TD-LTE 2天线与8天线性能差异的理论研究

杨东轶



TD-LTE 2天线与8天线性能差异的理论研究

杨东轶

广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院，广东 广州 510000

MIMO技术是LTE系统的核心技术之一，是实现移动通信系统高容量、高频谱效率的重要手段。主要从技术原理上分析了2/8天线TD-LTE系统性能上的差异，为TD-LTE网络规划建设提供参考意义。

TD-LTE；MIMO；波束赋形；2天线；8天线

1 概论

MIMO是LTE系统的核心技术之一。8天线对比2天线，上行信道可获得更高的接收分集增益；下行信道由于TM7采用专用波束赋形技术，有明显的赋形增益存在。故8天线对比2天线优势体现在两方面：

（1）覆盖能力：在相同边缘速率要求下，8天线覆盖小区半径更大。

（2）吞吐量：在相同信道条件下，用户无论处于静止或移动状态，8天线小区吞吐量都明显高于2天线的吞吐量。

2 多天线技术（MIMO）原理

3GPP在R8中定义了7种PDSCH多天线传输模式，R9在此基础上增加了第8种传输模式，有效地支持了8通道智能天线。每种传输模式中，都包含了两种传输方案：主传输方式和回退方式。

传输模式多天线方案 TM1单天线传输模式 TM2发送分集 TM3开环空分复用 TM4闭环空分复用 TM5多用户MIMO TM6闭环空分复用 TM7单流波束赋形 TM8双流波束赋形

2.1 2天线传输方案

TD-LTE Rel-8版本适用于2天线的传输模式主要有：TM2、TM3、TM4。

2.2 8天线传输方案

MIMO技术通过多天线系统获得分集增益、阵列增益及空分复用增益。波束赋形技术是一种基于小间距多天线阵列是线性预处理技术，可以根据系统的性能指标，形成对基带信号的最佳组合和分配。

波束赋形技术可以根据信道信息的反馈方式分为基于码本的和基于信道互易性两种方式。

相对于FDD系统而言，TDD系统更适合信道互易性的方式，该方式使用上行信号反馈获得上行信道信息，并将这些信道信息应用于下行发送的开环波束赋形技术中，有效地挖掘系统发端的多天线增益，扩大系统覆盖，提高系统容量，增强抗干扰能力。

8天线除了可以支持2天线的传输模式外，还支持TM7和Rel-9中的TM8。

利用信道互易性得到赋形向量的典型算法有特征值波束赋形，其波束赋型矩阵具体计算如下：

其中，从大到小排序的非零奇异值对应的特征向量分别表示为：（的第一列）、（的第二列），…，（的第列）。取的前个右奇异向量表示为

=，

那么单用户多流波束赋形矩阵为：

采用TM8时，也有相应的赋形向量的计算方法。

3 理论分析

3.1 上行信道性能分析

式中，y为接收信号，x为发送信号，n为噪声，H为信道矩阵，假设接收天线为，由于目前TD-LTE系统上行仅支持单天线发送，则H、y、n为的矢量，x为的矢量。

假设接收端采用MRC检测算法，则检测后的信号模型如下所示：

故：8天线的接收机信噪比为：

2天线的接收机信噪比为：

可以看出，相对于2天线，8天线上行采用8根天线接收，至少存在6dB的接收分集增益，此时上行所有信道性能都会明显提升，上行覆盖也会明显增强。

3.2 下行信道性能分析

3.2.1 下行控制信道性能分析

2天线而言：假设天线端口号分别为0、1，则对于接收天线0来说，此时的信号为：

8天线而言：假设物理天线端口号分别为0、1、2、3、4、5、6、7，假设此时物理天线0、1、2、3发送“逻辑”天线端口0的信号，物理天线4、5、6、7发送“逻辑”天线端口1的信号，如不考虑广播波束赋形的影响。虽然此时存在4个物理信道发送天线端口1的数据，但是由于4个信道发送的都是相同的数据，则对接收天线0来说，此时接收天线端口0的信号为：

3.2.2 下行业务信道性能分析

3GPP规范中Rel-9版本中规定了8种传输模式。实际应用中2天线系统常用模式为模式2、3。

2/8天线的传输模式2、3的信号发送接收过程与控制信号类似，性能基本相同。差别主要在8天线传输模式7的port5和2天线传输模式2的SFBC。

对于接收天线0来说，此时接收port5的信号可以写成如下表达式：

假设接收端采用MRC检测算法，则检测后的信号模型如下所示：

4 单用户吞吐量

4.1 理论分析

上行采用8天线接收可以获得更高接收分集增益，因此8天线上行吞吐量要高于2天线上行吞吐量，在信噪比较低时尤为明显。下行虽然8天线对比2天线（port5对比SFBC），port5具备赋形增益优势。

图2   

图2给出了2天线SFBC、8天线SFBC和8天线port5的性能对比。从结果可以看出，在相同的信道模型下，2天线SFBC和8天线SFBC性能曲线几乎重合，这与理论分析吻合。8天线的port5相对于2天线的SFBC在低信噪比下性能增益非常明显，大部分在6-8dB左右。

4.2 2/8天线对比结论概述

由上述8天线与2天线的性能对比可见，8天线比2天线在覆盖和吞吐量方面都具备显著优势。

[1]广州杰赛通信规划设计院，LTE规划设计手册[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[2] 3GPP TS 36.211. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA），Physical channels and modulation[S].

[3] 3GPP TS 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA），Physical layer procedures[S].

杨东轶（1977—），男，汉族，通信工程专业，毕业院校为内蒙古大学，就职于广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院，从事移动通信网络规划设计工作。

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1009-6434（2016）03-0085-02