1 引言
日前，上海貝爾股份有限公司參加工業和信息化部和中國移動共同組織的多項實驗室和外場驗證及測試，并首批成功完成了該測試。作為第一批成功完成該項測試的廠商之一，上海貝爾將為中國移動在上海開展的大規模4G TD-LTE試驗網部署項目提供端到端LTE解決方案。
大規模外場測試在真實環境下布網，邊界條件復雜，與實驗室環境有諸多不同。TD-LTE技術采用多天線的發射接收技術，利用不同的傳輸模式來適配復雜的自然環境從而達到性能最優。在LTE系統的研發過程中，經過幾年的摸索與實踐，上海貝爾阿爾卡特朗訊公司積累了眾多經驗。
下面以大規模試驗網絡需要的布網技術角度，對幾種MIMO的原理及應用場景進行描述，對波束賦形的天線模式、物理層過程、波束賦形在TD-LTE基站系統中的實現和原理以及幾種波束賦形算法的特點和應用場景進行介紹與分析。
在LTE(Long Term Evolution，長期演進技術)標準中，被采納的MIMO技術主要包括發送分集、空分復用、波束賦形等。其中基于用戶專用參考信號的下行波束賦形技術能夠利用時分復用LTE(TD-LTE)系統中的上/下行信道的互易性，針對單個用戶進行動態的波束賦形，從而有效提高傳輸速率和增強小區邊緣覆蓋性能。這些都在阿爾卡特朗訊的解決方案中得到了驗證。本文對此進行了總結，對真實的網絡部署有參考意義。
2 TD-LTE MIMO應用場景
在本次中國移動大規模外場測試主要選用以下3種MIMO技術適配不同的應用場景。
2.1 發射分集(Tx Diversity)
LTE的多天線發送分集技術選用SFBC(Space Frequency Block Code)作為基本發送技術，在發射端對數據流進行聯合編碼以減少由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率。SFBC通過在發射端增加信號的冗余度，使信號在接收端獲得分集增益。發射分集方案不能提高數據率。
LTE采用的SFBC技術對編碼矩陣進行了改進，能保證在有天線損壞的情況下也可以正常傳輸，傳輸數據更為簡單，圖1為SFBC發送端基本框圖。
圖1 SFBC發送端基本框圖
對發射信號以發送分集進行傳輸可以獲得額外的分集增益和編碼增益，從而可以在信噪比相對較小的無線環境下使用高階調制方式，但無法獲取空間并行信道帶來的速率紅利。空時編碼技術在無線相關性較大的場合也能很好地發揮效能。SFBC可以較普遍地應用于表1所示場景。
表1 SFBC應用場景
發送分集發射方式對信道條件要求不高，對SNR，信道相關性，移動速度均不敏感。但是該發射方式無法獲取空間并行信道帶來的速率紅利，發送分集方案不能提高數據率。當信道間相關性大且SNR較低或移動速度過高情況下(對應無線信道條件差)，會考慮切換到發送分集的發射方案，例如信道惡化的場景下。當信道處于理想狀態或信道間相關性小時，發射端采用空分復用的發射方案，例如密集城區、室內覆蓋高SNR條件等場景。
2.2 空分復用技術(Spatial Multiplexing)
空分復用技術是在發射端發射相互獨立的信號，接收端采用干擾抑制的方法進行解碼，此時的理論空口信道容量隨著收發端天線對數量的增加而線性增大，從而能夠顯著提高系統的傳輸速率。
空分復用允許在同一個下行資源塊上傳輸不同的數據流，這些數據流可以來自于一個用戶(單用戶MIMO/SU-MIMO)，也可以來自多個用戶(多用戶MIMO/MU-MIMO)。單用戶MIMO可以增加一個用戶的數據傳輸速率，多用戶MIMO可以增加整個系統的容量(見圖2)。
圖2 空間復用基本框圖
空分復用能最大化MIMO系統的平均發射速率，但只能獲得有限的分集增益，在信噪比較小時使用可能無法使用高階調制方式。
無線信號在密集城區、室內覆蓋等環境中會頻繁反射，使得多個空間信道之間的衰落特性更加獨立，從而使得空分復用的效果更加明顯。無線信號在市郊、農村地區多徑分量少，各空間信道之間的相關性較大，因此空分復用的效果要差許多。
無線信號在密集城區、室內覆蓋等環境中會頻繁反射，使得多個空間信道之間的衰落特性更加獨立，從而使得空分復用的效果更加明顯。對于適用于密集城區地區的MIMO應用，可以用OpenLoop MIMO和CloseLoop MIMO兩種MIMO模式選擇，其中CloseLoop MIMO對環境要求較高，由于擁有PMI/RI的反饋調整，其數據可靠性較強，對于OpenLoop MIMO，其健壯性較強，對SNR要求和信道相關性要求不如前者嚴格(見表2，表3)。無線信號在市郊、農村地區多徑分量少，各空間信道之間的相關性較大，因此空間復用的效果要差許多。
