MIMO分布式天線系統(tǒng)中的延時(shí)失衡性能分析

摘要 在MIMO室內(nèi)分布式天線系統(tǒng)中，由于饋線以及極化天線本身的差異會(huì)引入延時(shí)不平衡因素。針對(duì)MIMO系統(tǒng)，從理論上分析分布式天線系統(tǒng)中延時(shí)失衡對(duì)MIMO系統(tǒng)帶來的影響。通過仿真，定量分析了MIMO上下行鏈路中，延時(shí)失衡對(duì)基帶性能的不利影響。結(jié)果表明，上行鏈路性能對(duì)延時(shí)差異不敏感；對(duì)下行鏈路，在時(shí)延差異達(dá)到0.5CP時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)有約2dB損失；當(dāng)延時(shí)差異達(dá)到0.75CP時(shí)，性能下降達(dá)到8dB。
關(guān)鍵詞 MIMO；分布式天線；延時(shí)失衡

    在不增加傳輸功率和頻率資源的基礎(chǔ)上，為提高傳輸速率和增強(qiáng)小區(qū)覆蓋能力，多入多出(MIMO)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種無線通信標(biāo)準(zhǔn)中，其中包括3GPP長期演進(jìn)(LTE)以及其高級(jí)版(LTE-Advanced)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)。在LTE標(biāo)準(zhǔn)中，被采納的MIMO技術(shù)主要包括發(fā)送分集、空分復(fù)用、波束賦形等。其中基于用戶專用參考信號(hào)的下行波束賦形技術(shù)能夠利用時(shí)分復(fù)用LTE(TD-LTE)系統(tǒng)中上下行信道的互易性，針對(duì)單個(gè)用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)地波束賦形，從而有效提高傳輸速率和增強(qiáng)小區(qū)邊緣覆蓋性能。
    在目前的LTE室內(nèi)商用系統(tǒng)的基本配置中，一般采用2×2天線配置。下行BS采用雙天線分集或者復(fù)用發(fā)射，UE采用雙天線接收。上行UE采用單天線發(fā)射，BS采用雙天線接收，即接收分集。理論分析中，大多假設(shè)多天線陣列中各天線單元增益相同且時(shí)延相等。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于饋線及器件制造工藝的差異，會(huì)引入天線單元的增益與時(shí)延的差異。中國移動(dòng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于宏基站天線有明確的規(guī)定：各天線端口的幅度偏差≤0．7dB；相位偏差≤5°。
    在實(shí)際的室內(nèi)分布式天線系統(tǒng)中，由于饋線以及極化天線本身的差異會(huì)引入天線延時(shí)不平衡因素。文中將對(duì)基于LTE系統(tǒng)，分析分布式天線系統(tǒng)中延時(shí)失衡對(duì)LTE基帶系統(tǒng)帶來的影響，并評(píng)估其可行性。

1 延時(shí)分析模型
    以LTE 20 MHz帶寬系統(tǒng)分析：采樣周期T=1／30．72MHz=0．032 6μs，對(duì)應(yīng)于光速傳播距離約為9．8 m。以10 MHz帶寬分析：采樣率為15．36 MHz，對(duì)應(yīng)于光速傳播距離為19．6 m。假設(shè)時(shí)域上采樣點(diǎn)偏移N0，則相應(yīng)在頻域上的變換如式(1)所示。
   
    從式(1)可以看到，時(shí)域上線性偏移，頻域上疊加線性相偏。時(shí)域上偏移越多，相偏變化越快。偏移兩個(gè)采樣點(diǎn)后，等效的頻域信道估計(jì)響應(yīng)如圖1所示。

    從圖1可以看出，頻域等效信道響應(yīng)呈周期性變化；當(dāng)信道偏移量擴(kuò)大時(shí)，此變化周期變快；當(dāng)變化周期快于頻域信道估計(jì)周期時(shí)，系統(tǒng)性能將會(huì)惡化。LTE下行幀結(jié)構(gòu)中，采用每個(gè)RB在頻域上包含14個(gè)子載波，中間插入兩個(gè)Pilot，用于信道估計(jì)。Pilot中間位置則使用插值算法作估計(jì)。如果頻域相偏變化過快，則會(huì)導(dǎo)致插值算法估計(jì)不準(zhǔn)確，影響鏈路性能。
    假設(shè)LTE 2×2 MIMO系統(tǒng)，發(fā)射天線存在不同步的情況如圖2所示。

