郭建光

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司河北分公司，石家莊 050021）

1 引言

TD-LTE在R9階段新增了雙流波束成形技術(shù)，共8種傳輸模式，每種模式對應(yīng)了不同的MIMO傳輸形式，其中模式7、模式8又是針對TDD系統(tǒng)所特有的波束成形技術(shù)[1]，模式7的波束成形技術(shù)在一階段測試時，已經(jīng)較為充分的驗證了其性能的優(yōu)越性。針對邊緣用戶以及無線環(huán)境不理想的情況下，TM7(單流波束成形)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(fù)用）目前采用的2×2MIMO，可以針對同一個用戶傳輸雙流，理論上翻倍的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（雙流波束成形）同時取納了開環(huán)空間復(fù)用與單流波束成形的優(yōu)點，將空間復(fù)用與波束成形有機的結(jié)合起來，這樣在改善無線環(huán)境的同時又盡量合理的提高了用戶的吞吐量。

2 TM8原理簡介

雙流波束成形技術(shù)應(yīng)用于信號散射體比較充分的條件下，是智能天線波束成形技術(shù)和MIMO空間復(fù)用技術(shù)的有效結(jié)合，在TD-LTE系統(tǒng)中，利用TDD信道的對稱性，同時傳輸兩個成形數(shù)據(jù)流來實現(xiàn)空間復(fù)用，并且能夠保持傳統(tǒng)單流波束成形技術(shù)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，同時又可有效提升小區(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(fù)用的數(shù)據(jù)流數(shù)。8天線雙流波束成形技術(shù)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，雙流波束成形技術(shù)可以分為單用戶雙流波束成形技術(shù)和多用戶雙流波束成形技術(shù)。

2.1 單用戶

單用戶雙流波束成形技術(shù)，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成形矢量，利用該成形矢量對要發(fā)射的兩個數(shù)據(jù)流進行下行成形。采用單用戶雙流波束成形技術(shù)，使得單個用戶在某一時刻可以進行兩個數(shù)據(jù)流傳輸，同時獲得成形增益和空間復(fù)用增益，可以獲得比單流波束成形技術(shù)更大的傳輸速率，進而提高系統(tǒng)容量。

2.2 多用戶

多用戶雙流波束成形技術(shù)，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成形矢量，利用得到的波束成形矢量為每一個UE、每一個流進行成形。

多用戶雙流波束成形技術(shù)，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(yīng)用場景

8天線雙流波束成形技術(shù)是TD-LTE建網(wǎng)的主要技術(shù)，應(yīng)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。利用4+4雙極化天線，使用雙流波束成形技術(shù)實現(xiàn)室外宏小區(qū)覆蓋[4]。

2.4 雙流波束成形的參考信號時頻圖

LTE R9版本中對于DM-RS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。如下圖1所示，在雙流波束成形的傳輸模式下，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[5]。這個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

由于雙流波束成形既采用了雙流來提高吞吐量，又采用了波束成形來抗干擾，由于成形技術(shù)更適合邊緣用戶，因而相交于開環(huán)空間復(fù)用，雙流波束成形更適合應(yīng)用于中點以及差點等相關(guān)位置。如圖2所示。

圖1 TM8模式下的DM-RS參考信號時頻結(jié)構(gòu)

圖2 TM3、8模式下單用戶吞吐量對比

分別定義了好點、中點、差點的SINR范圍，為了使對比更加明顯，在好點分別采用開環(huán)空間復(fù)用（TM3）、雙流波束成形（TM8）對單個用戶的吞吐量進行測量，中點、差點依然。從圖中可以發(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的成形增益逐漸較好的體現(xiàn)出來，由部分實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在中點TM8的較TM3的性能提升40%左右，在差點，TM8的性能體現(xiàn)的更為明顯性能提升大概在70%左右。以上分析均為TM8較TM3的性能體現(xiàn)，現(xiàn)對比一下TM8相較于TM7的性能優(yōu)劣，如圖3所示。

圖3 TM7、8模式下單用戶吞吐量對比

從圖3分析可以得出，TM8相較于TM7在好、中、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的性能相差無幾，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成形速率高。在差點TM8也大多采用單流，因而與TM7的性能基本持平。綜合各種相關(guān)因素，筆者認為，TM8更適合應(yīng)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

對于小區(qū)吞吐量的提升效果驗證，采用了全小區(qū)采用開環(huán)空間復(fù)用（TM3），全小區(qū)采用單流波束成形(TM7)、全小區(qū)采用模式3/7自適應(yīng)、全小區(qū)采用TM84種情況下進行對比測試。實驗條件均為單小區(qū)20MHz帶寬，2:2時隙配置。

圖4 TM3、7、8模式下小區(qū)平均吞吐量對比

從圖4不難得到，TM3、TM7以及TM3/7自適應(yīng)3種情況下，各自對應(yīng)的小區(qū)吞吐量唯TM3/7自適應(yīng)最高，TM3次之，TM7最低。也應(yīng)證了模式自適應(yīng)較固定模式的優(yōu)勢，TM7由于其始終為單流，因而小區(qū)吞吐量最低。此三種情況相較于TM8模式，無論是小區(qū)采用開環(huán)空間復(fù)用還是單流波束成形的小區(qū)吞吐量均不如雙流波束成形的小區(qū)吞吐量高，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)吞吐量的提高大概有10%-30%的增益。

3.3 雙流波束成形抗小區(qū)間干擾

雙流波束成形由于其成形特性，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，由如圖5所示。

圖5 TM3、7、8模式下全網(wǎng)平均SINR與邊緣SINR對比

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以及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)了小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)作用。

4 總結(jié)

結(jié)合前三節(jié)的分析結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)雙流波束成形技術(shù)無論是在技術(shù)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(shù)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，以及對于無線環(huán)境的優(yōu)化及抗干擾方面均有其自身特點。因而雙流波束成形為R9階段TD-LTE不可或缺的一項創(chuàng)新，為推動TDLTE技術(shù)的發(fā)展起著較為重要的作用。

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

[2]王映民，孫韶輝. TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)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[J], 移動通信，2011年8月增刊.

[4]http://wenku.baidu.com/view/a9726ff2f90f76c661371aad.html

[5]堵久輝，繆慶育. 4G移動通信技術(shù)權(quán)威指南[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2012.