TD-LTELTE系统关键技术：MIMO1TD-LTE目录3GPP LTE系统概述系统概述LTE系统系统OFDM技术技术LTE系统多天线技术系统多天线技术23TD-LTELTE：下一代宽带移动技术：下一代宽带移动技术10kbps200kbps300kbps-10Mbps50Mbps50M-1Gbps数据速率(OFDM/MIMO)3GPPFDDIMT-AdvancedWCDMAHSPAHSPA+LTE FDDLTE+GSMGPRS/EDGETDDTD-SCDMAHSPAHSPA+TD-LTETD LTE+IS-95cdmaOnecdma20001XDO Rev ADO Rev BUMBUMB+3GPP2DORev 0注：彼此兼容IEEE802.16802.16e802.16mTD-LTE是是LTE中的中的TDD模式，是模式，是TD-SCDMA标准的长期演进标准的长期演进TD-LTELTE系统需求系统需求TD-LTE是是LTE中的中的TDD模式，是模式，是TD-SCDMA标准的长期演进标准的长期演进LTE是是3GPP为了保证未来为了保证未来10年年3GPP系列技术的生命力，抵御系列技术的生命力，抵御来自非3GPP阵营技术的竞争而启动的最大规模的标准项目。可变带宽1.4、3.0MHz，5、10、15、20MHz高速率下行: 100Mbps上行: 50Mbps高效率下行: 5bit/s/Hz，上行: 2.5bit/s/Hz低时延控制面: 100ms用户面: 10ms 4TD-LTE3GPP LTE详细需求详细需求支持1.4MHz20MHz带宽;峰值数据率：上行50Mb/s，下行100Mb/s。频谱效率达到3GPPRelease 6的24倍 ;提高小区边缘的比特率用户面延迟（单向）小于5ms，控制面延迟小于100ms ;支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作 ;支持增强型的广播多播业务 ;降低建网成本，实现从Release 6的低成本演进 ;实现合理的终端复杂度、成本和耗电 ;支持增强的IMS（IP多媒体子系统）和核心网 ;取消电路交换（CS）域，CS域业务在包交换（PS）域实现 ;对低速移动优化系统，同时支持高速移动 ;以尽可能相似的技术同时支持成对和非成对（Unpaired）频段 ;尽可能支持简单的邻频共存;支持5、30、100Km的覆盖;支持120 Km/小时、350 Km小时的移动速度;5TD-LTE空中接口物理层技术需求分析多址接入技术信道估计技术调制解调信道编码关键技术资源复用技术预失真技术自适应技术同步技术干扰消除技术MIMO天线技术天线技术6TD-LTE目录3GPP LTE系统概述系统概述LTE系统系统OFDM技术技术LTE系统多天线技术系统多天线技术无线通信系统天线基础天线的方向特性天线的阻抗特性天线的效率和增益天线的极化特性天线的其他参数阵列天线基本原理智能天线技术与特点MIMO天线技术与特点天线技术与特点78TD-LTE天线方向特性 方向性函数、方向图 主瓣宽度、副瓣电平 方向性系数水平面波束垂直面波束天线方向图用于表征天线在整个空间的辐射作用天线的方向图是一个三维空间的图形，在不同方向上辐射强度不同9TD-LTE天线主瓣天线方向图通常包含多个波瓣，其中最大辐射方向的波瓣称为主瓣，其余的波瓣称为副瓣或旁瓣。主瓣的宽度通常用功率密度为最大方向上功率密度之半的两点间夹角表示，称为半功率点（或3dB）波瓣宽度Peak - 3dB3dB波瓣波瓣宽度PeakPeak - 3dB半功率波瓣宽度（HPBW）第一零点波瓣宽度（FNBW）副瓣/第一副瓣/最大副瓣/后瓣TD-LTE天线的阻抗特性天线的辐射电阻：天线的辐射能力输入阻抗：馈线与天线的匹配状态反射系数：反射电压比入射电压驻波比：VSWR =1 + 1 阻抗匹配：共扼匹配；电抗为0，反射系数为0，驻波比为110TD-LTE天线效率与增益在输入功率相等的条件下，被研究天线与参考标准天线在其最大辐射方向上的功率密度之比。