LTE双流波束赋形技术研究
波束赋形(Beamforming,BF)是自适应阵列智能天线的一种实现方式,是一种在多个阵元组成的天线阵列上实现的数字信号处理技术。它利用有用信号和干扰信号在DoA(到达角)等空间信道特性上的差异,通过对天线阵列设置适当的加权值,在空间上隔离有用信号和干扰信号,实现降低用户间干扰,提升系统容量的目的。
BF技术已经在TD-LTE、WiMAX、TD-SCDMA等无线网络中得到了广泛的应用。
在LTE标准R8版本中,引入了单流BF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。但是单流BF仅限于单流传输,其层映射和预编码是一对一的映射,并且在标准中只定义了波束赋形所需的专用导频端口,即端口5以及相应的CQI(Channel Quality Indicator)上报机制。
在LTE标准R9版本中,将BF技术扩展到双流传输,实现波束赋形和空分多址的结合,进一步增大系统吞吐量。为了支持双流BF,在R9中定义了新的传输模式和两个新端口(端口7和端口8),并且增加了新的控制信令。 下面将对双流BF技术原理、应用场景、仿真和实测性能分析等内容进行详细说明。
双流BF技术原理
根据调度用户的情况不同,双流BF技术可以分为单用户双流BF技术和多用户双流BF技术。
单用户双流BF
单用户双流BF技术,由基站测量上行信道,得到上行信道信息后,基站根据上行信道信息计算两个天线赋形权值,利用该赋形权值对要发射的两个数据流进行下行赋形。
采用单用户双流BF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BF技术更大的传输速率,进而提高系统容量。此时,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,即接收端至少需要有2根天线。
多用户双流BF
多用户双流BF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。多用户配对完成后,按照一定的准则生成天线赋形权值,利用得到的天线赋形权值为每一个UE进行赋形。
多用户双流BF技术,利用了智能天线的波束定向原理和空间信道的不相关性,实现多用户的空分多址。此时,各用户占用相同的时频资源,但两个用户接收不同的数据流。
在多用户的双流BF模式下,多用户UE的配对可以是两个RANK=1的UE配对;也可以是两个RANK=2的UE配对;也可以是一个RANK=1和一个RANK=2的UE的配对。
后两种情况中UE通过DM-RS端口的加扰来区别。
双流BF技术应用场景
双流BF技术的出现,不仅能够最大限度地发挥BF在覆盖容量上的优势,而且能够进一步提升系统的频谱效率,适合于各类室外场景(如城区、郊区)的覆盖,最大限度地满足运营商对覆盖性能和频谱效率提升的双重需求,同时有效降低网络内的干扰。
常用的调度方法是,基站同时对2个用户发送数据,每用户各占一流。当用户间的空间隔离度很好的情况下,基站侧可以同时对2个用户发送数据,每用户均使用两流BF,充分利用空分特性,进一步提高系统的峰值流量。
在低负载的情况下,可配对用户较少,所以可采用SU-MIMO(单用户MIMO)使系统获得更高数据峰值流量。MU-MIMO(多用户MIMO)可在高负载时增加同时调度的用户数,同样可提高系统峰值流量。
双流BF的性能分析
为了比较双流BF与单流BF之间的频谱效率提升差异,我们进行了详细的系统仿真来评估其性能。为了进一步验证双流BF与其他传输模式间的性能差异,选择在某TD-LTE外场进行实测分析。
仿真性能分析
仿真使用3GPP 定义的宏小区仿真场景,仿真条件如表1所示。仿真时只在中心小区进行均匀撒点,所有用户使用相同的传输机制。同时假设干扰小区仅进行单流传输,从而计算其对中心小区用户的干扰。此外用户端基于最小均方误差(MMSE)估计算法计算SINR,得到吞吐量。
双流BF的频谱效率CDF曲线如图1所示。单流BF与双流BF仿真结果对比见表2。
从图1和表2中可以看出,相对于单流BF,双流BF形大约有16%的平均频谱效率提升,而且小区边缘频谱效率并没有损失。
此外,相对于基于PMI(预编码矩阵指示)反馈模式的双流BF,非基于PMI反馈模式的双流BF可获得更高的频谱效率,更能提高小区吞吐量。
外场性能分析
在某TD-LTE外场中,对双流BF(TM8)的性能进行验证。
在一个主测小区中选择10个测试点(近点、中点、远点),每个测试点两部终端,分别记录邻接小区空扰和加扰情况下,每个测试点采用不同传输模式(TM3、TM7、TM8、自适应)的小区吞吐量。
系统关键参数设置如表3所示。
基站在不同传输模式下,小区平均吞吐量结果如表4所示。
从表4的测试结果看,空扰下的吞吐量TM3和TM3/7自适应基本相同,加扰下TM3/7自适应
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