表2 CL-MIMO應用場景
表3 OL-MIMO應用場景
2.3 波束賦形(Beam Forming)
波束成型技術又稱為智能天線，通過對多根天線輸出信號的相關性進行相位加權，使信號在某個方向形成同相疊加，在其他方向形成相位抵消，從而實現信號的增益。系統發射端能夠獲取信道狀態信息時(例如TDD系統)，系統會根據信道狀態調整每根天線發射信號的相位(數據相同)，以保證在目標方向達到最大的增益；當系統發射端不知道信道狀態時，可以采用隨機波束成形的方法實現多用戶分集(見圖3)。
圖3 定向智能天線的信號仿真效果
系統發射端能夠獲取信道狀態信息時(例如TDD系統)，系統會根據信道狀態調整每根天線發射信號的相位，以保證在目標方向達到最大的增益。
波束成型技術在能夠獲取信道狀態信息時，可以實現較好的信號增益及干擾抑制使的小區邊緣性能提升(見表4)。波束成型技術不適合密集城區、室內覆蓋等環境，由于反射的原因，接收端會收到太多路徑的信號，導致相位疊加的效果不佳。
表4 波束成型應用場景
波束賦形技術對環境要求嚴格，不適用于密集城區。在阿爾卡特朗訊的LTE-TDD的系統方案中，針對波束賦形技術能夠適配的場景的無線信道情況不同，應用不同的波束賦形算法，從而獲得最大的增益與健壯性，達到性能最優。下面對阿爾卡特方案中的幾種典型的算法做簡單的介紹。
(1)per-RB-MRT(窄帶加權)
per-RB-MRT是基于EBB(Eigen Beam Forming，SEBB)波束賦形算法的一個子類；利用對每個子載波/資源塊瞬時信道狀態信息的特征值分解成對應的下行波束加權向量。
可適用于角度擴展比較大的應用場合(如城區微小區覆蓋、基站天線架設不太高的場合)；復雜度高；在信道移動性較低，信道估計質量較好的情況下，可以獲得最優的波束賦形增益；在移動性較高，信道估計交差的情況下，性能不是很健壯。
(2)Full-BW-EBB算法(寬帶加權)
Full-BW-EBB是基于EBB波束賦形算法的另一個子類，利用對每個子載波/資源塊的瞬時信道狀態信息“統計特性”的特征值分解形成對應的下行波束賦形的加權向量。
可適用于角度擴展較大的應用場合；復雜度低于基于MRT的波束成形；在信道移動性較低，信道估計質量較好的情況下，相對于基于MRT的波束成形可獲得的波束賦形增益較低；在信道移動性較高、信道估計質量較差的情況下，性能比較健壯。
(3)DOA算法(基于到達方向估計)
DOA基于對用戶信號到達方向的估計形成下行波束賦形的加權向量。
適用于具有視距路徑(Line Of Sight，LOS)或角度擴展(Angle Spread，AS)較小的應用場合(如郊區宏小區覆蓋、基站天線架設較高的場合)，獲得高的波束賦形增益；復雜度較低；對于角度擴展較大的應用場合，有效性不高。
2.4 應用場景
大規模外場測試中無線通信環境邊界條件復雜，布網期間眾多因素均可導致網絡性能的差異，應該依照不同的邊界環境具體權衡與選擇(見圖4)。阿爾卡特朗訊也做了大量的針對各種場景的仿真與測試工作，力求提高其健壯性以適應復雜場景。
圖4 MIMO多種模式的切換門限考慮
MIMO的幾種模式分別適用于不同的場景，按照切換的邊界件來分，從離城市中心到郊區以及小區邊緣，分別可以用如下傳輸方式布網：離基站比較近、信號較強、靠近市中心、多徑衰落較強的城市中心地區，可以使用傳輸模式4(CL-MIMO)，由于有閉環的RI/PMI反饋，其速率穩定、誤碼率較低，可以獲得多天線增益，但是對邊界條件要求比較嚴格；如果環境較為惡劣，SNR較低，信道相關性稍低，可以適應傳輸模式3(OL-MIMO)方式；在城市郊區較為開闊、信道相關性較高的郊區地區，依照速度的不同，選擇對應算法的Beam Forming算法(傳輸模式7)。以上各種模式均可切換成發射分集模式，發射分集模式的健壯性強，對速度、信道環境與SNR要求均不高，但是無法產生多天線速率增益，只可以享受由于多天線并行傳輸帶來的分集增益。
LTE-TDD外場大規模布網，信道邊界條件復雜，使用不同的傳輸技術以適配不同的應用場景尤為重要。如果選擇不當，不僅不能達到網絡性能最優，而且會造成網絡干擾加大等惡劣影響。阿爾卡特朗訊在長期的研發與測試過程中，通過多種技術來適配各種不同的無線應用場景，每種技術在相應的場景下能有效地提高其數據健壯與性能增益，波束賦形技術更可以利用時TD-LTE系統中上/下行信道互易性，針對單個用戶動態地進行波束賦形，從而有效提高傳輸速率和增強小區邊緣的覆蓋性能。