用无方向性天线做参考标准天线时，增益单位为dBi用半波对称天线做标准天线，增益单位为dBd；由于半波对称天线的增益为2.16dBi，所以有dBi=dBd+2.16天线本身的增益：天线和馈线系统增益：G1 = 1 DG2 = 2 G111TD-LTE天线的极化特性指电磁波在传播过程中，其电场矢量的方向和幅度随时间变化的状态，可以分成线极化和圆极化线极化存在多种特殊情况：电场矢量平行于地面构成水平极化，垂直于地面构成垂直极化，另外还包括45度极化EE线极化圆极化12TD-LTE双极化天线参数经过无线信道多次随机反射，使得信号在不同极化方向上变成相互独立，从而可以获得极化分集增益13TD-LTE天线相关参数：前后比把处于主瓣正后方的波瓣称为后瓣，定义天线正前方和正后方的辐射强度之比为“前后比”前后比表明系统对后瓣抑制的好坏，前后比差将给系统带来更多干扰，恶化系统性能后向功率前向功率14TD-LTE天线相关参数参数：天线下倾电下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位，从而改变合成分量场强强度，使天线的垂直方向性图下倾。相比机械下倾，电下倾在改变倾角后天线方向图变化较小机械下倾电下倾15TD-LTE目录LTE系统系统OFDM技术技术LTE系统多天线技术系统多天线技术天线阵原理概述无线通信系统天线基础阵列天线基本原理方向图相乘原理均匀直线阵均匀圆阵自适应阵列智能天线技术与特点MIMO天线技术与特点天线技术与特点16TD-LTE天线阵原理阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵的各单元辐射场的总和（矢量和）。以二阵元天线阵为例加以说明。把功率P馈给一个单天线时，在天线最大辐射方向A点产生场强Eo，当把同样的功率馈给等幅同相二元天线阵时，每个天线单元得到一半功率。所以在A点各产生相同的场强，由于两个天线单元在A点波程差为0，场强为同向叠加，合成场强为。也就是说，总馈电功率不变，而在A点产生的场强却增大到原来的倍，功率密度增大到原来的2倍。A点A点A点：波程差 d = 0相位差 = 0a单天线二阵元天线阵17dTD-LTE天线阵原理阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵的各单元辐射场的总和（矢量和）。空间中不同位置相对天线阵法线方向的偏转角度不同，造成不同的波程差，场强的叠加效果也不同。如果波程差为/2，场强为反向叠加，合成场强为0根据波程差，对不同单元天线馈入不同相位的信号，则天线阵可实现在某个方向上形成场强同向叠加A点B点A点B点A点：波程差 d = 0相位差 = 0B点：单天线900900a二阵元天线阵波程差 d = a*cos相位差 = 2d/18originalpattern(jjTD-LTE均匀直线阵0-5-10-15-20-25-3020406080100120140160180degreea( k )w) =1Le2 ( ka 1) dcos( wk ) )Le2 ( Ka 1) dcos( wk ) )T19directionalpattern0dBj(jjTD-LTE均匀圆阵0-5-10-15-20-25-30050100150200250300350degreea ( k )w) = e2Rcos( wk ) (1 ) )Le2Rcos( wk ) ( k a ) )Le2Rcos( wk ) ( K a ) )20TTD-LTE目录LTE系统系统OFDM技术技术LTE系统多天线技术系统多天线技术无线通信系统天线基础阵列天线基本原理智能天线技术与特点智能天线概述智能天线原理智能天线应用智能天线特点智能天线实例MIMO天线技术与特点天线技术与特点21TD-LTE智能天线技术概述智能天线是由多根天线阵元组成的天线阵列通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列天线的方向图，从而抑制干扰，提高信干比。实现天线与传播环境和用户与基站间的最佳匹配。22TD-LTE智能天线的优势（1）全向照明区域小增加覆盖能量集中能量集中照得很远23= P ( n ) =TD-LTE智能天线的优势（2）Pmax max (P( ) ) max (P ( ) )Pmean mean (P ( ) ) 1 NN n =1 = 6.2351 = 