LTE长足发展,大唐移动持续推动多天线技术发展

2019-11-16 23:04栏目:通讯产品
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LTE作为第四代移动通信技术的主流技术,其性能提升的关键在于采用了正交频分复用 和多输入多输出 这两大核心创新技术。其中MIMO技术可通过在发送端和接收端使用多根天线进行数据的发送和接收。作为国内最早部署4G网络的运营商,中国移动不遗余力地推动TD-LTE的发展和成熟。为了进一步改善用户感知,提升TD-LTE的峰值速率和频谱效率,大唐移动积极配合中国移动进行了一系列TD-LTE 多天线技术的研发和验证,在推动TD-LTE多天线技术不断发展的同时,加快TD-LTE整个产业的发展和成熟。

双流波束赋形技术是TD-LTE的多天线增强型技术,是TD-LTE建网的主流技术,结合了智能天线波束赋形技术与MIMO空间复用技术,是中国移动和大唐移动共同创新的成果,也是中国通信产业技术能力的体现。

C114讯 8月2日消息,随着移动互联网的快速发展,数据业务已成为移动网络流量的主力军。在3G时代,受限于带宽能力,高数据流量业务并没有大范围普及应用。而如今,我国的通信发展已进入到“LTE时代”,LTE网络将凭借其大带宽、高容量、低时延的特点,彻底改变这一现象。目前,TD-LTE作为LTE的分支,在我国已经过规模技术试验及扩大规模试验的锤炼,我国的TD-LTE产业在各个方面均已取得了长足进展。

C114讯 由工业和信息化部电信研究院、中国移动通信联合会联合主办的第七届移动互联网国际研讨会,于2013年12月3日-4日在北京国际会议中心举行。恰逢我国4G LTE即将步入商用,本次会议以“4G时代的产业创新、融合与共赢”为主题,探讨4G时代移动互联网的创新方向和产业竞合趋势。大唐移动移动通信事业部总工程师蔡月民应邀在会议上发表了“LTE-A多天线技术演进”主题演讲。

1)TM8双流波束赋形技术

一、8天线双流波束赋形技术引入需求分析

大唐移动作为我国高科技领域的标杆企业,在推动我国TD-LTE网络商用的过程中,始终致力于TD-LTE技术与标准的创新,力图通过TD-LTE关键技术的改进来提升TD-LTE网络性能,使TD-LTE商用网络真正成为承载高数据业务的优质网络。近年来,大唐移动在南京、宁波、福州等地的TD-LTE规模试验网络中验证和应用了一系列创新关键技术,均取得了良好效果。

随着全球4G商用步伐的加快,不仅带来了产业的繁荣,也带来大流量数据服务需求快速增长、频谱资源紧张等发展压力,未来的通信网络需要更多的容量,更好的性能管理和更高的效率,而多天线技术因为可通过扩展空间的传输维度而成倍地提高信道容量的特性成为LTE_A提升频谱效率的主要手段。

波束赋形技术是一种基于小间距天线阵列的线性预处理技术,能够根据用户的信道特性进行波束赋形,具有扩大覆盖、提高系统容量、降低干扰的能力。作为TD-SCDMA的核心技术,波束赋形技术已在中国移动3G网络中广泛使用。因此,在LTE技术规范 Rel- 8版本中,同样引入了单流波束赋形技术,对于提高小区平均吞吐量及边缘吞吐量、降低小区间干扰有着重要作用。但是,面对LTE Rel- 9以及LTE-Advanced系统的更高速率需求,有必要对波束赋形技术加以扩展。以LTE定义的最大发天线数8天线为例,由多天线理论可知,8×2天线系统的单用户MIMO至多可以同时传输两个数据流,这就意味着LTE Rel- 8规范中的单流波束赋形技术并没有充分开发信道容量。根据信道容量相关理论可知,信道容量为信噪比的对数函数,随着信噪比提升,容量增加趋势越来越缓;在高信噪比情况下,将某个数据流的功率降低一半并不会导致该数据流容量大幅降低,此种情况利用另一半功率来发送一个新的数据流将会极大地提升传输容量。因此,在单流波束赋形技术的基础上,LTE Rel-9中新增了一种新的传输模式8。

