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LTE多天线技术及应用
【摘要】：MIMO和Beamforming技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破,它在不增加带宽的情况下成倍提高频谱利用率和通信系统的容量,是下一代移动通信系统中富有竞争力的技术之一。文章重点介绍了LTE系统多天线技术、MIMO技术和Beamforming技术,并分析了MIMO在利用空间维度的资源、提高频谱效率等方面的优势。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TN929.5【正文快照】：
1 MIMO技术背景及原理LTE(Long Term Evolution,长期演进)系统改善小区边缘用户系统性能,决定了是否可以带给用户稳定、可靠的业务感受。因此,使用多天线技术可以充分利用空间维度资源,在不增加发射功率和带宽的前提下,成倍提高无线通信系统的传输容量。MIMO(Multiple-Input M
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第03版：2014年世界电信和信息社会日 特刊
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大唐移动布局TD-LTE多天线技术领域，推动3D MIMO技术发展
MIMO多天线技术是LTE系统物理层的基本构成之一，它对于提高数据传输的峰值速率、扩展覆盖、抑制干扰、增加系统容量、提升系统吞吐量有着重要作用。面对速率与频谱效率需求的不断提升，对MIMO技术的优化始终是LTE系统演进的一个重要方向。 多年来，大唐电信集团旗下的大唐移动通信设备有限公司（简称“大唐移动”）在TD-LTE多天线技术领域进行了深入的布局。从在TD-SCDMA中被广泛使用的双流波束赋形技术，到LTE中的3D MIMO技术，大唐移动始终力争引导产业界共同推进多天线技术的研究、验证、设计和标准化进程，扩大我国在多天线技术学术研究及相关产业发展领域中的影响力。 3D MIMO为提升LTE 传输性能提供更广阔空间 天线是发送或接收无线信道电磁信号的关键部件。天线子系统的设计方案对移动通信系统的构架、设备的尺寸以及网络部署都会带来影响。 对于MIMO技术而言，更是要依赖于天线阵列所带来的空间自由度，才能展现其性能优势。受限于传统的基站天线构架，现有的MIMO传输方案一般只能在水平面实现对信号空间的控制，还没有充分利用3D信道中垂直维度的自由度，更没有深层地挖掘出MIMO技术对于改善移动通信系统整体效率、性能及最终用户体验的潜能。 随着天线设计构架的演进，AAS（有源天线阵子）技术的实用化发展已经对移动通信系统的底层设计及网络结构设计思路带来巨大影响，这一发展趋势必将推动MIMO技术由传统的针对2D空间的优化设计向着更高维度的空间扩展。 针对现有基站天线结构在垂直维度赋形能力的缺陷，一种自然的想法便是增加垂直维度的物理天线端口，以实现在基带对每个阵子的独立控制。而有源天线系统的兴起，解决了基于现有的被动天线结构实现垂直赋形的难题，即将天线阵列中的每个辐射单元与相应的射频/数字电路模块集成在一起，构成能够通过数字接口独立控制每个阵子的主动式天线阵列。 在有源天线系统中，基站至天线系统之间不再需要射频电缆、塔放或RRU这样的中间环节，基站设备与天线系统之间可以直接通过光纤连接。这种情况下，射频电缆这一横亘在垂直维度物理天线端口开放之路上的障碍随之迎刃而解。 空间自由度是MIMO技术的安身立命之本。有了AAS技术的支撑，基站对信号空间的调整可在UE级实现对信号垂直分布的控制。简单来说，有了AAS技术，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。 新技术突破场景覆盖限制 并提升网络覆盖质量 一直以来，3GPP/3GPP2均采用2D信道模型作为参考信道模型，现有MIMO技术的研究也主要针对2D信道，因此3D MIMO技术的天线产品和MIMO技术本身都还不那么成熟，但是并不妨碍产业界对其寄予厚望。因为，新天线和新技术的引入，对于现有的网络天线技术应用场景是一个突破。 （一）3D MIMO从室外覆盖高层楼宇更经济 传统的基站为提高增益，垂直波瓣较窄，在覆盖高层建筑时，往往只能覆盖到部分楼层，从而需要多面天线来做覆盖的场景。