8(dB)24TD-LTE智能天线优势（3）智能天线获取的DOA信息提供了用户终端的方位信息，以用来实现用户定位通过获得的用户信息，可以用于接力切换，提高了切换的成功率和系统效率25TD-LTE目录LTE系统系统OFDM技术技术LTE系统多天线技术系统多天线技术无线通信系统天线基础阵列天线基本原理智能天线技术与特点MIMO天线技术与特点天线技术与特点MIMO天线技术概述天线技术概述MIMO天线系统容量天线系统容量LTE系统系统MIMO应用应用LTE系统系统MIMO实现实现26TD-LTEMIMO天线技术概述天线技术概述在发送端和接收端同时使用多根天线进行数据的发送和接收；在发送端每根天线上发送的数据比特不同；在多散射体的无线环境中，来自每个发射天线的信号在每个接收天线中是不相关的，并在接收机端利用这种不相关性对多个天线发送的数据进行分离和检测；可以产生多个并行的信道（信道数小于等于发射和接收的最小天线数），并且每个信道上传递的数据不同，从而提高信道容量27TD-LTE空时无线信道类型SISOMISOSIMOSU-MIMOMIMOMU-MIMO281234TD-LTEMIMO与智能天线的区别与智能天线的区别不同天线上发送相同的数据比特不同天线上发送不同的数据比特提高链路可靠性，充分利用现有的信道增加额外信道利用波束赋形为特定用户提供定向波束，降低多址干扰提供空间多路复用增益，提高信道容量发射天线间距较小发射天线间距足够大，与移动环境有关29TD-LTEMIMO技术的优势技术的优势MIMO技术结合技术结合code-reuse方式可以增加方式可以增加CDMA系统的总码道数系统的总码道数MIMO技术充分利用了技术充分利用了信道的空间特性，理论上提高了系统容量MIMO技术主要应用于散射技术主要应用于散射体丰富的环境（比如室内环境），可以为室内热点地区提供高速数据传输服务30TD-LTEMIMO技术制约因素技术制约因素硬件开销系统开销终端支持多天线基站支持多天线MIMO系统 同时支持单天线和多天线的终端 物理层信令 无线资源管理以及高层信令对信道环境的依赖需要信道具有较高的独立性31TD-LTELTE系统多天线技术系统多天线技术MIMO（Multiple Input Multiple Output） 不相关的各个天线上分别发送多个数据流； 利用多径衰落，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，提高信道容量及频谱利用率，下行数据的传输质量。32TD-LTE天线传输模式单天线开环空间复用MU-MIMO闭环空间复用波束赋形传输分集闭环预编码33TD-LTELTE系统多天线技术应用系统多天线技术应用传输分集多天线技术波束赋形空间复用34TD-LTE常用发射分集天线TSTD所有用户都由相下行用户数据的功率分配同的天线发送，且一起在不同的天线间切换STTD可以用一个简单SCTDP-CCPCH的分集的分集的线性变换实现分集信号的分离和最大似然检测。发射分集天线根据实际信道条件确定各天线信号的加权系数，实现分集发送。CL TxD发送。这种方式占用了码道的资源，只能对少数重要的码道使用35TD-LTE传输分集循环时延分集（CDD）时延分集即通过不同的天线传输同一个信号的不同时延副本不需要标准支持。此时，需要参考信号也进行CDD才可以估计出等效的空间信道。这就对参考信号提出了较强的要求，使其可以估计出较大时延扩展的信道。所以一般情况下，使用时延分集时只能延时较小的时延。36*37TD-LTE传输分集空时/频块码（STBC/SFBC）空时块码方式在第一根天线上传输原始信号，而在第二根天线上，以两个符号为一组变换信号的传输顺序，并进行共轭和/或取反的操作。如果上述符号对应的是不同子载波上的符号，而不是时域上的符号，即空频块码STBCSFBCS1 S2S2S1*LTE系统中在2天线端口发送情况下的传输分集技术确定为SFBCTD-LTESTTD发射分集发射分集开环模式中的STTD分集发射分集技术提高系统下行链路性能3839TD-LTE传输分集： TSTDTSTD (Time Switched Transmit Diversity) 在任意时刻只有一个天线被激活 一个数据流在多根天线中进行选择发送LTE系统上行天线选择技术可以看作是TSTD的一个特例40TD-LTE传输分集： FSTDAntenna 1FSTDtimeAntenna 2LTE系统并没有直接采用FSTD技术，而是与其他传输分集技术结合起来使用*TD-LTE传输分集SFBC+FSTDS10 S 20S 20*S100S30 S 40S 40*S3LTE支持SFBC与FSTD结合的传输分集方式41TD-LTEMIMO应用方式：空间复用应用方式：空间复用 天线配置MxN，NM 在发送端的不同天线天线上发送不同的数据流，接收端通过N根天线接收到的向量为：y = Hx + w 其中x为发送的符号向量，Mx1 y为接收到的符号向量，Nx1 H为空间信道矩阵，NxM W为噪声向量，Nx142TD-LTEMIMO技术与多用户分集技术与多用户分集43TD-LTE空间复用多码字传输 多码字传输即复用到多根天线上的数据流可以独立进行信道编码和调制 单码字传输是一个数据流进行信道编码和调制之后再复用到多根天线上 LTE支持最大的码字数目为2。