多天线技术是天线技术发展趋势,现有TD-SCDMA已经引入了8天线,TD-LTE也引入了8发2收的天线配置,到LTE-A则将引入8发8收的天线配置。

1、8天线双流波束赋形技术

面对速率与频谱效率需求的不断提升,对多天线技术的增强与优化始终是LTE-A系统演进的一个重要方向。蔡月民在演讲中回顾了多天线技术优化演进历程:LTE Rel-8首次基于发射分集、闭环/开环空间复用、波束赋形与多用户MIMO这几种MIMO技术定义了多种下行传输模式以及相应的反馈机制与控制信令,基本涵盖了LTE系统的典型应用场景;LTE Rel-9中引入双流波束赋形技术从参考符号设计及传输与反馈机制角度对MU-MIMO传输的灵活性及MU-MIMO功能进行了改进;LTE Rel-10的下行MIMO技术沿着双流波束赋形方案的设计思路进行了进一步的扩展,提高了CSI测量与反馈精度;能够支持最多8层的SU-MIMO传输和最多4层空分复用的UL-MIMO;LTE Rel-11引入了协作多点传输技术CoMP;LTE Rel-12则着重讨论了4-Tx码本增强。

TM8双流波束赋形技术应用于信号散射体比较充分的条件下,是智能天线波束赋形技术(即单流波束赋形技术)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,同时传输两个赋形数据流来实现空间复用,并且能够保持传统单流波束赋形技术的广覆盖、提高小区容量和减小干扰的特性,既可以提高小区边缘用户的可靠性,又可有效提升小区中心用户的吞吐量。

考虑到提升覆盖能力和降低引入TD-LTE的CAPEX,TD-LTE系统中引入了8天线方案。另外,引入8天线还可以使TD-SCDMA平滑演进到TD-LTE,同时继续沿用并充分发挥TDD系统在赋形方面的优势。

2009年,本着支持从TD-SCDMA向TD-LTE平滑演进的理念,实现低成本且快速网络升级的目标,大唐移动协同中国移动共同发布了TD-LTE增强型技术——8天线双流波束赋形技术。该技术沿用并扩展了TD-SCDMA的特色技术,结合了智能天线波束赋形技术与MIMO空间复用技术的技术特点和优势,主要应用于室外场景的宏小区覆盖,可明显提升系统吞吐量性能与网络的小区覆盖能力,从而减少站点需求,降低建网CAPEX投入,有助于构建高品质TD-LTE网络。经过测试,8天线的性能优势已经在试验网中得到证明,8天线相比于2天线性能增益明显。考虑TD-LTE网络性能和未来的MIMO持续增强的问题,室外宏基站采用成熟的8天线已成为运营商的首选。8天线双流波束赋形技术是最能体现TD-LTE特征的特色技术。

因此,纵观LTE-A中的多天线技术发展,可以发现两大趋势:维度的进一步扩展和局域应用场景中的MIMO增强。

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1. 系统平滑演进需求

2、IRC技术

此外,蔡月民还对有源天线系统、3D MIMO、大规模天线技术(Massive MIMO)等未来多天线系统的长期发展做了技术、产品和应用的展望。MIMO技术仍旧是未来LTE-A系统提升频谱效率的主要手段,为支撑飞速发展的数据通信业务,MIMO技术将从增加天线数量、改变天线形态、更新算法与组网技术和实现多样化技术等方面不断挖掘发展。

目前,TD-SCDMA网络正在全国迅速铺开。与此同时,TD-SCDMA演进技术TD-LTE也被提上了未来移动通信网络建设发展的日程。如何在进行TD-SCDMA网络建设的同时保证能够向TD-LTE实现平滑演进已经成为了运营商和设备供应商共同关注的焦点问题。

TD-LTE网络为多天线系统,在采用多天线进行接收的情况下,各接收天线的噪声是相互独立的,而各接收天线的干扰信号存在相关性。传统的MRC检测实际上是将邻小区干扰等同于噪声来看待,而不是作为干扰进行处理,因此会带来检测失真:在干扰较小时,接收性能较好;而在干扰较大时,接收性能急剧下降。

对于LTE-A系统而言,MIMO作为其标志性技术之一,在LTE-A的几乎所有发展阶段都是其最核心的支撑力量。LTE-A的演进几乎总是伴随着MIMO功能的增强,在MIMO技术构建的坚实基础之上,LTE-A系统一次次刷新着速率与频谱效率这样最引人注目的技术指标。

出于系统平滑演进的考虑,大唐移动提出了产品设备共平台设计的解决方案,有效的保护网络建设现有投资,保证网络升级的快速便捷。在主设备实现平滑演进的同时,从节约建网成本、降低建站难度等角度出发,需要尽可能保持TD-SCDMA网络已部署的天线系统不变,且可以在TD-LTE中继续使用。为实现天线系统的平滑演进,TD-SCDMA网络中进行宏覆盖主要采用的8天线,需要在TD-LTE网络中继续使用。