使用3D MIMO技术，则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，通过多个并行数据流进行传输，提高了频率利用效率。 常规的天线在覆盖高层楼宇时，需要分别针对低层、中层和高层设置多个天面，而3D MIMO技术的天面需求则很少。此外，3D MIMO天线相比常规天线，还可实现单天线阵覆盖整个楼层，垂直面的覆盖角度可达+/-30度（而普通天线一般只能做到+/-8度）。 以天线距离楼宇100米、站高30米为例，利用普通天线往往只能覆盖9层楼；而在同一天线点，利用3D MIMO天线，则可覆盖25层楼。3D MIMO天线在覆盖高层楼宇的同时，通过多个波束对应不同楼层形成虚拟分区，实现了空分复用的效果，同时也提升了频谱效率。 （二）3D MIMO降低邻区干扰并提升频谱效率 相比于常规天线在垂直面不能实现多波束，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。如图1中，UE1、UE2、UE4在水平面维度上与基站的夹角不同，所以基站可以在水平面维度形成3个分别对准它们的波束进行服务；然而UE2和UE3在水平维度上与基站的夹角相同，那么UE2和UE3的波束会形成相互干扰。 图2中，3D MIMO技术提供了垂直面波束赋形，可将UE2与UE3从垂直维度上再进行一次区分，分别形成对准它们的波束为其提供服务，从而在整体上降低了对邻区的干扰，提升频谱效率。 大唐移动提早布局 推动3D MIMO技术发展 面向LTE-Advanced的后续演进，我国作为世界宽带无线通信领域研究的重要参与国，紧跟产业研究的新热点，全力突破3D MIMO技术的应用难点。 为响应国家关于TD-LTE通信产业发展布局的号召，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开展了研究工作。 目前，大唐移动在该项研究工作上已取得阶段性进展，提交了多项技术专利并参与制定了多项国际标准。通过及早进行知识产权布局，为我国在3D MIMO及相关技术点的标准化推进方面提供有力支撑，为该技术的产业化发展提供了理论基础、技术方案、标准化与知识产权等方面的多重保障。 此外，通过对需求场景的分解，大唐移动还确定了天线和系统的相关指标，并完成了天线第一版样机的开发，完成了基站侧样机的总体设计。 大唐移动在TD-LTE 多天线技术领域积累深厚 MIMO多天线技术是TD-LTE的关键技术，在发送端和接收端均需使用多根天线进行数据的发送和接收。MIMO技术主要分为空间复用、传输分集和波束赋形三种模式。 其中，波束赋形技术作为TD-SCDMA标准的核心技术，在中国移动3G网络中广泛使用。并且在3GPP LTE技术规范Rel-8版本中，引入了单流波束赋形技术（定义为下行传输模式7，即TM7），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。 2009年3月，由大唐移动和中国移动共同推动的双流波束赋形技术在3GPP立项；2010年3月，标准化工作完成，并被写入3GPP LTE技术规范Rel-9版本中。双流波束赋形技术（定义为下行传输模式8，即TM8）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覆盖广、小区容量高和干扰少的特性，既可以提高边缘用户的可靠性，同时也可有效提升小区中心用户的吞吐量。 从2011年至今，通过多年在TD-LTE网络中的测试及应用验证，8天线双流波束赋形技术的性能优势已经得到充分证明，室外宏基站采用成熟的8天线正在成为运营商的首选。 为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的增强。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，该设计支持8层数据传输的用户专用导频。 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，不但能够保持传统单流波束赋形技术覆盖广、小区容量高和干扰少的特性，而且更加突出了可以有效提升小区中心用户的吞吐量这一优势。 目前，大唐移动已经基于TD-LTE商用设备平台进行了多天线增强技术的功能开发和测试验证。希望通过大唐移动对3D MIMO技术的全面推进，形成具有创新性的核心技术，为TD-LTE/TD-LTE-Advanced网络应用多天线技术发展指明方向。 （大唐电信集团供稿）
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