大唐移动:八天线TD-LTE系统的双流波束赋形天线技术创新与详解

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大唐移动:八天线TD-LTE系统的双流波束赋形天线技术创新与详解

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双流波束赋形技术是TD-LTE的多天线增强型技术,是TD-LTE建网的主流技术,结合了智能天线波束赋形技术与MIMO空间复用技术,是中国移动和大唐移动共同创新的成果,也是中国通信产业技术能力的体现。

一、8天线双流波束赋形技术引入需求分析

多天线技术是天线技术发展趋势,现有TD-SCDMA已经引入了8天线,TD- LTE也引入了8发2收的天线配置,到LTE-A则将引入8发8收的天线配置。

考虑到提升覆盖能力和降低引入TD-LTE的CAPEX,TD-LTE系统中引入了 8天线方案。另外,引入8天线还可以使TD-SCDMA平滑演进到TD-LTE,同时继续沿用并充分发挥TDD系统在赋形方面的优势。

1.系统平滑演进需求

目前,TD-SCDMA网络正在全国迅速铺开。与此同时,TD-SCDMA演进技术TD-LTE也被提上了未来移动通信网络建设发展的日程。如何在进行TD-SCDMA网络建设的同时保证能够向TD-LTE实现平滑演进已经成为了运营商和设备供应商共同关注的焦点问题。

出于系统平滑演进的考虑,大唐移动提出了产品设备共平台设计的解决方案,有效的保护网络建设现有投资,保证网络升级的快速便捷。在主设备实现平滑演进的同时,从节约建网成本、降低建站难度等角度出发,需要尽可能保持TD-SCDMA网络已部署的天线系统不变,且可以在TD-LTE中继续使用。为实现天线系统的平滑演进,TD-SCDMA网络中进行宏覆盖主要采用的8天线,需要在TD- LTE网络中继续使用。

2.技术演进需求

波束赋形技术是一种基于小间距天线阵列的线性预处理技术,能够根据用户的信道特性进行波束赋形,具有扩大覆盖、提高系统容量、降低干扰的能力。作为TD-SCDMA的核心技术,波束赋形技术已在中国移动3G网络中广泛使用。

在LTE技术规范Release 8版本中,引入了单流波束赋形技术,对于提高小区平均吞吐量及边缘吞吐量、降低小区间干扰有着重要作用。但是,面对LTE Release 9以及LTE-Advanced系统的更高速率需求,有必要对波束赋形技术加以扩展。以LTE定义的最大发天线数8天线为例,由多天线理论可知,8×2天线系统的单用户MIMO至多可以同时传输两个数据流,这就意味着LTE Release 8规范中的单流波束赋形技术并没有充分开发信道容量。根据信道容量相关理论可知,信道容量为信噪比的对数函数,随着信噪比提升,容量增加趋势越来越缓;在高信噪比情况下,将某个数据流的功率降低一半并不会导致该数据流容量大幅降低,此种情况利用另一半功率来发送一个新的数据流将会极大地提升传输容量。

为满足TD-LTE系统中使用8天线以及扩展波束赋形技术以提升容量的需求,中国移动和大唐移动共同推出了采用8天线配置的双流波束赋形技术。

二、双流波束赋形技术介绍

双流波束赋形技术应用于信号散射体比较充分的条件下,是智能天线波束赋形技术(即单流波束赋形技术)和MIMO空间复用技术的有效结合,在TD-LTE系统中,利用TDD信道的对称性,同时传输两个赋形数据流来实现空间复用,并且能够保持传统单流波束赋形技术广覆盖、提高小区容量和减少干扰的特性,既可以提高边缘用户的可靠性,同时可有效提升小区中心用户的吞吐量。

根据多天线理论可知,接收天线数不能小于空间复用的数据流数。8天线双流波束赋形技术的使用,接收端至少需要有2根天线。

根据调度用户的情况不同,双流波束赋形技术可以分为单用户双流波束赋形技术和多用户双流波束赋形技术。

1.单用户

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。

 

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2.多用户

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。

 

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3.标准进展

双流波束赋形技术的标准化进程是中国移动和大唐移动共同努力推动的过程。

2007~2008年,中国移动和大唐移动在IMT-Advanced技术组和标准子组上分别提交了关于双流波束赋形技术的整体解决方案,都获得了通过。

在3GPP双流波束赋形技术立项之前,大唐移动从2008年6月开始在LTE- Advanced(Release 10)技术范围内开始推动该技术。

2009年3月,双流波束赋形技术在3GPP完成立项,相关标准化工作在RAN 1展开讨论。

2009年12月,双流波束赋形技术的标准化工作已经基本完成,相关协议规范(TS 36.211、TS 36.212、TS 36.213、TS 36.331等)已在12月发布的最新版本中包括双流波束赋形技术相关标准内容,目前仅剩下射频相关指标未完成标准化,预计会在2010年一季度完成。

4. 具体实现

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。 TD-SCDMA现有网络中的4+4双极化天线支持F+A+E频段,若今后在此频段内支持TD-LTE,则现有4+4双极化天线可以实现由TD- SCDMA向TD-LTE的平滑演进,可在TD-LTE系统中继续使用。