单码字多码字44TD-LTE空间复用预编码技术基于预编码的空间复用是将多个数据流在发送之前使用一个预编码矩阵进行线性加权 NL=NT ，预编码可以用来对多个并行传输进行正交化，从而增加在接收端的信号隔离度。 NLNT ，预编码还提供将NL个空间复用信号映射到NT个传输天线上的作用，通过提供空间复用和波束赋形带来增益。4546TD-LTE空间复用MU-MIMO基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同用户下行同时支持SU-MIMO和MU-MIMOSU-MIMO(SDM)MU-MIMO(SDMA)47TD-LTE空间复用MU-MIMOLTE上行不支持SU-MIMO上行只支持虚拟MIMO，即每一个终端均发送一个数据流，但是两个或者更多的数据流占用相同的时频资源，这样从基站接收机来看，这些来自不同终端的数据流，可以被看作来自同一个终端上不同天线的数据流，从而构成一个MIMO系统SU-MIMOMU-MIMOTD-LTEMIMO应用方式：波束赋形与应用方式：波束赋形与Pre-coding接收波束赋形 MRC 接收分集 适用于任何天线间距 Null Steering Beamformer 抑制强干扰 适用于小天线间距发送波束赋形 MRT 发送分集（TxAA？） 适用于任何天线间距 Null Steering Beamformer 抑制强干扰 适用于小天线间距48TD-LTE波束赋形Wanted UE传统波束赋形 小间距的天线阵列，使用较多天线Interfering UE单元 提高峰值速率，小区覆盖，降低小区间干扰49TD-LTE波束赋形基于预编码的波束赋形 大间距的天线阵列，或者极化天线阵列 通过码本选择和反馈，即终端通过进行下行方向的信道估计，从已知的码本中选择下一次传输的赋形权值，并反馈给基站。50TD-LTE波束赋形当接收端也存在多根天线时，接收端也可以利用多根天线降低用户间干扰，其主要的原理是通过对接收信号进行加权，抑制强干扰，称为IRC（Interference Rejection Combining）下行上行51TD-LTE双流波束赋形技术简介波束赋形（BF）降低干扰提升覆盖半径MIMO提升吞吐量双流波束赋形技术提升吞吐量提升覆盖半径降低小区间干扰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，是中国移动协同设备商共同创新的成果，也是中国通信产业技术能力的体现。52TD-LTE8天线双流波束赋形技术天线双流波束赋形技术单用户双流波束赋形TD-LTE 系统中，基站测量上行信道，由上行信道状态信息计算赋形矢量（赋形矢量的选取有利于降低各数据流间的干扰），对要发射的多个数据流进行下行赋形处理 。终端接收机使用两根天线进行接收（接收天线数不小于传输数据流数）。单用户双流BF的吞吐量相比单流提高而整体小区的吞吐量提升。same time-frequencySU-MIMO based onDual-stream beamforming53TD-LTE8天线双流波束赋形技术天线双流波束赋形技术多用户双流波束赋形利用空间信道之间不相关特性支持两个用户各一个流。各用户占用相同的时频资源，采用多用户调度算法减少多用户间的干扰能获得空间复用增益而提升系统容量。same time-frequencySDMA based onDual-stream beamforming54赋形TD-LTE8天线双流波束赋形技术的具体实现天线双流波束赋形技术的具体实现4+4双极化天线是一种典型的双极化天线是一种典型的8天线天线形态，其天线形态适合使用双流波束双流波束BF1BF2赋形技术。双极化天线形态更容易提供双流传输时所需要的信道相关性在散射非常丰富的场景下 ，垂直极化8天线也有提供双流传输的可能。4+4双极化应用场景比双极化应用场景比8天线更天线更为广泛双流波束赋形技术的实现难易度分析：从技术研究角度分析，双流波束赋形技术没有太多新的理论问题需要解决；从信号处理角度分析，其实现机制基本已成熟，更多工作是算法优化问题。由上可知，基于现有的理论研究和信号处理技术，基于大唐移动对智能天线波束赋形技术的深入理解，双流波束赋形技术可以很快实现，应用于TD-LTE系统。 