瞿水華，鄭石，章瑩，顧箭

（中國移動通信集團廣東有限公司深圳分公司，深圳 518048）

1 前言

在TD-LTE系統(tǒng)中，為提高系統(tǒng)整體性能采用了多天線技術(shù)，可以進行分集發(fā)射和接收，抵抗無線信道的衰落；也可以波束成形，提高干擾抑制性能；在信號足夠好的情況，可實現(xiàn)空分復(fù)用，提高系統(tǒng)容量。依據(jù)吞吐率最優(yōu)原則，eNode B根據(jù)UE上報的RI及CQI自適應(yīng)地調(diào)整輸出最佳的TM、MCS，實現(xiàn)不同信道條件下的最優(yōu)吞吐率。本文包含了TD-LTE的無線信號處理流程和結(jié)果，吞吐率最優(yōu)原則和吞吐率峰值飽和度等方面的研究內(nèi)容。

2 無線信號處理

2.1 無線信號處理流程

無線信道質(zhì)量決定終端最終所用的TM和MCS，MCS和信噪比強相關(guān)，3GPP規(guī)定了不同的MCS對應(yīng)的傳輸能力和效率。在TD-LTE系統(tǒng)中，TM及MCS的決定是由UE及eNode B共同配合完成的，其處理流程如圖1所示。

圖1 無線信號處理流程圖

其中，Step2在Step1的基礎(chǔ)上，UE分別用Rank1和Rank2 SINR計算相應(yīng)的CQI、MCS，以此計算出對應(yīng)的吞吐率，以吞吐率大小確定上報相應(yīng)的RI及CQI，作為eNode B完成下行調(diào)度計算的主要輸入信息：TM（傳輸模式)， MCS（調(diào)制編碼等級)，RI（Rank Indication，秩信息）包含Rank1和Rank2，CQI（Channel Quality Indicator，信道質(zhì)量信息），對RI和CQI的具體信息可參考3GPP。

eNode B根據(jù)UE上報的RI及CQI，結(jié)合誤分組情況，最終輸出TM、MCS、RB等信息。

2.2 UE對無線信號處理

TD-LTE無線信號的收發(fā)原理如下：

假設(shè)接收信號矩陣為R，信道矩陣為H，干擾矩陣為N，發(fā)送信號矩陣為S，分別表示如下：

UE對無線信號的處理分為均衡前信號的平均SINR，均衡后信號的單流Rank1 SINR和雙流Rank2 SINR，主要計算過程如下。

（1）均衡前信號平均SINR計算：

接收到的信號：R=HS+N

接收到的有用信號功率：E(||HS||2)=E((HS)(HS)H)=E(HSSHHH)=||H||2

平均SINR=均衡前有用信號功率/均衡前噪聲功率

（2）均衡后信號SINR計算：

平均SINR一般不用于RI及CQI的計算，通常情況下UE對接收信號做均衡處理，均衡后的信號再用于RI及CQI的計算。均衡過程如下：

接收到的信號：R=HS+N

均衡后接收到的信號：wR=wHS+wN

接收到的有用信號功率：PS=E{||wHS||2}=E{(wHS)(wHS)H}=||wH||2

干擾噪聲功率：PN=PR-PS=HHwH-||wH||2

均衡后SINR=均衡后有用信號功率/均衡后噪聲功率

均衡后SINR分為單流Rank1 SINR和雙流Rank2 SINR。在不同的無線環(huán)境下，UE測量到的平均SINR、Rank1 SINR和Rank2 SINR之間會有所差別，實際測試情況是Rank1 SINR比平均SINR平均高1.3 dB，Rank2 SINR比平均SINR平均低6～10 dB。

UE根據(jù)測量到的Rank1 SINR、Rank2 SINR計算對應(yīng)的CQI及RI，并依據(jù)吞吐率最優(yōu)原則將最優(yōu)的CQI及RI上報給eNode B。

