高速场景下TD-LTE性能研究
高速场景下TD-LTE性能研究
本文是对高速运动场景下TD-LTE性能的仿真研究结果，分析了高速场景的典型无线环境对TD-LTE性能的影响，希望对TD-LTE在高铁等高速运动场景下网规网优有一定的帮助。
1 高速场景下TD-LTE性能分析结果
①高速场景下不同天线配置对性能的影响
以上六幅图比较了在120km/h、250km/h和350km/h三种速度设置时，基站2天线和8天线配置下TM2、3的性能。8天线发射分集和CDD由LTE虚拟端口映射到8Tx端口的方式来实现，即重用2天线方案，映射矩阵采用W=[1 0；1 0；
1 0；-1 0；0 1；0 1；0 -1；0 1]。由仿真结果可知，三种速度设置趋势相同，即8天线配置下的TM2、3性能略好于2天线配置，性能提升大约为1~2dB，主要由于8根物理天线映射到2天线端口时，映射矩阵W的引入降低了天线相关性。通过成本和性能提升的折中性分析，建议基站使用TM2、3数据传输时采用2x2天线配置。
②高速场景下不同移动速度对性能的影响
以上四幅图比较了TM2、3、7、8性能随移动速度的变化趋势。随着速度提高，四者性能均有大幅下降，其中TM7、8性能下降幅度高于TM2、3。由于TM7、8需要根据前一帧的信道分解确定下一帧的波束赋形矢量，在高速运动情况下，信道估计不准确，因此性能下降幅度较大，不适用于高速场景。
③高速场景下不同天线模式对性能的影响
在移动速度为120km/h的场景下，当低信噪比低于20dB时，TM7、8性能高于TM2、3；信噪比高于20dB时，TM3和TM8由于采用双流传输，性能高于TM2和TM7的单流传输。因此在该速度场景下，考虑到实际系统中的信噪比区间和网络性能，建议采用TM8进行传输。
在移动速度为250km/h的场景下，当低信噪比低于13dB时，各个模式性能差异不大，当信噪比超过13dB时，TM7、8性能受速度的影响变明显，TM2、3
性能明显超过TM7、8。因此在该速度场景下，考虑到实际系统中的信噪比区间和网络性能，建议采用TM2或TM3进行传输。
在移动速度为350km/h的场景下，TM2、3性能明显超过TM7、8。因此在该速度场景下，考虑到实际系统中的信噪比区间和网络性能，建议采用TM2进行传输。
【结论】
通过对上述结果的对比分析，可以得出以下结论：
■在高速场景下，对于TM2和TM3，基站8天线与2天线相比性能提升有限，仅为1~2dB，但是成本会显著增加，因此，当基站端选用TM2和TM3进行数据传输时，建议采用2天线配置。
■在高速场景下，随着速度升高，TM2、3、7、8均有性能下降现象。对于TM2、3，当信噪比低于20dB时，性能下降1~2dB左右，当信噪比高于20dB时，性能下降3~5dB左右。对于TM7、8，性能下降较TM2、3要快很多，大概为5~10dB 左右，TM8高信噪比区间甚至会下降10dB以上。由此看出，与TM2、3相比TM7、8不适用于高速场景。
■在120km/h的速度下，当信噪比低于20dB时，TM8性能最优，当信噪比高于20dB时，TM3性能最优，TM8性能次优。结合实际系统中常见的信噪比区间，建议该速度下，采用TM8进行数据传输。
■在250km/h和350km/h的速度下，TM2、3性能明显高于TM7、8，其中TM2
性能最优，TM8性能最差。结合实际系统中常见的信噪比区间，建议该两种速度下，采用TM2进行数据传输。
2 仿真平台介绍
本节描述了TD-LTE链路级仿真平台的总体架构和详细设计。其中层映射、预编码以及物理资源映射参考协议3gpp TS 36.211 Rel 9中的相关内容；物理下行信道的收发端处理过程，包括CRC校验、码块分割、信道编码、速率匹配等模块参考协议3gpp TS 36.212 Rel 9中的相关内容；高速信道模型根据SCME信道模型修改得到。该仿真平台实现了TD-LTE PDSCH信道传输的基本功能，包括自适应调制编码方式及TBS选择，CRC校验，信道编码与译码，交织与解交织，HARQ，星座点调制与解调，OFDM调制与解调，物理资源映射与解映射，添加信道响应，信道估计，联合检测，误块率统计等功能模块。该平台可以用来仿真在不同高速信道条件下，TD-LTE系统基站2天线和8天线性能对比，进而为实际网络部署提供理论依据。
