TD-LTE双流波束成形探讨

郭建光

（中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司，石家庄 050021）

1 引言

TD-LTE在R9阶段新增了双流波束成形技术，共8种传输模式，每种模式对应了不同的MIMO传输形式，其中模式7、模式8又是针对TDD系统所特有的波束成形技术[1]，模式7的波束成形技术在一阶段测试时，已经较为充分的验证了其性能的优越性。针对边缘用户以及无线环境不理想的情况下，TM7(单流波束成形)对于改善无线环境，提高用户感知，提升小区的整体吞吐量有着较为重要的作用。TM3（开环空间复用）目前采用的2×2MIMO，可以针对同一个用户传输双流，理论上翻倍的提高了单用户的峰值吞吐量，直接体现了TD-LTE系统的性能优越性[2]。正是基于此，TM8（双流波束成形）同时取纳了开环空间复用与单流波束成形的优点，将空间复用与波束成形有机的结合起来，这样在改善无线环境的同时又尽量合理的提高了用户的吞吐量。

2 TM8原理简介

双流波束成形技术应用于信号散射体比较充分的条件下，是智能天线波束成形技术和MIMO空间复用技术的有效结合，在TD-LTE系统中，利用TDD信道的对称性，同时传输两个成形数据流来实现空间复用，并且能够保持传统单流波束成形技术广覆盖、提高小区容量和减少干扰的特性，既可以提高边缘用户的可靠性，同时又可有效提升小区中心用户的吞吐量[3]。

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。8天线双流波束成形技术的使用，接收端至少需要有2根天线。根据调度用户的情况不同，双流波束成形技术可以分为单用户双流波束成形技术和多用户双流波束成形技术。

2.1 单用户

单用户双流波束成形技术，由基站测量上行信道，得到上行信道状态信息后，基站根据上行信道信息计算两个成形矢量，利用该成形矢量对要发射的两个数据流进行下行成形。采用单用户双流波束成形技术，使得单个用户在某一时刻可以进行两个数据流传输，同时获得成形增益和空间复用增益，可以获得比单流波束成形技术更大的传输速率，进而提高系统容量。

2.2 多用户

多用户双流波束成形技术，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，多用户匹配完成后，按照一定的准则生成波束成形矢量，利用得到的波束成形矢量为每一个UE、每一个流进行成形。

多用户双流波束成形技术，利用了智能天线的波束定向原理，实现多用户的空分多址。

2.3 应用场景

8天线双流波束成形技术是TD-LTE建网的主要技术，应用于室外场景的宏小区覆盖，可以有效的增加空间隔离度，降低数据流之间的干扰。利用4+4双极化天线，使用双流波束成形技术实现室外宏小区覆盖[4]。

2.4 双流波束成形的参考信号时频图

LTE R9版本中对于DM-RS参考信号的引入不是R8解调参考信号的简单延伸，而是一个新的结构。如果基于R8的DM-RS结构，将难以实现，因而R9版本引入了一个新的，更加面向未来的结构，而不是扩展R8结构以支持两个参考信号。如下图1所示，在双流波束成形的传输模式下，采用12个资源块对的参考信号，这12个资源块均为两个参考信号所用，参考信号之间的干扰是通过给连续的参考符号对使用相互正交的模式来处理，即正交覆盖代码（OCC）,除了相互正交的模式，还可以给这些参考符号使用一个伪随机序列[5]。这个序列对这两个参考信号相同，因此不会影响传输参考信号之间的正交性。相反，伪随机序列是为了在所谓的MU-MIMO传输的情况下区分给不同终端的解调参考。

3 TM8性能探讨

3.1 提高单用户吞吐量

由于双流波束成形既采用了双流来提高吞吐量，又采用了波束成形来抗干扰，由于成形技术更适合边缘用户，因而相交于开环空间复用，双流波束成形更适合应用于中点以及差点等相关位置。如图2所示。

