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致力TD-LTE技术创新,大唐移动持续推动多天线技术发展
2015-10-15 16:03:28 来源:网络通信中国网 作者:【
关键词:TD-LTE 大唐移动
 
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(OFDM) 和多输入多输出(MIMO) 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。

  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(OFDM) 和多输入多输出(MIMO) 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。

  1)TM8双流波束赋形技术

  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(即TM8)。

  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。

图 TM8传输模式示意

  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。

  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。

  多用户双流波束赋形技术,基站根据上行信道信息或者UE反馈的结果进行多用户匹配,多用户匹配完成后,按照一定的准则生成波束赋形矢量,利用得到的波束赋形矢量为每一个UE、每一个流进行赋形。多用户双流波束赋形技术,利用了智能天线的波束定向原理,可实现多用户的空分多址。

  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。双流波束赋形技术的标准化进程是中国移动和大唐移动共同努力推动的过程。早在2007年和2008年,中国移动和大唐移动分别在IMT- Advanced技术组和标准子组上提交了关于双流波束赋形技术的整体解决方案均获得通过。而在2009年3月,由大唐移动和中国移动公司共同推动的双流波束赋形技术在3GPP立项,次年3月标准化工作完成,并成功写入3GPP LTE技术规范Rel-9版本中。2009年12月,大唐移动在大唐电信集团北京总部举行了以“创新技术,成就梦想”为主题的TD-LTE新技术发布会,在业内率先发布双流波束赋形技术,建设了TD-LTE演示网,进行了8天线双流波束赋形技术的性能演示。经过2011年至今的多年TD-LTE网络中测试及应用验证,8天线双流波束赋形技术的性能优势已经得到充分证明。在2015年中移动集团组织的TM38自适应后评估测试中,大唐移动设备性能表现优异,现网测试效果获得研究院相关负责人的认可。

  2)TM9多流波束赋形技术

  为了进一步提升峰值速率和频谱效率,在TD-LTE-Advanced(Rel-10)标准中,MIMO多天线技术得到了进一步增强。基于8天线能力进行扩展,进一步定义了增强的传输模式9(即TM9)。传输模式TM9是在TM8的基础上发展而来,其中还利用了TM8已经定义的导频设计。TM9的主要特点是,支持下行最多8层并行传输层数,最大峰值频谱效率可达30bit/s/Hz。期间引入了新的下行状态测量导频设计,设计支持8层数据传输的用户专用导频(Port7~Port14)。

  传输模式TM9适宜配合8天线使用,与TM8同样具备波束赋形技术和空间复用两者的优势,既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,而且更加突出的是可以有效提升小区中心用户的吞吐量(根据多天线理论分析可知,多天线并行传输的层数或者说数据流数越多,其数据速率约高,增加的层数带来的速率提升最简单的说可以用成倍数来衡量,当然增加层数会增加一些导频之类的开销,但是相对于所提升的速率来说是微乎其微的。

图 TM9传输模式示意

  2013年,大唐移动基于TD-LTE商用设备平台完成了TM9多流波束赋形技术的功能开发和验证,并率先完成工信部电信研究院MTnet实验室TD-LTE-Advanced功能的室内测试。该测试针对TD-LTE-Advanced关键技术中,载波聚合和MIMO增强技术的功能与性能进行了比较充分的验证。通过此次测试,大唐移动成为业内首家完成TM9多天线技术测试验证的设备厂商。而在2013年北京国际信息通信展上,大唐移动针对TD-LTE-Advanced测试成果进行了展示。通过1F+4D五个20MHz载波聚合,共100MHz带宽,以多天线增强技术TM9下行四流发送,跨频段五载波实现了1.25Gbps超高下载速率。该项测试及演示,为后续运营商实现低成本快速部署、大规模进行F+D联合组网,及频段资源整合与利用,提供了有力支撑。

  3)3D MIMO技术

  空间自由度是MIMO技术的安身立命之本。有了AAS技术的支撑,垂直维自由度的大门已悄然向MIMO技术开启,MIMO技术中已积蓄多年的向着3D化发展的势头从此将一发而不可收,在UE级实现对信号垂直维分布的控制,充分利用信道的垂直维自由度,这对于MIMO技术而言,将是一片广阔的研究领域。

  简单来说,3D MIMO技术在不改变现有天线尺寸的条件下,可以将每个垂直的天线阵子分割成多个阵子,从而开发出MIMO的另一个垂直方向的空间维度,进而将MIMO技术推向一个更高的发展阶段,为LTE传输技术的性能提升开拓出更广阔的空间,使得进一步降低小区间干扰、提高系统吞吐量和频谱效率成为可能。

图 普通扇区天线与3D MIMO天线室外覆盖高层楼宇场景示意

  3D MIMO技术是将MIMO多天线技术推向一个更高发展阶段的技术创新。3D MIMO技术通过在有源天线引入水平阵子和垂直阵子,可以在水平波束赋形的基础上,进行垂直波束赋形,其应用典型场景及优势在于:

  ·3D MIMO技术下,可以分裂出指向不同楼层位置的波瓣,在减少了天面建设需求的同时,也通过多个并行数据流传输,提高了频率利用效率。

  ·3D MIMO技术可以针对每个天线阵子独立调整权值,波束在垂直面跟踪终端,降低对邻区的干扰

  ·3D MIMO天线可实现针对不同终端的垂直面多波束,实现了垂直面空分,提升频谱效率

  为充分发挥多天线技术可通过扩展空间传输维度而成倍提高信道容量的优势,大唐移动持续在多天线技术的增强与优化方面进行研究。同时为了响应国家TD-LTE通信产业布局发展需要的号召,大唐移动与国内产业界同仁携手,共同推动3D MIMO技术的研究发展,在测量和建立3D MIMO信道模型、建立和完善技术评估与仿真平台、研究和提出新型的反馈设计与传输方案、研究和评估新型干扰控制机制、设计新型的3D MIMO天线、形成系统完整的解决方案,完成系统验证样机的设计和验证等多个方面展开工作。2014年7月,大唐移动联合业内伙伴,实现3D MIMO原型验证,证明3D MIMO原理可行,具备应用前景。

  此外,作为IMT-2020(5G)推进组的核心成员,大唐已经在大规模天线、新型多址接入、超密集组网、高频段通信、低时延高可靠、灵活频谱共享等5G重点关键技术上取得了突破性进展。在2015年的5G峰会上,大唐不仅向业界分享了5G系统框架和关键技术研究的最新进展,还展出了业界首个支持128数字通道大规模天线系统的5G综合验证系统。该系统可验证5G相关的通信技术和产品实现技术,如支持128和256通道的大规模天线技术、PDMA图样分割非正交多址接入技术、U/C分离技术、业务本地化、RAN虚拟化等。通过搭建5G关键技术的硬件平台和验证环境,大唐将进一步推动5G的技术储备和标准研究工作,为技术走向产业夯实基础。

  TD-LTE是由中国主导的通信技术标准,也是中国在世界范围内争取通信产业话语权的重要武器。随着国内TD-LTE网络的快速建设,4G通信技术在得到快速发展的同时也将会带动整个产业链的景气上升。大唐移动作为TD技术的发源地和我国民族通信业的主力军,将充分利用在TD领域的技术优势,坚持正向系统创新,通过TD-LTE关键技术的改进以及新技术新产品的引入提升TD-LTE网络的整体性能,使TD-LTE商用网络真正成为承载高数据业务的优质网络,增强TD-LTE技术在国际市场上的竞争优势。未来,大唐移动将继续密切关注多天线技术研究方向,与业界同仁携手共同推进多天线技术的优化发展。

      

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