曠婧華，龍紫薇，鄧 偉

（中國移動(dòng)通信有限公司研究院 北京100053）

1 引言

TD-LTE系統(tǒng)中，基站側(cè)廣泛采用8天線配置，而終端側(cè)的發(fā)射天線目前只有1根，因而上行無法進(jìn)行多天線傳輸，獲得多天線復(fù)用增益。如能將空間隔離度較好的兩個(gè)終端的發(fā)射天線配對(duì)進(jìn)行上行傳輸，則可與基站的多根接收天線進(jìn)行多天線傳輸，這種上行信號(hào)傳輸算法被稱為上行多用戶復(fù)用MIMO（上行MU-MIMO）。

上行MU-MIMO傳輸方式從單一用戶的角度看，由于用戶配對(duì)前后可用的最大資源數(shù)量不變，因而對(duì)單用戶吞吐量沒有提升。但由于兩個(gè)配對(duì)用戶在上行MU-MIMO傳輸模式下可復(fù)用同一時(shí)頻資源進(jìn)行上行傳輸，并通過空間隔離予以區(qū)分，因而用戶配對(duì)后，整個(gè)小區(qū)可用的最大資源數(shù)將有大幅提高，小區(qū)吞吐量資源將有顯著提高。

下行傳輸中，基站側(cè)8根發(fā)射天線可實(shí)現(xiàn)3GPP R9規(guī)范[1]中定義的TM8雙流波束成形傳輸。當(dāng)TM8工作在單用戶雙流時(shí)，基站對(duì)要發(fā)射的兩個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行下行成形[2]，實(shí)現(xiàn)單用戶雙流傳輸，同時(shí)獲得成形增益和空間復(fù)用增益，較單流波束成形而言，雙流波束可以獲得更高的傳輸速率。單用戶雙流TM8傳輸模式如圖1所示。但由于單用戶的雙流間存在一定程度的干擾，將會(huì)影響系統(tǒng)性能。且由于目前終端僅有1根發(fā)射天線，終端通過該天線發(fā)送上行sounding信號(hào)后，基站僅能獲得下行單流的信道質(zhì)量信息，另一個(gè)流的信道質(zhì)量信息無法獲得，只能近似處理為與第一個(gè)流正交?；緦?duì)雙流波束成形的信道信息估計(jì)困難，將會(huì)影響雙流波束成形的效果。

圖1 單用戶雙流TM8傳輸模式示意

針對(duì)下行TM8單用戶雙流模式存在的缺陷，可進(jìn)一步引入下行多用戶復(fù)用MIMO傳輸方式（下行MU-MIMO，或稱MU-BF），基站利用波束方向性，將TM8的雙流分配給空間隔離度較好的兩個(gè)配對(duì)用戶，用戶之間的干擾利用波束成形算法刪除，使兩流間的干擾大幅減小[3，4]。同時(shí)，兩個(gè)配對(duì)用戶采用正交的導(dǎo)頻端口，可共用下行的時(shí)頻資源進(jìn)行空分多址傳輸，進(jìn)一步獲得多用戶復(fù)用增益，提升小區(qū)吞吐量。TM8兩用戶雙流傳輸模式如圖2所示。

圖2 TM8兩用戶雙流傳輸模式示意

前期針對(duì)上行和下行MU-MIMO的性能仿真評(píng)估中，上行MU-MIMO算法預(yù)計(jì)能夠提升小區(qū)上行平均吞吐量40%左右，較TM3/8自適應(yīng)傳輸模式而言，下行MU-MIMO可提升小區(qū)下行平均吞吐量7%左右。在TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)現(xiàn)網(wǎng)中，上行/下行MU-MIMO算法實(shí)現(xiàn)時(shí)用戶配對(duì)基于什么準(zhǔn)則，配對(duì)后性能提升到什么程度，這都將是上行/下行MU-MIMO算法測(cè)試驗(yàn)證的重點(diǎn)，也是本文闡述的重點(diǎn)。

