LTE双流波束赋形技术研究

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自适应比TM3略高，而TM8的流量要高于TM3/7自适应。主要是由于TM8和TM3/7自适应相比，TM8为双流BF，在信道质量好的测试点和信道质量一般的测试点能带来一定的双流BF增益。另外TM8中双流BF 和单流BF的切换是模式内切换，切换能够及时进行。而TM3/7自适应的双流和BF单流切换为模式间切换，切换周期长，而且在切换的过程中需要空口信令交互，对流量会造成一定的损失。

    从测试结果看，双流BF在定点的小区吞吐量测试中，在空扰和加扰的情况下，TM8优于TM3、TM3/7，比TM7模式更优，因此双流BF可以提高小区吞吐量。

    随着无线通信系统的频率资源趋于饱和，频谱资源越来越宝贵，靠增加空口带宽来提升空口数据传输速率的方法极大地制约运营商无线网络的发展。因此在频谱资源有限的情况下，如何解决有效提升频谱效率是众多无线运营商面临的难题。

    从理论和实测结果看，双流BF技术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的覆盖。因此，双流BF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。