图1 TM8模式下的DM-RS参考信号时频结构

图2 TM3、8模式下单用户吞吐量对比

分别定义了好点、中点、差点的SINR范围，为了使对比更加明显，在好点分别采用开环空间复用（TM3）、双流波束成形（TM8）对单个用户的吞吐量进行测量，中点、差点依然。从图中可以发现，在好点TM3的性能与TM8相差无几，基本持平，在中点、以及差点，TM8的成形增益逐渐较好的体现出来，由部分实验结果可以发现，在中点TM8的较TM3的性能提升40%左右，在差点，TM8的性能体现的更为明显性能提升大概在70%左右。以上分析均为TM8较TM3的性能体现，现对比一下TM8相较于TM7的性能优劣，如图3所示。

图3 TM7、8模式下单用户吞吐量对比

从图3分析可以得出，TM8相较于TM7在好、中、差点的性能增益的提高趋势，与TM8跟TM3的增益趋势截然相反，在好点TM3的增益较TM7约为50%,在中点约为25%,在差点TM8的性能与TM7的性能相差无几，基本持平。归其原因笔者认为在好点，由于TM8大多采用了双流，速率会成倍提高，在中点由于信道环境不如好点理想，因而TM8双流与单流均有采用，但整体上会比单流波束成形速率高。在差点TM8也大多采用单流，因而与TM7的性能基本持平。综合各种相关因素，笔者认为，TM8更适合应用于无线环境较好的中点环境，相较于TM3、TM7两种常采用的传输模式，性能均有较大提升，从而整体上提高用户的感知。

3.2 提升小区吞吐量

对于小区吞吐量的提升效果验证，采用了全小区采用开环空间复用（TM3），全小区采用单流波束成形(TM7)、全小区采用模式3/7自适应、全小区采用TM84种情况下进行对比测试。实验条件均为单小区20MHz带宽，2:2时隙配置。

图4 TM3、7、8模式下小区平均吞吐量对比

从图4不难得到，TM3、TM7以及TM3/7自适应3种情况下，各自对应的小区吞吐量唯TM3/7自适应最高，TM3次之，TM7最低。也应证了模式自适应较固定模式的优势，TM7由于其始终为单流，因而小区吞吐量最低。此三种情况相较于TM8模式，无论是小区采用开环空间复用还是单流波束成形的小区吞吐量均不如双流波束成形的小区吞吐量高，TM8对于小区吞吐量的抬升较为明显，统计数据显示，TM8对于小区吞吐量的提高大概有10%-30%的增益。

3.3 双流波束成形抗小区间干扰

双流波束成形由于其成形特性，对于小区边缘用户间的干扰具有很强的协调作用，从而降低了小区间的干扰。对于小区间的干扰直接体现为SINR指标的抬升，由如图5所示。

图5 TM3、7、8模式下全网平均SINR与边缘SINR对比

可以推知在全网平均SINR值以及边缘用户的SINR平均值，TM8模式均较TM7以及TM3两种模式的性能有所提升。从而优化了全网的无线环境，实现了小区间的干扰协调作用。

4 总结

结合前三节的分析结果，不难发现双流波束成形技术无论是在技术实现原理层面还是在现网的实验结果层面，均有一定的技术优势，尤其是对于单用户小区吞吐量的抬升、全网吞吐量的抬升，以及对于无线环境的优化及抗干扰方面均有其自身特点。因而双流波束成形为R9阶段TD-LTE不可或缺的一项创新，为推动TDLTE技术的发展起着较为重要的作用。

[1]沈嘉，索士强，全海洋. 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]王映民，孙韶辉. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京：人民邮电出版社，2010.

[3]郭建光，李寿鹏. TD-LTE传输模式性能分析[J], 移动通信，2011年8月增刊.

[4]http://wenku.baidu.com/view/a9726ff2f90f76c661371aad.html

[5]堵久辉，缪庆育. 4G移动通信技术权威指南[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2012.