2 性能評(píng)估

為驗(yàn)證上行/下行MU-MIMO技術(shù)在TD-LTE系統(tǒng)中的性能，已在TD-LTE擴(kuò)大規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)中的兩處測(cè)試地點(diǎn)開展了相關(guān)外場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試場(chǎng)景均為密集城區(qū)。

2.1 上行MU-MIMO外場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證

對(duì)上行MU-MIMO性能的測(cè)試主要包含雙終端吞吐量和小區(qū)吞吐量?jī)煞矫鎯?nèi)容。對(duì)雙終端吞吐量指標(biāo)的考察，意在對(duì)上行MU-MIMO技術(shù)開展定點(diǎn)測(cè)試，探究技術(shù)的優(yōu)勢(shì)區(qū)間；對(duì)小區(qū)吞吐量指標(biāo)的考察，意在小區(qū)整體性能的基礎(chǔ)上評(píng)估上行MU-MIMO的增益。

在雙終端吞吐量測(cè)試中，兩個(gè)終端分別按測(cè)試條件放置在小區(qū)中的極好點(diǎn)(SINR>22 dB)、好點(diǎn)(15 dB≤SINR≤20 dB)、中點(diǎn)(5 dB≤SINR≤10 dB)和差點(diǎn)(-5 dB≤SINR≤0 dB)等不同地理位置，分別考察雙終端在上行MU-MIMO功能開啟前后的雙終端定點(diǎn)吞吐量，以便評(píng)估上行MU-MIMO技術(shù)的優(yōu)勢(shì)區(qū)間。測(cè)試過程中，為便于考察雙終端配對(duì)時(shí)的信道條件，兩個(gè)終端將分別同時(shí)放置在極好點(diǎn)+極好點(diǎn)、好點(diǎn)+好點(diǎn)、中點(diǎn)+中點(diǎn)、差點(diǎn)+差點(diǎn)以及好點(diǎn)+中點(diǎn)、好點(diǎn)+差點(diǎn)、中點(diǎn)+差點(diǎn)，如圖3所示。下面將分別介紹這些測(cè)試條件下的測(cè)試結(jié)果。

圖3 上行MU-MIMO雙終端吞吐量測(cè)試條件

測(cè)試地點(diǎn)A開展的上行MU-MIMO雙終端吞吐量性能測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由結(jié)果可見，位于極好點(diǎn)、好點(diǎn)、中點(diǎn)的用戶增益明顯，上行MU-MIMO開啟后雙終端吞吐量性能增益可達(dá)43%～69%；而位于差點(diǎn)的用戶（包含雙終端中其一位于差點(diǎn)的用戶），上行MU-MIMO開啟后雙終端的吞吐量性能增益較小。

不同地理位置的用戶所表現(xiàn)出的增益差異的根本原因在于上行MU-MIMO配對(duì)算法。上行MU-MIMO算法中以用戶為配對(duì)單位，當(dāng)兩個(gè)用戶配對(duì)成功后，基站將根據(jù)配對(duì)用戶整體的信道質(zhì)量進(jìn)行調(diào)度，兩配對(duì)用戶的上行資源得到完全復(fù)用。當(dāng)且僅當(dāng)兩個(gè)潛在配對(duì)用戶同時(shí)達(dá)到以下配對(duì)條件時(shí)，基站才會(huì)對(duì)雙終端進(jìn)行配對(duì)。配對(duì)條件介紹如下：