分析双流波束赋形技术的实现难易度。从研究角度来看,双流波束赋形技术可认为就是多天线信道奇异值分解算法的典型应用,并没有太多新的理论问题需要解决;从信号处理的角度来看,其实现机制基本已经成熟,更多的工作是算法优化问题。由上可知,基于现有的理论研究和信号处理技术,基于大唐移动对智能天线波束赋形技术的深入理解,双流波束赋形技术的实现非常简单,可以很快的应用于TD-LTE 系统。

5. 应用场景

8天线双流波束赋形技术是TD-LTE建网的主要技术,应用于室外场景的宏小区覆盖,可以有效的增加空间隔离度,降低数据流之间的干扰。

大唐移动提出TD-LTE的组网方案如图所示。利用4+4双极化天线,使用双流波束赋形技术实现室外宏小区覆盖。采用1+1双极化天线进行室外街道站的覆盖,作为宏覆盖的补盲。在室内采用2×2 MIMO进行微小区覆盖。

 

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三、8天线双流波束赋形技术优势

1.系统吞吐量提升,构建高品质TD-LTE网络

双流波束赋形技术可以有效的提高TD-LTE系统的吞吐量性能。相比于TD-LTE 的基本天线配置方式2×2 MIMO,采用8×2双流波束赋形技术在扇区吞吐量和边缘吞吐量都有较大提升。根据IMT-Advanced的评估结果可知,8天线双流波束赋形相比于2 天线MIMO扇区吞吐量最大提升约80%,边缘吞吐量最大提升约130%。

 

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2. 小区半径提升,降低建网CAPEX投入

由TD-LTE覆盖理论分析可知,TD-LTE 2天线的覆盖能力受限于上行业务信道。根据仿真评估,以上行业务信道边缘速率64Kbps为前提,TD-LTE 8天线的小区覆盖半径约为TD-LTE 2天线的2倍。相比于TD-LTE 2天线的网络建设,8天线的使用有效降低了TD-LTE站点数量,降低了TD-LTE建网CAPEX。

TD-LTE采用8天线的覆盖半径与TD-SCDMA覆盖半径相当,可以实现与 TD-SCDMA共覆盖、共站址。在TD-SCDMA向TD-LTE平滑演进的过程中,现有的站址、天馈系统等资源都可以复用,进一步降低TD-LTE建网CAPEX。

根据TD-SCDMA网络建设经验可知,实际建网时的单站覆盖半径可能只有500米甚至更小。以TD-SCDMA实际覆盖半径作为TD-LTE的覆盖评估前提,分析TD-LTE 2天线和8天线的覆盖性能。

 

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根据仿真评估可知,TD-LTE 8天线可以有效的改善受限问题,在提高边缘速率的同时,有效地扩大覆盖半径。

TD-LTE 2天线和8天线覆盖能力分析如上图所示。当覆盖半径为500米时,TD-LTE 8天线的上行边缘速率为500kbps,2天线的上行边缘速率为64Kbps。可知,在实现与TD-SCDMA实际覆盖半径相同时,TD-LTE 8天线的边缘速率相对于TD-LTE 2天线有明显优势,而TD-LTE 2天线的边缘速率相比于TD-SCDMA却并没有明显提高。TD-LTE 2天线若要实现500kbps的边缘速率,其覆盖半径只有280米左右,无法实现与TD-SCDMA系统的共站址、共覆盖。

根据以上分析,可以认为,TD-LTE采用8天线可以极大提升覆盖能力,在保证与TD-SCDMA共覆盖的前提下体现TD-LTE高速率的特点。

四、大唐移动率先发布双流波束赋形技术

2009年12月,大唐移动在大唐电信集团北京总部举行了以“创新技术,成就梦想”为主题的TD-LTE新技术发布会,在业内率先发布双流波束赋形技术,建设了TD-LTE演示网,进行了8天线双流波束赋形技术的性能演示。

TD-LTE发布会演示网,其覆盖范围是北京市海淀区学院路从学院桥到学知桥的路段。具体演示方案是在演示车的行驶过程中,随着实时信道环境的变化,体验TD-LTE 8天线双流波束赋形技术相比于2天线MIMO技术的吞吐量性能优势。

在演示过程中,可以明显体验到8天线的覆盖能力好于2天线。在演示路段的两端,已经接近2天线的覆盖边缘,此时2天线的吞吐量性能受到影响发生衰落,8天线依然保持平稳数值。当演示车行驶在演示路段边缘的立交桥下时,受到桥体遮挡,信号接收受到影响,2天线发生严重衰落,吞吐量下降明显。8天线也受到一定影响,但吞吐量性能只是略有降低,仍保持稳定数值。

统计整个演示过程中的数值变化可知,8天线双流波束赋形技术相比于2天线MIMO,频谱效率平均优势约为40~50%。

五、结束语

8天线双流波束赋形技术的引入,为实现TD-SCDMA系统向TD-LTE系统的平滑演进提供了技术保障。其有效提升吞吐量和边缘覆盖的性能优势也使其成为TD-LTE创新技术中备受关注的亮点。
 

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