楊東軼

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TD-LTE 2天線與8天線性能差異的理論研究

楊東軼

廣州杰賽科技股份有限公司通信規(guī)劃設計院，廣東 廣州 510000

MIMO技術是LTE系統(tǒng)的核心技術之一，是實現(xiàn)移動通信系統(tǒng)高容量、高頻譜效率的重要手段。主要從技術原理上分析了2/8天線TD-LTE系統(tǒng)性能上的差異，為TD-LTE網(wǎng)絡規(guī)劃建設提供參考意義。

TD-LTE；MIMO；波束賦形；2天線；8天線

1 概論

MIMO是LTE系統(tǒng)的核心技術之一。8天線對比2天線，上行信道可獲得更高的接收分集增益；下行信道由于TM7采用專用波束賦形技術，有明顯的賦形增益存在。故8天線對比2天線優(yōu)勢體現(xiàn)在兩方面：

（1）覆蓋能力：在相同邊緣速率要求下，8天線覆蓋小區(qū)半徑更大。

（2）吞吐量：在相同信道條件下，用戶無論處于靜止或移動狀態(tài)，8天線小區(qū)吞吐量都明顯高于2天線的吞吐量。

2 多天線技術（MIMO）原理

3GPP在R8中定義了7種PDSCH多天線傳輸模式，R9在此基礎上增加了第8種傳輸模式，有效地支持了8通道智能天線。每種傳輸模式中，都包含了兩種傳輸方案：主傳輸方式和回退方式。

傳輸模式多天線方案 TM1單天線傳輸模式 TM2發(fā)送分集 TM3開環(huán)空分復用 TM4閉環(huán)空分復用 TM5多用戶MIMO TM6閉環(huán)空分復用 TM7單流波束賦形 TM8雙流波束賦形

2.1 2天線傳輸方案

TD-LTE Rel-8版本適用于2天線的傳輸模式主要有：TM2、TM3、TM4。

2.2 8天線傳輸方案

MIMO技術通過多天線系統(tǒng)獲得分集增益、陣列增益及空分復用增益。波束賦形技術是一種基于小間距多天線陣列是線性預處理技術，可以根據(jù)系統(tǒng)的性能指標，形成對基帶信號的最佳組合和分配。

波束賦形技術可以根據(jù)信道信息的反饋方式分為基于碼本的和基于信道互易性兩種方式。

相對于FDD系統(tǒng)而言，TDD系統(tǒng)更適合信道互易性的方式，該方式使用上行信號反饋獲得上行信道信息，并將這些信道信息應用于下行發(fā)送的開環(huán)波束賦形技術中，有效地挖掘系統(tǒng)發(fā)端的多天線增益，擴大系統(tǒng)覆蓋，提高系統(tǒng)容量，增強抗干擾能力。

8天線除了可以支持2天線的傳輸模式外，還支持TM7和Rel-9中的TM8。

利用信道互易性得到賦形向量的典型算法有特征值波束賦形，其波束賦型矩陣具體計算如下：

其中，從大到小排序的非零奇異值對應的特征向量分別表示為：（的第一列）、（的第二列），…，（的第列）。取的前個右奇異向量表示為

=，

那么單用戶多流波束賦形矩陣為：

采用TM8時，也有相應的賦形向量的計算方法。

3 理論分析

3.1 上行信道性能分析

式中，y為接收信號，x為發(fā)送信號，n為噪聲，H為信道矩陣，假設接收天線為，由于目前TD-LTE系統(tǒng)上行僅支持單天線發(fā)送，則H、y、n為的矢量，x為的矢量。

假設接收端采用MRC檢測算法，則檢測后的信號模型如下所示：

故：8天線的接收機信噪比為：

2天線的接收機信噪比為：

可以看出，相對于2天線，8天線上行采用8根天線接收，至少存在6dB的接收分集增益，此時上行所有信道性能都會明顯提升，上行覆蓋也會明顯增強。

3.2 下行信道性能分析

3.2.1 下行控制信道性能分析

2天線而言：假設天線端口號分別為0、1，則對于接收天線0來說，此時的信號為：

8天線而言：假設物理天線端口號分別為0、1、2、3、4、5、6、7，假設此時物理天線0、1、2、3發(fā)送“邏輯”天線端口0的信號，物理天線4、5、6、7發(fā)送“邏輯”天線端口1的信號，如不考慮廣播波束賦形的影響。雖然此時存在4個物理信道發(fā)送天線端口1的數(shù)據(jù)，但是由于4個信道發(fā)送的都是相同的數(shù)據(jù)，則對接收天線0來說，此時接收天線端口0的信號為：

3.2.2 下行業(yè)務信道性能分析

3GPP規(guī)范中Rel-9版本中規(guī)定了8種傳輸模式。實際應用中2天線系統(tǒng)常用模式為模式2、3。

2/8天線的傳輸模式2、3的信號發(fā)送接收過程與控制信號類似，性能基本相同。差別主要在8天線傳輸模式7的port5和2天線傳輸模式2的SFBC。

對于接收天線0來說，此時接收port5的信號可以寫成如下表達式：

假設接收端采用MRC檢測算法，則檢測后的信號模型如下所示：

4 單用戶吞吐量

4.1 理論分析

上行采用8天線接收可以獲得更高接收分集增益，因此8天線上行吞吐量要高于2天線上行吞吐量，在信噪比較低時尤為明顯。下行雖然8天線對比2天線（port5對比SFBC），port5具備賦形增益優(yōu)勢。

圖2 ??

圖2給出了2天線SFBC、8天線SFBC和8天線port5的性能對比。從結果可以看出，在相同的信道模型下，2天線SFBC和8天線SFBC性能曲線幾乎重合，這與理論分析吻合。8天線的port5相對于2天線的SFBC在低信噪比下性能增益非常明顯，大部分在6-8dB左右。

4.2 2/8天線對比結論概述

由上述8天線與2天線的性能對比可見，8天線比2天線在覆蓋和吞吐量方面都具備顯著優(yōu)勢。

[1]廣州杰賽通信規(guī)劃設計院，LTE規(guī)劃設計手冊[M].北京：人民郵電出版社，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].

楊東軼（1977—），男，漢族，通信工程專業(yè)，畢業(yè)院校為內(nèi)蒙古大學，就職于廣州杰賽科技股份有限公司通信規(guī)劃設計院，從事移動通信網(wǎng)絡規(guī)劃設計工作。

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1009-6434（2016）03-0085-02