圖4 測(cè)試地點(diǎn)A上行MU-MIMO雙終端吞吐量性能

·潛在配對(duì)用戶的信道質(zhì)量達(dá)到一定門限；

·潛在配對(duì)用戶之間的空間隔離度（天線角度）達(dá)到一定要求；

·基站評(píng)估潛在配對(duì)用戶，確認(rèn)兩個(gè)用戶配對(duì)后頻譜效率或吞吐量能夠得以提升，才予以配對(duì)。

對(duì)位于極好點(diǎn)、好點(diǎn)及中點(diǎn)的用戶，由于信道條件較好，因而較易達(dá)到配對(duì)所需的信道質(zhì)量門限要求，此時(shí)如果配對(duì)用戶間空間隔離度較好，基站則會(huì)進(jìn)行配對(duì)。配對(duì)用戶在空間維度對(duì)同一時(shí)頻資源進(jìn)行復(fù)用，使得雙終端吞吐量呈現(xiàn)大幅增長(zhǎng)；對(duì)差點(diǎn)用戶或者有一個(gè)位于差點(diǎn)的兩個(gè)用戶而言，達(dá)到配對(duì)所需的信道質(zhì)量門限要求較難，或配對(duì)后受限于信道條件，難以獲得更多的調(diào)度資源，基站評(píng)估雙終端配對(duì)后反而會(huì)導(dǎo)致頻譜效率或吞吐量下降，從而配對(duì)成功率將大大下降。因而對(duì)差點(diǎn)用戶而言，上行MU-MIMO算法開啟后雙終端吞吐量沒有明顯增益。

圖5 測(cè)試地點(diǎn)B上行MU-MIMO雙終端吞吐量性能

測(cè)試地點(diǎn)B開展的上行MU-MIMO雙終端吞吐量性能測(cè)試結(jié)果如圖5所示。測(cè)試地點(diǎn)B的測(cè)試結(jié)果與測(cè)試地點(diǎn)A的結(jié)果呈現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，原因是采取的上行MU-MIMO算法基本一致，對(duì)位于極好點(diǎn)、好點(diǎn)及中點(diǎn)處空間隔離度較好的用戶而言，由于信道條件利于用戶成功配對(duì)，因而上行MU-MIMO算法開啟后雙終端吞吐量會(huì)獲得較為明顯的增益；對(duì)差點(diǎn)用戶或有一個(gè)位于差點(diǎn)的兩個(gè)用戶而言，受限于信道質(zhì)量，配對(duì)成功率較低，雙終端吞吐量并沒有明顯增益。

為評(píng)估上行MU-MIMO對(duì)小區(qū)整體吞吐量性能的影響程度，需進(jìn)一步開展小區(qū)吞吐量測(cè)試。在小區(qū)吞吐量測(cè)試中，共8部終端均勻分布在一個(gè)小區(qū)的極好點(diǎn)、好點(diǎn)、中點(diǎn)和差點(diǎn)等不同地理位置，如圖6所示，測(cè)試中需分別考察在上行MU-MIMO功能開啟前后的小區(qū)吞吐量性能。

測(cè)試地點(diǎn)A及測(cè)試地點(diǎn)B的小區(qū)吞吐量測(cè)試結(jié)果如圖7所示，在上行MU-MIMO算法開啟后，由于部分用戶進(jìn)行上行多用戶復(fù)用配對(duì)，小區(qū)整體可用資源得到大幅提升，小區(qū)平均吞吐量增益在40%以上，與前期性能仿真預(yù)期基本一致。

綜合兩個(gè)測(cè)試地點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果，上行MU-MIMO算法的優(yōu)勢(shì)區(qū)間主要在于極好點(diǎn)、好點(diǎn)和中點(diǎn)。處于這些位置的終端在MU-MIMO開啟后配對(duì)成功率較高，得益于配對(duì)用戶對(duì)時(shí)頻資源的復(fù)用，瞬時(shí)可用資源數(shù)量急劇增加，雙終端吞吐量增益可達(dá)39%～71%；從上行MU-MIMO對(duì)小區(qū)整體吞吐量性能的影響方面，上行MU-MIMO算法開啟后小區(qū)吞吐量增益在40%以上。

