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TD-LTE系统中MIMO技术的应用场景与介绍

1 前言

日前,上海贝尔股份有限公司参加工业和信息化部和中国移动共同组织的多项实验室和外场验证及测试,并首批成功完成了该测试。作为第一批成功完成该项测试的厂商之一,上海贝尔将为中国移动在上海开展的大规模4G TD-LTE试验网部署项目提供端到端LTE解决方案。

大规模外场测试在真实环境下布网,边界条件复杂,与实验室环境有诸多不同。TD-LTE技术采用多天线的发射接收技术,利用不同的传输模式来适配复杂的自然环境从而达到性能最优。在LTE系统的研发过程中,经过几年的摸索与实践,上海贝尔阿尔卡特朗讯公司积累了众多经验。

下面以大规模试验网络需要的布网技术角度,对几种MIMO的原理及应用场景进行描述,对波束赋形的天线模式、物理层过程、波束赋形在TD-LTE基站系统中的实现和原理以及几种波束赋形算法的特点和应用场景进行介绍与分析。

在LTE(Long Term Evolution,长期演进技术)标准中,被采纳的MIMO技术主要包括发送分集、空分复用、波束赋形等。其中基于用户专用参考信号的下行波束赋形技术能够利用时分复用LTE(TD-LTE)系统中的上/下行信道的互易性,针对单个用户进行动态的波束赋形,从而有效提高传输速率和增强小区边缘覆盖性能。这些都在阿尔卡特朗讯的解决方案中得到了验证。本文对此进行了总结,对真实的网络部署有参考意义。

2 TD-LTE MIMO应用场景

在本次中国移动大规模外场测试主要选用以下3种MIMO技术适配不同的应用场景。

2.1 发射分集(Tx Diversity)

LTE的多天线发送分集技术选用SFBC(Space Frequency Block Code)作为基本发送技术,在发射端对数据流进行联合编码以减少由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率。SFBC通过在发射端增加信号的冗余度,使信号在接收端获得分集增益。发射分集方案不能提高数据率。

LTE采用的SFBC技术对编码矩阵进行了改进,能保证在有天线损坏的情况下也可以正常传输,传输数据更为简单,图1为SFBC发送端基本框图。


图1 SFBC发送端基本框图

对发射信号以发送分集进行传输可以获得额外的分集增益和编码增益,从而可以在信噪比相对较小的无线环境下使用高阶调制方式,但无法获取空间并行信道带来的速率红利。空时编码技术在无线相关性较大的场合也能很好地发挥效能。SFBC可以较普遍地应用于表1所示场景。

表1 SFBC应用场景

发送分集发射方式对信道条件要求不高,对SNR,信道相关性,移动速度均不敏感。但是该发射方式无法获取空间并行信道带来的速率红利,发送分集方案不能提高数据率。当信道间相关性大且SNR较低或移动速度过高情况下(对应无线信道条件差),会考虑切换到发送分集的发射方案,例如信道恶化的场景下。当信道处于理想状态或信道间相关性小时,发射端采用空分复用的发射方案,例如密集城区、室内覆盖高SNR条件等场景。

2.2 空分复用技术(Spatial Multiplexing)

空分复用技术是在发射端发射相互独立的信号,接收端采用干扰抑制的方法进行解码,此时的理论空口信道容量随着收发端天线对数量的增加而线性增大,从而能够显著提高系统的传输速率。

空分复用允许在同一个下行资源块上传输不同的数据流,这些数据流可以来自于一个用户(单用户MIMO/SU-MIMO),也可以来自多个用户(多用户MIMO/MU-MIMO)。单用户MIMO可以增加一个用户的数据传输速率,多用户MIMO可以增加整个系统的容量(见图2)。


图2 空间复用基本框图

空分复用能最大化MIMO系统的平均发射速率,但只能获得有限的分集增益,在信噪比较小时使用可能无法使用高阶调制方式。

无线信号在密集城区、室内覆盖等环境中会频繁反射,使得多个空间信道之间的衰落特性更加独立,从而使得空分复用的效果更加明显。无线信号在市郊、农村地区多径分量少,各空间信道之间的相关性较大,因此空分复用的效果要差许多。

无线信号在密集城区、室内覆盖等环境中会频繁反射,使得多个空间信道之间的衰落特性更加独立,从而使得空分复用的效果更加明显。对于适用于密集城区地区的MIMO应用,可以用OpenLoop MIMO和CloseLoop MIMO两种MIMO模式选择,其中CloseLoop MIMO对环境要求较高,由于拥有PMI/RI的反馈调整,其数据可靠性较强,对于OpenLoop MIMO,其健壮性较强,对SNR要求和信道相关性要求不如前者严格(见表2,表3)。无线信号在市郊、农村地区多径分量少,各空间信道之间的相关性较大,因此空间复用的效果要差许多。

表2 CL-MIMO应用场景

表3 OL-MIMO应用场景
(责任编辑:zxh007)

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