TD-LTE-Advanced候选技术性能评估研究

张 勇，姜大洁，刘光毅

（中国移动通信有限公司研究院 北京 100032）

1 前言

在全球3G及增强型3G网络商用化进程稳步推进的同时，为满足移动宽带数据业务对传输速率的要求，2004年，3GPP组织提出了以OFDM/SC-FDMA和MIMO技术为核心、灵活支持1.4～20 MHz系统带宽的、采用扁平网络结构的3G长期演进系统，并命名为LTE（长期演进）。2007年10月，中国企业联合主流的国内外设备商、运营商以及研究机构，在3GPP RAN1第51次小组会提议并通过了统一的TDD制式的帧结构，并将LTE TDD正式命名为TD-LTE，为TD-SCDMA等TDD技术的进一步发展演进奠定了基础。

TD-LTE采用了多入多出天线（MIMO）关键技术，基站（evolved NodeB，eNB）支持 2/4/8根发送天线，移动台端支持2根接收天线。对于下行链路多天线的使用方法可以分为两大类，一类是基于码本的预编码（Precoding）传输方式，另一类是波束赋形（Beamforming）的传输方式。TD-LTE标准中所规定的流自适应的预编码传输属于闭环MIMO的范畴，它通过增加移动台信令反馈，使得发送数据的eNB知道更多有关信道特性的信息，通过预编码对发送信号进行加权，从而更加有效地利用空时信道的特性达到空间复用或者分集的效果。波束赋形技术利用发送天线之间的距离较近、相关性强的特点，通过对发送信号进行加权使得天线向外辐射的能量集中到某一个特定的方向，在增强移动台接收信号能量的同时，减弱对其他方向的干扰。实现波束赋形一般要求4或8根发送天线，这样才能形成较好的波束赋形效果。要形成赋形波束，还需要准确地知道空时信道矩阵。对于FDD系统，由于上下行信道采用不同的频率，且间隔较大，所以很难在基站端准确地知道下行信道的空时信道矩阵，而仅能通过一些空间的位置或者角度信息进行一定的方向性赋形。而对于TDD系统而言，由于上下行信道采用同一频率，在信道的相干时间范围内，上下行信道的响应可以认为是相同的，并将TDD的这一特性称之为信道互易性，所以TDD系统可以充分地利用TDD信道的信道互易性，最大限度地获得波束赋形带来的增益。同时，为了进一步提升波束赋形的性能，TD-LTE Release 9采用了双流波束赋形技术，通过单双流波束的自适应切换，最大限度地提升系统的整体频谱效率和峰值速率。

2009年 1月，ITU-R正式开始 IMT-Advanced（4G）候选技术的征集。为了持续保持LTE的技术竞争力，3GPP于2008年4月正式开始LTE的后续演进技术LTE-Advanced的研究和标准化，并于2009年将包括FDD和TDD制式的LTE-Advanced候选技术正式提交ITU-R。同时，中国也将由中国企业主导的LTE-Advanced的TDD模式正式命名为TD-LTE-Advanced，并作为中国的IMT-Advanced候选技术提交ITU-R。在Release 10中，为了进一步降低小区间的干扰和提升系统的整体频谱效率，TD-LTE-Advanced采用了多用户MIMO（MU-MIMO）和多点协作传输技术（CoMP）。

本文针对TD-LTE-Advanced，对其关键技术进行了深入的系统研究和验证。在频谱效率方面，TD-LTE-Advanced相对于TD-LTE的Release 8和9都有了显著的性能提升，远远超过了ITU-R对IMT-Advanced候选技术的最小性能要求；通过利用TDD系统的信道互易性，TD-LTEAdvanced的频谱效率相对于FDD系统有一定的性能优势。

2 评估方案

在TD-LTE系统中，对系统的整体频谱效率有重要影响的是MIMO技术，而且在TD-LTE的后续演进系统TD-LTE-Advanced中，也主要是从MIMO技术方面对系统进行了进一步的增强。本节首先介绍TD-LTE Release 8/9/10中的MIMO技术方案，然后再对不同的MIMO技术进行全面的系统性能评估。