圖6 上行MU-MIMO小區(qū)吞吐量測(cè)試條件

圖7 上行MU-MIMO小區(qū)吞吐量性能

2.2 下行MU-MIMO外場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證

因下行MU-MIMO功能需基于TM8模式開啟，而TM8模式的優(yōu)勢(shì)區(qū)間已形成明確結(jié)論，主要位于小區(qū)中點(diǎn)，因而下行MU-MIMO算法的定點(diǎn)吞吐量測(cè)試無需單獨(dú)開展，對(duì)下行MU-MIMO算法的性能評(píng)估將主要側(cè)重于小區(qū)吞吐量性能。

下行MU-MIMO小區(qū)吞吐量性能測(cè)試中，20部測(cè)試終端按照1∶2∶4∶3的比例放置在小區(qū)內(nèi)信道質(zhì)量條件不同的測(cè)試點(diǎn)，在極好點(diǎn)放置2部終端，在好點(diǎn)放置4部終端，在中點(diǎn)放置8部終端，在差點(diǎn)放置6部終端，測(cè)試條件如圖8所示，考察在TM3/8自適應(yīng)傳輸模式的基礎(chǔ)上下行MU-MIMO算法開啟前后的小區(qū)吞吐量性能。

測(cè)試地點(diǎn)A及測(cè)試地點(diǎn)B在空擾及鄰區(qū)業(yè)務(wù)70%加擾下的小區(qū)吞吐量性能測(cè)試結(jié)果如圖9所示。不論是在空擾還是在加擾情況下，下行MU-MIMO算法對(duì)下行小區(qū)吞吐量性能的提升程度都較為有限，在5%～8%，基本符合前期性能仿真預(yù)期，中點(diǎn)處用戶的下行吞吐量增益在14%～19%。下面就下行MU-MIMO算法實(shí)現(xiàn)方案和其中存在的問題做一簡(jiǎn)單分析。

圖8 下行MU-MIMO小區(qū)吞吐量測(cè)試條件

圖9 下行MU-MIMO小區(qū)吞吐量性能

下行MU-MIMO算法中，用戶配對(duì)條件與上行MU-MIMO算法基本一致，除需考察配對(duì)用戶各自的信道條件及用戶間的空間隔離度外，基站還將評(píng)估潛在配對(duì)用戶在配對(duì)后頻譜效率或吞吐量是否能夠得以提升，如不能則不予配對(duì)。因而與上行MU-MIMO算法類似，信道質(zhì)量條件較差的用戶將難以成功配對(duì)。

與上行MU-MIMO算法不同之處在于，下行MU-MIMO算法的配對(duì)單位不是用戶，而是PRB級(jí)別的。因而在理想的算法實(shí)現(xiàn)方案中，某一個(gè)用戶下行所使用的不同PRB資源將可分別與其他符合配對(duì)條件的用戶的該部分下行PRB資源進(jìn)行配對(duì)，因而從某一個(gè)用戶的下行資源使用角度而言，該用戶將根據(jù)各PRB的瞬時(shí)信道質(zhì)量，與多個(gè)用戶存在動(dòng)態(tài)的下行資源配對(duì)關(guān)系。但基于目前主流系統(tǒng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)算法的測(cè)試結(jié)果，僅有部分算法能夠達(dá)到以PRB為顆粒度的配對(duì)要求，其余部分算法仍以用戶為下行MU-MIMO配對(duì)單位，導(dǎo)致配對(duì)成功率降低，算法實(shí)現(xiàn)方案還有待優(yōu)化。

目前下行MU-MIMO算法產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)中還存在一個(gè)問題，配對(duì)時(shí)篩選潛在用戶還僅限于在TM8單流用戶范圍內(nèi)，即基站目前僅能對(duì)TM8單流用戶進(jìn)行下行MU-MIMO配對(duì)，使兩個(gè)TM8單流用戶復(fù)用同一下行時(shí)頻資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在此情況下，下行MU-MIMO算法配對(duì)增益將受限于小區(qū)中TM8單流傳輸模式的比例。小區(qū)中TM8單流用戶主要位于中點(diǎn)和差點(diǎn)，但是差點(diǎn)用戶受限于信道質(zhì)量，配對(duì)成功率較低，因而主要的增益區(qū)間位于中點(diǎn)，這也正是測(cè)試中中點(diǎn)用戶下行吞吐量存在增益的原因。

