MIMO分布式天线系统中的延时失衡性能分析

邓单

(京信通信技术(广州)有限公司研发中心，广东广州510660)

在不增加传输功率和频率资源的基础上，为提高传输速率和增强小区覆盖能力，多入多出(MIMO)技术被广泛应用于各种无线通信标准中，其中包括3GPP长期演进(LTE)以及其高级版(LTEAdvanced)项目标准［1］。在LTE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)系统中上下行信道的互易性，针对单个用户进行动态地波束赋形，从而有效提高传输速率和增强小区边缘覆盖性能［2－3］。

在目前的LTE室内商用系统的基本配置［2］中，一般采用2×2天线配置。下行BS采用双天线分集或者复用发射，UE采用双天线接收。上行UE采用单天线发射，BS采用双天线接收，即接收分集［3－4］。理论分析中，大多假设多天线阵列中各天线单元增益相同且时延相等。但在实际工程应用中，由于馈线及器件制造工艺的差异，会引入天线单元的增益与时延的差异。中国移动企业标准［5］中，对于宏基站天线有明确的规定:各天线端口的幅度偏差≤0.7 dB;相位偏差≤5°。

在实际的室内分布式天线系统中，由于馈线以及极化天线本身的差异会引入天线延时不平衡因素。文中将对基于LTE系统，分析分布式天线系统中延时失衡对LTE基带系统带来的影响，并评估其可行性。

1 延时分析模型

以LTE 20 MHz带宽系统分析:采样周期T=1/30.72 MHz=0.032 6 μs，对应于光速传播距离约为9.8 m。以10 MHz带宽分析:采样率为15.36 MHz，对应于光速传播距离为19.6 m。假设时域上采样点偏移N0，则相应在频域上的变换如式(1)所示。

从式(1)可以看到，时域上线性偏移，频域上叠加线性相偏。时域上偏移越多，相偏变化越快。偏移两个采样点后，等效的频域信道估计响应如图1所示。

图1 偏移两个采样点后的等效频域信道估计响应

从图1可以看出，频域等效信道响应呈周期性变化;当信道偏移量扩大时，此变化周期变快;当变化周期快于频域信道估计周期时，系统性能将会恶化。LTE下行帧结构中，采用每个RB在频域上包含14个子载波，中间插入两个Pilot，用于信道估计。Pilot中间位置则使用插值算法作估计。如果频域相偏变化过快，则会导致插值算法估计不准确，影响链路性能［6］。

假设LTE 2×2 MIMO系统，发射天线存在不同步的情况如图2所示。

图2 发射端天线间不同步示意图

以接收端天线1为例，在FFT窗内对接收数据作变换，设r1(i)，r2(i)分别为来自发送端天线1和天线2的Data区域的时域信号抽样点，其中0≤i≤NFFT－1，并设r2(i)为接收端FFT窗内的时域信号抽样点，时延为p个抽样点。

式中，Rn(k)和Rn，m(k)的下标m和n分别表示发送天线号和接收天线号;k为子载波号。

在下行接收端

由于下行DMRS并非在频域上连续分布，因此φ与k不一定相等，即由天线2时延造成的相位偏差不一定可以消除，从而造成接收端解调性能的下降。

2 仿真与分析

为验证延时失衡理论分析结果的正确性，文中在不同信道环境下，针对LTE典型业务进行仿真，并对结果进行分析比较。系统采用10 MHz带宽，15.36 MHz采样。上行链路仿真参数:仿真信道采用LTE标准中EPA 5 Hz信道;仿真业务采用LTE标准的FRC A4－6;信道估计算法采用LS平均算法;天线配置为1×2 SIMO;接收合并采用最大比合并(MRC)算法。下行链路仿真参数:仿真信道采用EPA 5 Hz;仿真业务中块长5 736，调制方式为16QAM;信道估计采用LS线性插值;天线配置为2×2MIMO。发送模式:两天线不带CDD的空间复用。

首先分析接收端由于两天线间上行延时不平衡，对系统造成的影响。分析高斯白噪声信道下，不同信噪比环境下，不同的延时差异条件下，系统性能的恶化情况。图3是AWGN信道下的BER仿真结果。

从图3中可以看出，上行由于LTE标准中频域插入的RS为全频段设置，接收机不需要进行频域插值，所以延时对接收机几乎没有影响。

图3 上行MRC延时失衡BER性能曲线

另外，还分析了下行MIMO配置下，发射天线延时差异对系统性能的影响。在不同信噪比环境和不同延时差异条件下的性能对比如图4所示。

图4 下行2×2 MIMO延时失衡BER性能曲线

由于LTE 10 MHz带宽配置时，CP长度为72采样点。在时延差异＜CP/8(即9个采样点)的情况下，系统的性能几乎没有下降;当时延差异较大时，系统性能下降明显;在时延差异达到0.5 CP时，系统性能会有约2 dB损失;当延时差异达到0.75 CP时，性能下降达到8 dB。

3 结束语

MIMO室内分布式天线系统中，由于馈线以及极化天线本身的差异会引入延时不平衡因素。针对MIMO系统，首先从理论上分析分布式天线系统中延时失衡对MIMO系统带来的影响。通过仿真，定量分析了MIMO上下行链路中，延时失衡对基带性能的不利影响。结果表明:上行链路性能对延时差异不敏感;对下行链路，在时延差异达到0.5 CP时，系统性能会有约2 dB损失;当延时差异达到0.75 CP时，性能下降达到8 dB。

［1］ 沈嘉．3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计［M］．北京:人民邮电出版社，2008．

［2］ 胡宏林，徐景．3GPP LTE无线链路关键技术［M］．北京:电子工业出版社，2008．

［3］ 3GPP Organization．GPP TS 36.211 v8.6.0．3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access(e－utra);physical channels and modulation(Release8)［S］．USA:3GPP Organization，2009．

［4］ 3GPP Organization．3GPP TS 36.104 v8.6.0．3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access(E－UTRA);base station(BS)radio transmission and reception(Release 8)［S］．USA:3GPP Organization，2009．

［5］ 中国移动通信集团公司．TD－LTE双极化智能天线阵列设备规范［S］．北京:中国移动通信集团公司，2009．

［6］ GERARD J．Foschini，layered space－time architecture for wireless communication in a fading environment when using multi－element antennas［J］．Bell Labs Technical Journal，1996(4):41－59．