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(guó)移動(dòng)共同組織的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室和外場(chǎng)驗(yàn)證及測(cè)試，并首批成功完成了該測(cè)試。作為第一批成功完成該項(xiàng)測(cè)試的廠商之一，上海貝爾將為中國(guó)移動(dòng)在上海開展的大規(guī)模4G TD-LTE試驗(yàn)網(wǎng)部署項(xiàng)目提供端到端LTE解決方案。
大規(guī)模外場(chǎng)測(cè)試在真實(shí)環(huán)境下布網(wǎng)，邊界條件復(fù)雜，與實(shí)驗(yàn)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(lái)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(guò)程中，經(jīng)過(guò)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(yàn)。
下面以大規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)需要的布網(wǎng)技術(shù)角度，對(duì)幾種MIMO的原理及應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行描述，對(duì)波束賦形的天線模式、物理層過(guò)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(chǎng)景進(jìn)行介紹與分析。
在LTE(Long Term Evolution，長(zhǎng)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(hào)的下行波束賦形技術(shù)能夠利用時(shí)分復(fù)用LTE(TD-LTE)系統(tǒng)中的上/下行信道的互易性，針對(duì)單個(gè)用戶進(jìn)行動(dòng)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(yàn)證。本文對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)部署有參考意義。
2 TD-LTE MIMO應(yīng)用場(chǎng)景
在本次中國(guó)移動(dòng)大規(guī)模外場(chǎng)測(cè)試主要選用以下3種MIMO技術(shù)適配不同的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)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(hào)錯(cuò)誤率。SFBC通過(guò)在發(fā)射端增加信號(hào)的冗余度，使信號(hào)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(duì)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(jiǎn)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(duì)發(fā)射信號(hào)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(duì)較小的無(wú)線環(huán)境下使用高階調(diào)制方式，但無(wú)法獲取空間并行信道帶來(lái)的速率紅利。空時(shí)編碼技術(shù)在無(wú)線相關(guān)性較大的場(chǎng)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(chǎng)景。
表1 SFBC應(yīng)用場(chǎng)景
發(fā)送分集發(fā)射方式對(duì)信道條件要求不高，對(duì)SNR，信道相關(guān)性，移動(dòng)速度均不敏感。但是該發(fā)射方式無(wú)法獲取空間并行信道帶來(lái)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(dòng)速度過(guò)高情況下(對(duì)應(yīng)無(wú)線信道條件差)，會(huì)考慮切換到發(fā)送分集的發(fā)射方案，例如信道惡化的場(chǎng)景下。當(dāng)信道處于理想狀態(tài)或信道間相關(guān)性小時(shí)，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(chǎng)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(hào)，接收端采用干擾抑制的方法進(jìn)行解碼，此時(shí)的理論空口信道容量隨著收發(fā)端天線對(duì)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(gè)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(lái)自于一個(gè)用戶(單用戶MIMO/SU-MIMO)，也可以來(lái)自多個(gè)用戶(多用戶MIMO/MU-MIMO)。單用戶MIMO可以增加一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率，多用戶MIMO可以增加整個(gè)系統(tǒng)的容量(見(jiàn)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(shí)使用可能無(wú)法使用高階調(diào)制方式。
無(wú)線信號(hào)在密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境中會(huì)頻繁反射，使得多個(gè)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(wú)線信號(hào)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(wú)線信號(hào)在密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境中會(huì)頻繁反射，使得多個(gè)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(duì)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(duì)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(duì)于OpenLoop MIMO，其健壯性較強(qiáng)，對(duì)SNR要求和信道相關(guān)性要求不如前者嚴(yán)格(見(jiàn)表2，表3)。無(wú)線信號(hào)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(chǎng)景
表3 OL-MIMO應(yīng)用場(chǎng)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(guò)對(duì)多根天線輸出信號(hào)的相關(guān)性進(jìn)行相位加權(quán)，使信號(hào)在某個(gè)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(hào)的增益。系統(tǒng)發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)(例如TDD系統(tǒng))，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)信道狀態(tài)調(diào)整每根天線發(fā)射信號(hào)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(shí)，可以采用隨機(jī)波束成形的方法實(shí)現(xiàn)多用戶分集(見(jiàn)圖3)。
圖3 定向智能天線的信號(hào)仿真效果
系統(tǒng)發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)(例如TDD系統(tǒng))，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)信道狀態(tài)調(diào)整每根天線發(fā)射信號(hào)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(shí)，可以實(shí)現(xiàn)較好的信號(hào)增益及干擾抑制使的小區(qū)邊緣性能提升(見(jiàn)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(huì)收到太多路徑的信號(hào)，導(dǎo)致相位疊加的效果不佳。
表4 波束成型應(yīng)用場(chǎng)景
波束賦形技術(shù)對(duì)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(duì)波束賦形技術(shù)能夠適配的場(chǎng)景的無(wú)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(duì)阿爾卡特方案中的幾種典型的算法做簡(jiǎn)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(gè)子類；利用對(duì)每個(gè)子載波/資源塊瞬時(shí)信道狀態(tài)信息的特征值分解成對(duì)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(chǎng)合(如城區(qū)微小區(qū)覆蓋、基站天線架設(shè)不太高的場(chǎng)合)；復(fù)雜度高；在信道移動(dòng)性較低，信道估計(jì)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(dòng)性較高，信道估計(jì)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(gè)子類，利用對(duì)每個(gè)子載波/資源塊的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息“統(tǒng)計(jì)特性”的特征值分解形成對(duì)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(chǎng)合；復(fù)雜度低于基于MRT的波束成形；在信道移動(dòng)性較低，信道估計(jì)質(zhì)量較好的情況下，相對(duì)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(dòng)性較高、信道估計(jì)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(jì))
DOA基于對(duì)用戶信號(hào)到達(dá)方向的估計(jì)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(chǎng)合(如郊區(qū)宏小區(qū)覆蓋、基站天線架設(shè)較高的場(chǎng)合)，獲得高的波束賦形增益；復(fù)雜度較低；對(duì)于角度擴(kuò)展較大的應(yīng)用場(chǎng)合，有效性不高。
2.4 應(yīng)用場(chǎng)景
大規(guī)模外場(chǎng)測(cè)試中無(wú)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(jiàn)圖4)。阿爾卡特朗訊也做了大量的針對(duì)各種場(chǎng)景的仿真與測(cè)試工作，力求提高其健壯性以適應(yīng)復(fù)雜場(chǎng)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(chǎng)景，按照切換的邊界件來(lái)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(hào)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(duì)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(duì)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(duì)速度、信道環(huán)境與SNR要求均不高，但是無(wú)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(lái)的分集增益。
LTE-TDD外場(chǎng)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(chǎng)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(huì)造成網(wǎng)絡(luò)干擾加大等惡劣影響。阿爾卡特朗訊在長(zhǎng)期的研發(fā)與測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)多種技術(shù)來(lái)適配各種不同的無(wú)線應(yīng)用場(chǎng)景，每種技術(shù)在相應(yīng)的場(chǎng)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(shí)TD-LTE系統(tǒng)中上/下行信道互易性，針對(duì)單個(gè)用戶動(dòng)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。