但是目前設(shè)備實(shí)現(xiàn)中僅將TM8單流用戶作為下行MU-MIMO潛在配對(duì)用戶的方法是非常局限的，算法應(yīng)能將采用TM8雙流傳輸?shù)挠脩粢布{入潛在配對(duì)用戶范圍。因單用戶雙流用戶的兩流之間存在一定的干擾，且由于終端上行傳輸僅采用單一發(fā)射天線，無法對(duì)雙流信道條件進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，因而較單用戶雙流而言，下行雙流服務(wù)于空間隔離度較好的兩個(gè)用戶的MU-MIMO傳輸模式將存在一定的潛在增益。應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化下行MU-MIMO算法實(shí)現(xiàn)方案，將TM8雙流單用戶情況也納入下行MU-MIMO潛在配對(duì)用戶范圍。

綜合而言，下行MU-MIMO算法對(duì)下行小區(qū)吞吐量性能的提升程度較為有限，下行小區(qū)吞吐量增益為5%～8%，算法的實(shí)現(xiàn)方案還存在以下局限性，仍需進(jìn)一步優(yōu)化，如下：

·下行MU-MIMO算法配對(duì)顆粒度和相應(yīng)的下行預(yù)編碼顆粒度還有待提升，以便根據(jù)瞬時(shí)下行PRB資源的信道條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的配對(duì)選擇；

·下行MU-MIMO算法對(duì)潛在配對(duì)用戶的篩選還較為局限，應(yīng)將使用TM8雙流的用戶也納入潛在配對(duì)用戶范圍，可根據(jù)信道條件將雙流拆分為符合配對(duì)條件的兩個(gè)單用戶單流。

3 結(jié)束語

本文分別介紹了上行MU-MIMO算法和下行MU-MIMO算法在TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)中的外場(chǎng)測(cè)試性能和算法實(shí)現(xiàn)，并指出了目前TD-LTE系統(tǒng)中MU-MIMO算法的實(shí)現(xiàn)問題。

上行MU-MIMO算法的優(yōu)勢(shì)區(qū)間位于小區(qū)信道質(zhì)量條件較好的極好點(diǎn)、好點(diǎn)和中點(diǎn)，算法開啟后雙終端定點(diǎn)吞吐量可提升39%～71%；當(dāng)用戶平均分布在小區(qū)信道質(zhì)量不同的測(cè)試點(diǎn)時(shí)，小區(qū)上行吞吐量增益在40%以上。由分析可見，上行MU-MIMO算法應(yīng)重點(diǎn)部署在信道質(zhì)量條件較好的區(qū)域，通過引入多用戶對(duì)上行資源的復(fù)用，有效提升小區(qū)吞吐量。

與TM3/8自適應(yīng)模式相比，下行MU-MIMO算法對(duì)小區(qū)下行吞吐量的提升程度較為有限，小區(qū)吞吐量增益在5%～8%。目前下行MU-MIMO算法的實(shí)現(xiàn)方案還不夠完善，在配對(duì)資源顆粒度和配對(duì)用戶的篩選方面還存在算法優(yōu)化的空間，需要進(jìn)一步完善實(shí)現(xiàn)方案。

1 3GPP TS 36.211.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation,2008

2 Zhou S L,Giannakis G B.Optimal transmitter eigen-beamforming and space-time block coding based on channel correlations.IEEE Transactions on Information Theory,2003,49(7):1673～1690

3 Jia Liu,Krzymien W A.A novel nonlinear joint transmitter-receiver processing algorithm for the downlink of multiuser MIMO systems.IEEE Transactions on Vehicular Technology,2008,57(4):2189～2204

4 Spencer Q H,Swindlehurst A L,Haardt M.Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing in multiuser MIMO channels.IEEE Transactions on Signal Processing,2004,52(2):461～471