TD-LTE系统性能仿真评估研究

张 勇，姜大洁，刘光毅

（中国移动通信有限公司研究院 北京 100032）

1 前言

在全球3G及增强型3G网络商用化进程稳步推进的同时，为满足移动宽带数据业务对传输速率的要求，2004年，3GPP组织提出了以OFDM/SC-FDMA为核心技术，支持20 MHz系统带宽的、具有高性能的3GPP演进系统，命名为LTE（长期演进）。2007年10月，中国移动联合主流的国内外设备商、运营商以及研究机构，在3GPP RAN1第51次小组会提议并通过了统一的TDD制式的帧结构，完成了2个TDD制式的融合，并将融合后的LTE TDD正式命名为TD-LTE。

TD-LTE采用了多入多出天线（MIMO）关键技术，基站（evolved Node B，eNB）支持2/4/8根发送天线，移动台端支持2根接收天线。对于下行链路多天线的使用方法可以分为两大类，一类是基于码本的预编码（precoded MIMO）传输方式，另一类是波束赋形（beamforming）的传输方式，这两种传输方式都各有优点。TD-LTE标准中所规定的流自适应的预编码传输属于闭环MIMO的范畴，它通过增加移动台信令反馈，使得发送数据的eNB知道更多有关信道特性的信息，通过预编码对发送信号进行加权，从而更加有效地利用空时信道的特性达到空间复用或者分集的效果。波束赋形的方式是利用发送天线之间的距离较近相关性强的特点，通过对发送信号进行加权使得天线向外辐射的能量集中到某一个特定的方向，在增强移动台接收信号能量的同时，减弱对其他方向的干扰。实现波束赋形一般要求4或8根发送天线，这样才能形成较好的波束赋形效果。要形成赋形波束，还需要准确地知道空时信道矩阵，这对于FDD系统来说是比较困难的，但是由于TDD系统存在上下行信道的互易性能够获得这一信息，成为TDD系统的优势所在。从本文的评估结果中可以看到，8天线发送的波束赋形方案比2天线或者4天线发送的预编码技术在性能上有明显的增益。

在3GPP的标准化发展进程中，FDD和TDD两种制式是协调同步发展的，在波束赋形和多基站协作等特定的技术点上，TDD系统比FDD系统更有前途。本文的重点就是对TD-LTE的系统性能进行评估，给出它在各种场景和配置条件下的系统性能，主要的性能指标是扇区的频谱效率和边缘频谱效率。

2 评估方案

下行链路考虑了如下7种传输方案。

第1种：采用2根垂直极化天线做MIMO，使用流自适应的预编码技术传输（MIMO 2×2）。

第2种：采用2根双极化天线的MIMO，使用流自适应的预编码技术传输（MIMO（1＋1）×2）。预编码技术是基于码本和移动台发送的预编码码字索引反馈来得到加权向量的，加权向量可以形成一个或两个传输流。图1给出了预编码的基本原理。

第3种：采用8根垂直极化天线做波束赋形单流（BF 8×2 rank1）。

第4种：采用8根双极化天线做波束赋形单流，移动台端用垂直极化天线（BF(4＋4)×2 rank1）。

第5种：采用8根双极化天线做波束赋形单流，移动台端用双极化天线（BF(4＋4)×(1+1)rank1）。

第6种：采用8根双极化天线做流自适应的波束赋形，移动台端用垂直极化天线（BF(4＋4)×2 rank adapt）。

第7种：采用8根双极化天线做流自适应的波束赋形，移动台端用双极化天线（BF(4＋4)×（1+1）rank adapt）。

此外，除上述的波束赋形方案，TD-LTE还支持将赋形的2个流分配给不同的用户进行独立的数据传输（如图2所示）实现多用户的波束赋形或者MIMO方案，但不在本文研究的范围。

性能评估的主要参数见表1。

表1 TD-LTE性能的主要参数

3 性能评估结果

图3给出了在站距500 m宏蜂窝场景下的下行链路MIMO和多种波束赋形方案的评估结果。从图中可以看到在本场景下，单流波束赋形技术的扇区平均频谱效率要比2天线的预编码技术高约22%，而流自适应的波束赋形比2天线的预编码技术的频谱效率高约40%。这说明波束赋形方案对于提高扇区的平均频谱效率有很好的效果。

图 4给出了在站距500 m宏蜂窝场景下的下行链路的边缘频谱效率，从图中可以看到，由于波束赋形能使移动台的接收功率增加，所以与2天线MIMO相比能够大幅度提高小区边缘的频谱效率约1倍。当使用8垂直极化天线时，效果是最好的，但是由于尺寸过大，一般考虑使用8双极化天线，边缘频谱效率略有下降。

图 5、图 6给出了在ITU城区微蜂窝场景下的下行链路的频谱效率和边缘频谱效率。从图中可以看到，其结论与500 m站距宏蜂窝情况下类似。

图 7、图 8给出了在ITU城区宏蜂窝场景下的下行链路的频谱效率和边缘频谱效率。从图中可以看到，由于在城区宏蜂窝中存在若干直射径的情况，这种场景更有利于波束赋形，所以波束赋形相对于2天线MIMO的性能有更高的增益。

图 9、图 10给出了在ITU郊区宏蜂窝场景下的下行链路的频谱效率和边缘频谱效率。从图中可以看到，由于在城区宏蜂窝中存在若干直射径的情况，这种场景更有利于波束赋形，所以波束赋形相对于2天线MIMO的性能有更高的增益。

4 结束语

TD-LTE是TD-SCDMA的后续长期演进技术，通过采用MIMO、OFDM等技术，其系统整体性能相对于TD-SCDMA有大幅度的提升。本文对TD-LTE的各项多天线技术对系统整体性能的影响进行了全面的评估，从评估结果可以看出TD-LTE有着非常优越的性能，特别是利用TDD系统的上下行信道互易性的波束赋形技术，对系统性能的提升有明显的增益，充分体现出了TD-LTE的技术和性能优势。

1 IEEE 802.16.Broadband Wireless Access Working Group.IEEE 802.16m evaluation methodology document,2009-01-15

2 Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker.LTE-the UMTS long term evolution.WILEY,2009

3 沈嘉，索士强等编著.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计.北京：人民邮电出版社，2008

4 3GPP TR25.996 V6.1.0.Spatial channel model for multiple input multiple output(MIMO)simulations,release 6,2003-09

5 IST-WINNER II Deliverable 1.1.2 v1.2.WINNER II channel models.IST-WINNER2 Tech Rep,http://www.ist-winner.corg/deliverables.html,2007