2.1 运行环境
表1 TD-LTE链路级仿真平台建议运行环境
2.2 仿真参数
表2 TD-LTE链路级仿真平台仿真参数
2.3 信道模型
本平台仿真高速场景下不同多天线模式的性能，基站为4+4双极化天线，终端为2根垂直极化天线，天线间隔均为0.65个波长。为了考虑天线相关性对性能的影响，本平台采用基于SCM模型的SCME信道模型进行仿真，移动速度分别设为120km/h、250km/h和350km/h。
SCM模型有三种场景：urban macro, urban micro, suburban macro。每种场景中，都有固定的6条主径，每条主径有20条子径，每条主径对应各自的时延、功率、角度特性等。SCME模型是SCM的扩展模型，在SCM的基础上引入了中径和簇内参数。每条主径中的20条子径划分为3条中径，根据其簇内偏移，得到其时延、功率等参数。
利用固定参数法(加入了天线极化)产生SCME信道的步骤如下所示：
1)考虑实际情况，该高速信道适用urban macro模式；
2)确定基站和终端数目及其位置和直射路径LOS相对于BS和MS的方向和
([-180°,180°]均匀分布)，终端运行速率v和运行方向([-180°,180°]均匀分
布)；
3)查表得到各主径的延迟τn，根据中径在主径内的延迟偏移Δn,l，得到各中径的延迟τn,l=τn+Δn,l，并对延迟进行量化
4)查表得到各主径的相对功率Pn，根据各中径所包含的子径数，得到各中径的相对功率Pn,l，并归一化；
5)计算各子径的离开角：查表得到各主径的离开角，及各子径的相对角度
偏移，则各子径的AoD为
；
6)计算各子径的到达角：查表得到各主径的离开角，及各子径的相对角度偏移，则各子径的AoA为
；
7)根据基站与终端的天线极化方式，生成极化相位偏移，以表示第n条主
径的第m条子径在BS端的x部分(H或V)与MS端的y(H或V)部分之间的相对偏移。这是一个随机变量，在(0°,360°)均匀分布。
H、V与天线极化方式有关：若采用+/-45°交叉极化，H和V分别表示+/-45°两个方向；若采用垂直极化，则H表示水平方向，V表示垂直方向。
8)确定XPD功率比例。H-to-V XPD定义为XPD=P1/P2，其中P1是垂直方向各子径的功率，P2是水平方向各子径的功率。对于某主径，其各子径的XPD是相同的。
对于urban macro小区，P2 = P1 - A - B*(0,1)，其中A=0.34*(mean relative
path power in dB)+7.2 dB，B=5.5dB是XPD变量的标准误差，(0,1)表示零均值、方差为1的高斯随机分布。若以dB表示各功率，则XPD可表示为XPD=A+B*(0,1)。
V-to-H XPD可以同样求出，且与H-to-V XPD相互独立。
9)计算天线极化响应。以表示BS天线的V极化分量；
表示BS天线的H极化分量；表示MS天线的V极化分量；
表示MS天线的H极化分量。V和H与前面第7步中的V、H相同。设在BS端，以α表示天线角度，则BS端天线响应为
。
例如，若采用8Tx交叉极化，1~4号天线为+45°，5~8号天线为-45°，则天线极化响应为：
。
同样，在MS端，以β表示天线与z轴夹角，则天线响应为
。
10)加入了天线极化，第u根接收天线和第s根天线间的第n条主径中第l条中径所对应的信道公式为：
其中常数，是载波的波长。为MS天线之间的距离，为MS天
线之间的距离。M为此中径内所包含的子径数。
表3 SCME簇内参数
表4 SCME主径相关参数