2.1 下行评估方案

由于TD-LTE的Release 8和9的MIMO方案在TD-LTE-Advanced中仍然支持，所以TD-LTE-Advanced的性能评估中，下行链路主要考虑了5种传输方案，分别如图1～5所示。第一种是基于码本的预编码（SU-MIMO），通过对发送数据的预加权形成一个或两个传输流给一个用户；第二种是多用户MIMO（MU-MIMO），在发送端已知相应的多个用户的信道信息，通过发送信号的预处理，在同样的时间和频率资源上形成两个或者多个数据流，并发送给不同的用户；第三种是单用户波束赋形（SU-BF），通过波束赋形技术向单个用户发送数据；第四种是协作式波束赋形（CB/CS-CoMP），这是一种多基站相互协作的技术，基站之间通过交互信息，在服务本区用户的同时避免对邻区用户的干扰，最大限度地抑制整个系统中的干扰；第五种是多基站联合处理（JP-CoMP），这也是一种多基站相互协作的技术，可以将多个基站看作是一个统一的发射机，通过预先获得多个被服务用户的信道信息，它可以同时服务多个用户且几乎完全避免相互间的干扰。

2.2 上行评估方案

由于TD-LTE的单天线发送方案仍然在TD-LTEAdvanced中支持，所以在TD-LTE-Advanced上行链路的性能评估中考虑了4种传输方案，第一种是上行1发多收的方案（SIMO），即假设移动台只使用一根天线发送信号；第二种是单用户MIMO方案，假设基站端使用两根天线发送信号；第三种是上行的多用户虚拟MIMO；第四种是多基站协作式接收（CoMP），4种方案如图6～9所示。

3 性能评估结果

基于3GPP的仿真方法和仿真假设，本节给出TD-LTE-Advanced各项MIMO技术的系统整体性能研究结果。图10给出了在室内场景下，下行链路单用户MIMO和多用户MIMO的评估结果。在室内场景下，单用户MIMO和多用户MIMO的性能都远超过ITU-R规定的IMT-Advanced系统的最小性能需求。特别是多用户MIMO，其扇区平均性能比ITU-R需求高123%。

图11给出了室内场景下，上行链路SU-SIMO、SU-MIMO和MU-MIMO的评估结果。从图中可以看出，SU-SIMO、SU-MIMO都能满足ITU-R的需求，MU-MIMO的性能大幅高于ITU-R的需求。

图12给出了在城区微蜂窝场景下，下行链路MU-MIMO和CoMP的性能。从图中可以看出，MU-MIMO和CoMP都能满足ITU-R的需求。特别是多基站协作联合处理时的性能大幅高于ITU-R的需求。

图13给出了城区微蜂窝场景下，上行链路SU-SIMO和MU-MIMO的评估结果。所列技术方案都能满足ITU-R的需求。当有8根接收天线时，MU-MIMO的性能大幅高于ITU-R的需求。

图14给出了在城区宏蜂窝场景下，下行链路MU-MIMO和CoMP的性能。从图中可以看出，MU-MIMO和CoMP都能满足ITU-R的需求。特别是多基站协作联合处理时的性能大幅高于ITU-R的需求。

图15给出了在城区宏蜂窝场景下，上行链路SU-SIMO和MU-MIMO的评估结果。从图中可以看出，这些技术方案都能满足ITU-R的需求。当有8根接收天线时，MU-MIMO的性能大幅高于ITU-R的需求。

4 结束语

随着3GPP LTE Release 8和9标准化的完成，为了保持LTE的持续竞争力，3GPP开始了LTE-Advanced的研究和标准化。本文结合TD-LTE-Advanced标准化的最新进展，通过仿真评估，对TD-LTE-Advanced系统的综合性能进行了深入的研究和验证，包括预编码、波束赋形、多用户MIMO、CoMP等技术方案在各种复杂环境下的平均频谱效率、小区边缘频谱效率等。从仿真结果可以看出，TD-LTE-Advanced系统通过采用增强MIMO技术，其性能相对于TD-LTE得到大幅提升，其能力远远超过了现有的3G系统。TD-LTE Release 8在大多数场景下能够满足ITU-R规定的IMT-Advanced候选技术的最小性能需求，而TD-LTE-Advanced的技术性能则完全能够满足和超越ITU-R规定的IMT-Advanced候选技术的最小性能需求。

1 3GPP TR 36.814.Further advancements for E-UTRA,physical layer aspects

2 3GPP TR 36.912.Feasibility study for further advancements for E-UTRA(LTE-Advanced)

3 M.2134.Requirements related to technical performance for IMT-advanced radio interface(s)

4 M.2136.Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-advanced