    以接收端天線1為例，在FFT窗內(nèi)對(duì)接收數(shù)據(jù)作變換，設(shè)r1(i)，r2(i)分別為來自發(fā)送端天線1和天線2的：Data區(qū)域的時(shí)域信號(hào)抽樣點(diǎn)，其中0≤i≤NFFT-1，并設(shè)r2(i)為接收端FFT窗內(nèi)的時(shí)域信號(hào)抽樣點(diǎn)，時(shí)延為p個(gè)抽樣點(diǎn)。


    由于下行DMRS并非在頻域上連續(xù)分布，因此φ與k不一定相等，即由天線2時(shí)延造成的相位偏差不一定可以消除，從而造成接收端解調(diào)性能的下降。

2 仿真與分析
    為驗(yàn)證延時(shí)失衡理論分析結(jié)果的正確性，文中在不同信道環(huán)境下，針對(duì)LTE典型業(yè)務(wù)進(jìn)行仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較。系統(tǒng)采用10MHz帶寬，15．36 MHz采樣。上行鏈路仿真參數(shù)：仿真信道采用LTE標(biāo)準(zhǔn)中EPA 5 Hz信道；仿真業(yè)務(wù)采用LTE標(biāo)準(zhǔn)的FRC A4-6；信道估計(jì)算法采用LS平均算法；天線配置為1×2 SIMO；接收合并采用最大比合并(MRC)算法。下行鏈路仿真參數(shù)：仿真信道采用EPA 5 Hz；仿真業(yè)務(wù)中塊長5 736，調(diào)制方式為16QAM；信道估計(jì)采用LS線性插值；天線配置為2×2MIMO。發(fā)送模式：兩天線不帶CDD的空間復(fù)用。
    首先分析接收端由于兩天線間上行延時(shí)不平衡，對(duì)系統(tǒng)造成的影響。分析高斯白噪聲信道下，不同信噪比環(huán)境下，不同的延時(shí)差異條件下，系統(tǒng)性能的惡化情況。圖3是AWGN信道下的BER仿真結(jié)果。

    從圖3中可以看出，上行由于LTE標(biāo)準(zhǔn)中頻域插入的RS為全頻段設(shè)置，接收機(jī)不需要進(jìn)行頻域插值，所以延時(shí)對(duì)接收機(jī)幾乎沒有影響。
    另外，還分析了下行MIMO配置下，發(fā)射天線延時(shí)差異對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在不同信噪比環(huán)境和不同延時(shí)差異條件下的性能對(duì)比如圖4所示。

    由于LTE 10 MHz帶寬配置時(shí)，CP長度為72采樣點(diǎn)。在時(shí)延差異<CP／8(即9個(gè)采樣點(diǎn))的情況下，系統(tǒng)的性能幾乎沒有下降；當(dāng)時(shí)延差異較大時(shí)，系統(tǒng)性能下降明顯；在時(shí)延差異達(dá)到0．5 CP時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)有約2 dB損失；當(dāng)延時(shí)差異達(dá)到0．75 CP時(shí)，性能下降達(dá)到8dB。

3 結(jié)束語
    MIMO室內(nèi)分布式天線系統(tǒng)中，由于饋線以及極化天線本身的差異會(huì)引入延時(shí)不平衡因素。針對(duì)MIMO系統(tǒng)，首先從理論上分析分布式天線系統(tǒng)中延時(shí)失衡對(duì)MIMO系統(tǒng)帶來的影響。通過仿真，定量分析了MIMO上下行鏈路中，延時(shí)失衡對(duì)基帶性能的不利影響。結(jié)果表明：上行鏈路性能對(duì)延時(shí)差異不敏感；對(duì)下行鏈路，在時(shí)延差異達(dá)到0.5CP時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)有約2dB損失；當(dāng)延時(shí)差異達(dá)到0.75CP時(shí)，性能下降達(dá)到8dB。