本文所談到的SINR都是指平均SINR。

3 TM自適應(yīng)原理及特征

3.1 TM自適應(yīng)原理

不同天線模式適用于不同無線環(huán)境，無線環(huán)境變化瞬息，TM需根據(jù)信道條件變化進行切換，使得網(wǎng)絡(luò)性能達到最優(yōu)。3GPP規(guī)定了不同TM之間的切換方式，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)主要支撐TM2（發(fā)射分級，單流）、TM3（空分復(fù)用，雙流）和TM7（單流波束成形），切換流程如圖2所示。

圖2 TM切換流程圖

TM的切換主要涉及到TM7與單流的切換，雙流跟單流的切換。

3.2 TM自適應(yīng)遵循吞吐率最優(yōu)原則整體特征

在密集城區(qū)50個F頻段基站場景下，進行空擾遍歷測試，得到吞吐率和MCS隨平均SINR變化的趨勢曲線，按照SINR從低到高分為3個區(qū)域，小于-3 dB的基本是單流區(qū)，[-3,10] dB的是單雙流混合區(qū)，大于10 dB后進入主雙流區(qū)，如圖3所示。

圖3 SINR-MCS-THR關(guān)系圖

整個信號區(qū)間內(nèi)滿足吞吐率最優(yōu)原則，吞吐率隨SINR呈單調(diào)上升趨勢。在單流區(qū)，主要包含TM7、TM2及TM3 Rank1，MCS隨SINR成單調(diào)上升；在單雙流混合區(qū)，先是單流占主導(dǎo)，MCS隨SINR上升而上升，隨著SINR逐步變好雙流比例提升，由于Rank2 SINR相比 Rank1 SINR低，所以平均MCS有下降趨勢，呈現(xiàn)“拱起”特征；進入雙流區(qū)后，SINR足夠好，雙流占主導(dǎo)，整個MCS隨SINR成上升趨勢。

4 吞吐率最優(yōu)原則

在實際應(yīng)用中，終端上報RI和CQI，以及系統(tǒng)調(diào)度計算TM、MCS輸出都遵循吞吐率最優(yōu)原則。吞吐率最優(yōu)原則包括3個方面。

4.1 單流與雙流的切換遵循吞吐率最優(yōu)原則

雙流可以使用相同的時頻資源傳輸不同的內(nèi)容，理論上最大可以提升一倍的吞吐率，根據(jù)前面分析，在雙流情況下由于兩個存在矢量疊加，雙流之間的存在干擾，信號均衡后終端測量的雙流SINR（Rank2 SINR）會比單流SINR（Rank1 SINR）平均低7 dB左右，經(jīng)計算得到單流吞吐率和SINR的曲線，在同一SINR值下調(diào)7 dB后計算雙流吞吐率和其半值，如圖4，當(dāng)單流信號SINR達到25 dB以后進入飽和狀態(tài)，而雙流在SINR達到25 dB后，還能繼續(xù)上升逐步達到理論峰值速率。

因此，單流與雙流的切換遵循吞吐率最優(yōu)原則：

（1）理論上信號質(zhì)量好到一定程度后，一般在8～13 dB，雙流吞吐率優(yōu)于單流。實際測試表明：在小區(qū)中點區(qū)域，雙流吞吐率明顯好于單流。

（2）單雙流隨實際環(huán)境的變化而動態(tài)變化，單雙流的切換遵循吞吐率最優(yōu)原則。

4.2 雙流與信道相關(guān)度關(guān)系遵循吞吐率最優(yōu)原則

通常情況下，信道相關(guān)度越低，越容易進入TM3 Rank2，但信道相關(guān)度不是分配雙流的唯一因素，實際測試發(fā)現(xiàn)，在SINR足夠好的條件下，而此時信號相關(guān)度高但也能進入雙流，雙流吞吐率明顯高于單流，此時相關(guān)度越高，Rank2 SINR相對平均SINR降低越多，如圖5所示，深色區(qū)域強相關(guān)（相關(guān)度為1），SINR回退了13 dB進入了雙流，能在雙通道室分質(zhì)量好點測到理論峰值吞吐率，就是這個道理。因此，即使相關(guān)性好的無線環(huán)境下，也可能使用雙流，雙流和信道相關(guān)度的關(guān)系也要遵循吞吐率最優(yōu)原則。