为了解决这个问题,在进行接收机算法设计时,采用一种新的接收机算法,有区别的对噪声和干扰进行处理,以提升TD-LTE系统的接收检测性能。在南京TD-LTE现网中,大唐移动率先验证并采用了干扰消除合并技术,在多天线接收时,接收端利用各天线干扰信号的时空相关性,通过对接收信号进行加权,降低用户间干扰。根据扩大规模试验测试以及规模网络应用验证,在邻区有较强上行干扰时,开启IRC算法对于小区边缘用户的上行吞吐量有接近100%的增益。

据悉,在2013年11月初,大唐移动已率先完成工信部电信研究院MTnet实验室TD-LTE-Advanced功能室内测试。该测试验证了TD-LTE-Advanced关键技术中,载波聚合和MIMO增强技术的功能与性能。通过此次测试,大唐移动也成为业内首家完成TM9多天线技术测试验证的设备厂商。未来,大唐移动将持续关注多天线技术课题,并与业界一同推进多天线技术优化发展。 图片 2

2. 技术演进需求

IRC技术在TD-LTE网络中被引入并广泛应用是创新性的。根据多天线信号处理的理论,国内TD-LTE网络中的8天线形态非常适宜采用IRC技术进行上行接收,8天线系统的IRC算法效果要比2天线系统IRC算法效果明显。

波束赋形技术是一种基于小间距天线阵列的线性预处理技术,能够根据用户的信道特性进行波束赋形,具有扩大覆盖、提高系统容量、降低干扰的能力。作为TD-SCDMA的核心技术,波束赋形技术已在中国移动3G网络中广泛使用。

3、上行MU-MIMO(上行多用户MIMO)

在LTE技术规范 Release 8版本中,引入了单流波束赋形技术,对于提高小区平均吞吐量及边缘吞吐量、降低小区间干扰有着重要作用。但是,面对LTE Release 9以及LTE-Advanced系统的更高速率需求,有必要对波束赋形技术加以扩展。以LTE定义的最大发天线数8天线为例,由多天线理论可知,8×2天线系统的单用户MIMO至多可以同时传输两个数据流,这就意味着LTE Release 8规范中的单流波束赋形技术并没有充分开发信道容量。根据信道容量相关理论可知,信道容量为信噪比的对数函数,随着信噪比提升,容量增加趋势越来越缓;在高信噪比情况下,将某个数据流的功率降低一半并不会导致该数据流容量大幅降低,此种情况利用另一半功率来发送一个新的数据流将会极大地提升传输容量。

由于上下行速率需求的不对称,TD-LTE标准在制定时就已考虑到TD-LTE网络上下行能力不对称的设计,并体现在上下行可占用的资源以及数据流数等方面。而在目前的实际TD-LTE网络中,因为终端原因导致的上行64QAM的高阶调制方式一直未能引入,在上行只具备一个数据流的情况下,20MHz带宽的上行吞吐量也只有10 Mbps左右,但是随着后续TD-LTE网络的广泛建设和应用,各种业务应用对于上行速率将提出更高需求。

为满足TD-LTE系统中使用8天线以及扩展波束赋形技术以提升容量的需求,中国移动和大唐移动共同推出了采用8天线配置的双流波束赋形技术。

在这方面,采用多用户MIMO的技术可有效提高上行容量。上行多用户MIMO是指多个用户共享相同的时频资源,利用空间信道的不相关性,支持多个并行传输的数据流,即来自不同终端发送的数据流占用相同的时频资源。从基站看,就如同接收从同一个“虚拟终端”的多个数据流一样,从而构成了一个虚拟MIMO系统。相比于SU-MIMO,上行MU-MIMO增加的数据流数可认为是提供了数倍的等效PRB资源,最大限度提高频谱利用率和扇区吞吐量。

二、双流波束赋形技术介绍

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双流波束赋形技术应用于信号散射体比较充分的条件下,是智能天线波束赋形技术(即单流波束赋形技术)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,同时传输两个赋形数据流来实现空间复用,并且能够保持传统单流波束赋形技术广覆盖、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,同时可有效提升小区中心用户的吞吐量。

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天线双流波束赋形技术的使用,接收端至少需要有2根天线。

根据调度用户的情况不同,双流波束赋形技术可以分为单用户双流波束赋形技术和多用户双流波束赋形技术。

1.单用户

单用户双流波束赋形技术,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赋形矢量,利用该赋形矢量对要发射的两个数据流进行下行赋形。

采用单用户双流波束赋形技术,使得单个用户在某一时刻可以进行两个数据流传输,同时获得赋形增益和空间复用增益,可以获得比单流波束赋形技术更大的传输速率,进而提高系统容量。

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