形，LTE Rel-9中定义了新的双端口专用导频(端口7与8)，并引入了新的控制信令。其中一个传输块通过天线端口7发送，另一个传输块通过天线端口8发送。



图2: 与双流波束赋形对应的天线端口7和天线端口8。

单用户双流波束赋形：单用户双流波束赋形技术，由基站测量上行信道，得到上行信道状态信息后，基站根据上行信道信息计算两个赋形矢量，利用该赋形矢量对要发射的两个数据流进行下行赋形。

采用单用户双流波束赋形技术，使得单个用户在某一时刻可以进行两个数据流传输，同时获得赋形增益和空间复用增益，可以获得比单流波束赋形技术更大的传输速率，进而提高系统容量。图3给出了单用户双流波束赋形的示意图。在发端两个数据流分别经过加扰、调制，然后进行天线层映射，经过预编码处理，进入波束赋形单元，对于两个不同的数据流计算得到两组赋形系数，对两个数据流分别赋形，送入天线端口。



图3: 单用户双流波束赋形。

多用户双流波束赋形：多用户双流波束赋形技术，基站根据上行信道信息或者UE反馈的结果进行多用户匹配，多用户匹配完成后，按照一定的准则生成波束赋形矢量，利用得到的波束赋形矢量为每一个UE、每一个流进行赋形。多用户双流波束赋形技术，利用了智能天线的波束定向原理，实现多用户的空分多址。系统获得多用户分集增益。图4给出了对两个用户的双流波束赋形图，这里与单用户不同的是，这里两个数据流针对两个不同用户，波束赋形后得到两个波束指向不同的用户。



图4: 多用户双流波束赋形。

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双流波束赋形的解决方案

双流波束赋形在实现上可以利用把阵列天线分成两组的方式来实现，可以采用把这两组之间的距离拉大或两组采用不同的极化方向来降低两组天线之间的相关性，每组天线赋予一个数据流。

在现有的网络规划中，双极化天线得到了广泛的应用，对于TD-SCDMA网络，4+4双极化天线是一种典型的8天线形态，其天线形态适合使用双流波束赋形技术。



图5: 利用分组天线实现双流波束赋形。

双流波束赋形TM8技术优势

2011年9月，创毅视讯正式推出兼容3GPP R9版本的40nm工艺WarpDrive 5000芯片。该款芯片支持TD-LTE FDD/TDD共模，采用40纳米工艺，兼容3GPP LTE标准(Release-9)，采用超低功耗设计，支持多种上下行配比及同频、异频测量和切换，支持CAT4速率等级，下行高达150Mbps。该款产品是全球首款支持先进的双流波束赋形TM8传输技术的芯片，并与包括爱立信、诺西、大唐在内的多家主流系统厂商通过了工信部室内外测试验证。

图6是创毅视讯WarpDrive5000芯片TM8双流波束赋形外场测试获得的实测曲线，天线配置为是8发送天线和2接收天线，单用户rank自适应传输，MCS自适应调度。



图6: 外场单小区单用户测试场景，时隙配比2:2。

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测试结果表明：

1，边缘吞吐量提升约70%
在小区边缘如中低速度，SNR=0dB的点,从图7给出的单流TM3和双流TM8的小区边缘吞吐量可以看出TM8，TM3其边缘吞吐量分别约为：8Mbps，4.5Mbps，边缘吞吐量提升约70%。



图7: TM3单流与TM8双流赋形的小区边缘吞吐量比较。

2，系统吞吐量提升20%
在小区中心TM8调度的是双流，双流赋形技术使数据业务的速率提高。图8给出了单流TM3和双流TM8的系统吞吐量，TM8天线相比于TM3有明显优势，平均大约提高20%～30%，在某些点甚至更高。



图8: TM3单流与TM8双流赋形的系统吞吐量比较。

3，覆盖半径提高到大约1.5倍
TM8波束赋形技术比TM3带来了高达4dB的SNR改善;例如TD-LTE在边缘SNR=0；TM3能达到4Mbps速率，TM8在4Mbps情况下覆盖半径约提升1.5倍。基于相同的带宽，高清视频流应用的覆盖范围提高了大约1.5倍，同时8天线的使用有效地降低了TD-LTE站点数量，降低了TD-LTE建网CAPEX。使用TM8，8天线的小区覆盖半径对比2天线有大幅提高(实际覆盖半径大约提升到1.5倍)，并且可以实现与TD-SCDMA共站址共天面共覆盖，全面降低了TD-LTE的建网成本。



图9: TM3单流与TM8双流赋形的小区覆盖半径比较。

4，小区间的干扰抑制
TM8通过波束赋形降低干扰的作用，可以有效的降低小区间干扰：如图10多个小区的联合调度，相同资源分配给不同方向的波束，或相同方向的波束使用不同的资源，从而避免了小区间的干扰。TM8双流波束赋形具有抗小区间干扰的能力。



图10: TM8小区间干扰抑制。

5，多用户增益
小区边缘每个用户调度的是单流，使用TM8还可以对边缘用户进行多用户的调度，两用户占用相同的时频资源，并且各自独立选择波束赋形预编码矩阵，从而提高系统的整体容量。

通过以上的介绍可以看到8天线双流波束赋形技术(TM8)可以有效提升小区边缘吞吐量，系统容量和覆盖范围是一种优秀的无线技术。从上述支持双流波束赋形UE的联调和测试结果看出，创毅视讯完整验证了双流波束赋形智能天线系统射频特性的测试，该芯片完全满足双流波束赋形的性能要求。



图11: TM8多用户增益。

本文小结

双流波束赋形技术把TD-SCDMA的智能天线技术与MIMO技术有效的结合在一起，充分利用了智能天线带来的赋形与干扰抑制能力，同时利用MIMO技术提高了系统的传输速率，充分依托现有TD-SCDMA的网络架构，对于TD-SCDMA到TD-LTE系统的平滑演进具有重要意义。