圖4 理論計算單/雙流吞吐率隨Rank1 SINR分布

圖5 雙流和相關(guān)度輸出圖表

圖6 不同MCS下BF相對單流吞吐率增益圖

4.3 TM7與TM2的切換遵循吞吐率最優(yōu)原則

TM7可以提升小區(qū)邊緣信號質(zhì)量，但同時也增加了導(dǎo)頻開銷，約7.2%。如圖6，經(jīng)過計算，以TM2 MCS為基準，TM7在每一階TM2 MCS上增加1階與TM2的吞吐率對比，當(dāng)TM2 MCS小于15階時，TM7較TM2有明顯增益，但在15階以后，反而因?qū)ьl開銷的緣故，TM7較TM2不再有增益。

實際測試中如圖3所示，MCS15對應(yīng) SINR約14～15 dB，而以圖7為例，BF（TM7）主要分布在SINR 15 dB以下，兩者結(jié)果比較吻合。TM7和TM2的切換遵循吞吐率最優(yōu)原則：TM7在信道相關(guān)性較好時才能分配，TM7與TM2隨實際環(huán)境的變化而變化，小區(qū)邊緣區(qū)域使用TM7時平均吞吐率大于TM2。

5 飽和度實例分析

在實際測試中往往發(fā)現(xiàn)信號很好的地方吞吐量達不到理論峰值，下面從飽和度的角度對該類問題進行分析。

5.1 飽和度計算

（1）在時隙配比為2:2，特殊子幀為3:9:2，Cat3 類終端下行每TTI可接收數(shù)據(jù)分組大小為102 048 byte，最大下行速率可以達到61.2 Mbit/s；

（2）在信號條件足夠好，且信號穩(wěn)定的條件下，測試DL平均速率為 59 Mbit/s；則飽和度（%）為：59 Mbit/s/61.2 Mbit/s＝96.4%；

（3）一般情況下，在信道條件很好且無鄰區(qū)干擾情況下，飽和度達到95%以上，評測認為終端與設(shè)備都正常。

5.2 飽和度分析

圖7 TM隨SINR區(qū)間分布圖

圖8 數(shù)據(jù)分組重傳率

圖9 雙流時SINR回退分析表圖

選擇單扇區(qū)空曠場景進行飽和度測試，測試發(fā)現(xiàn)在SINR>28 dB的點其飽和度也僅為83.61%，從圖8來看，發(fā)現(xiàn)有高達5%的重傳率，從圖9來看，深色區(qū)域由于相關(guān)度高，SINR回退很大，導(dǎo)致MCS上不去。關(guān)閉該扇區(qū)的第一層鄰區(qū)再測試，重傳率有所下降，Rank2 SINR和MCS得到大幅提升，飽和度也提升到95%。

總體上，影響飽和度有兩大因素：

空擾時，雖然鄰區(qū)PCI模三錯開，RS干擾較小，但鄰區(qū)RS對服務(wù)扇區(qū)業(yè)務(wù)子載波產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致服務(wù)扇區(qū)飽和度降低；

信道相關(guān)性越低，雙流SINR越高，飽和度越高。

6 結(jié)論

在實際應(yīng)用中，終端上報RI和CQI，以及系統(tǒng)側(cè)調(diào)度算法輸出TM及MCS，都應(yīng)遵循吞吐率最優(yōu)原則。終端采用Rank1和Rank2分別去嘗試，以吞吐率最優(yōu)方式?jīng)Q定上報RI和CQI，系統(tǒng)最終輸出的MCS和TM遵循3個吞吐率最優(yōu)原則，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸效率最大化。

[1] 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical layer procedures(Release 9)[S].

[2] 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation (Release 10)[S].

[3] 瞿水華，李鐵峰，章瑩，林堅立，鄭石. 關(guān)于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)物理層峰值吞吐率的分析[J]. 電信工程技術(shù)與標準化，2012(10).