55TD-LTE双流波束赋形技术标准进展20072008年，中国移动和大唐移动在年，中国移动和大唐移动在IMT-A技术组和标准子组上分别提交技术组和标准子组上分别提交了关于双流波束赋形的整体解决方案，都获得了通过在双流BF立项之前，中国移动和大唐移动从2008年6月份开始在LTE-A（Rel-10）技术范围内开始推动该技术2009年年3月份，中国移动推动立项完成，相关标准化工作在月份，中国移动推动立项完成，相关标准化工作在RAN1展开讨论展开讨论2009年年12月，双流波束赋形技术的标准化工作已基本完成月，双流波束赋形技术的标准化工作已基本完成2009年3月2009年6月2009年9月2009年12月RAN1#56bis; RAN1#57 RAN1#57bis; RAN1#58 RAN1#58bis；RAN1#59RAN#43全会RAN#44全会RAN#45全会RAN#46全会56TD-LTE双流波束赋形可大大提升吞吐量性能扇区吞吐量最大提升约80%边缘吞吐量最大提升约130%注：ITU评估结果8天线双流波束赋形技术是提高吞吐量性能的有效方法5758TD-LTE8天线双流波束赋形技术应用场景天线双流波束赋形技术应用场景室外宏小区覆盖：4+4双极化天线双极化天线BF+双流双流室外街道站覆盖：1+1双极化天线双极化天线双流室内微小区覆盖：22MIMO8天线双流波束赋形技术是天线双流波束赋形技术是TD-LTE建网的主要技术，应用于室外场景的宏小区覆建网的主要技术，应用于室外场景的宏小区覆盖，可以有效的增加空间隔离度，降低数据流之间的干扰。59TD-LTE双流波束赋形是平滑引入TD-LTE的关键TD-LTE覆盖理论分析覆盖理论分析TD-LTE 2天线的覆盖能力受限于上天线的覆盖能力受限于上行业务信道以上行业务64Kbps边缘速率进行分析1.04km0.48kmTD-LTE 8天线的覆盖半径约为天线的覆盖半径约为2天天线的两倍，与TD-SCDMA覆盖半径相当TD-LTE 2天线天线TD-LTE 8天线天线TD-SCDMA 8天线天线在TD-SCDMA现网实际小区半径500米条件下，TD-LTE 8天线的边缘速率远远大于天线的边缘速率远远大于2天线天线0.5km2天线天线 64Kbps8天线天线 500Kbps0.5km0.28km2天线天线 500Kbps8天线天线 500Kbps8天线双流波束赋形在保证与天线双流波束赋形在保证与TD-SCDMA共覆盖前提下体现共覆盖前提下体现TD-LTE高速率特点高速率特点TD-LTELTE时的天线配置时的天线配置下行下行：最高 8X8上行：最高 4X41x2 (接收分集接收分集)2x2 (发射分集发射分集, 空分复用)4x2, 4x4 (发射分集发射分集, 空分复用)8x2, 8x4. (波束赋型波束赋型)上行1x2, 1x4, 1x8 (接收分集接收分集)BSMS6061TD-LTELTE系统多天线技术处理流程主要在下行方向，上行方向虽然支持MU-MIMO，但是每一个UE来看，其与单天线传输没有区别层（Layer）有不同的解释在使用单天线传输、传输分集以及波束赋形时，层数目等于天线端口数目；在使用空间复用传输时，层数目等于空间信道的Rank数目，即实际传输的流数目TD-LTELTE支持分层的支持分层的MIMO调度机制（下行）调度机制（下行）层次1下行支持多种传输模式，RRC层决策，半静态变化单端口传输 （AP0）传输分集开环空间复用闭环空间复用多用户MIMORank1预编码预编码单端口传输（AP5） 波束赋形层次2MAC层进行每种传输模式内部多种层进行每种传输模式内部多种MIMO方式的动方式的动态调度，比如Rank自适应，传输分集与空间复用的切换等。通过DCI指示，动态变化每种传输模式内部均包括传输分集，便于模式切换62TD-LTELTE支持多层次的支持多层次的MIMO调度机制（上行）调度机制（上行）层次1是否支持上行天线选择RRC层决策层决策受限于终端能力校准层次2RRUBBUFiber是否采用MU-MIMO无显示信令指示MAC层根据调度策略决策层根据调度策略决策63TD-LTELTE 系统MIMO技术实现64TD-LTE天线系统平滑升级8通道智能天线通道智能天线校准TD-SCDMA波束（单流）波束（单流）1个赋型波束个赋型波束TD-LTE波束（双流）波束（双流）4天线赋型波束RRUBBUFiber4天线赋型波束天线赋型波束当TD-LTE与TD-SCDMA采用相同的频段，天线可复用，RRU软件升级支持LTE65