MIMO分布式天线系统中的延时失衡性能分析

摘要 在MIMO室内分布式天线系统中，由于馈线以及极化天线本身的差异会引入延时不平衡因素。针对MIMO系统，从理论上分析分布式天线系统中延时失衡对MIMO系统带来的影响。通过仿真，定量分析了MIMO上下行链路中，延时失衡对基带性能的不利影响。结果表明，上行链路性能对延时差异不敏感；对下行链路，在时延差异达到0.5CP时，系统性能会有约2dB损失；当延时差异达到0.75CP时，性能下降达到8dB。
关键词 MIMO；分布式天线；延时失衡

    在不增加传输功率和频率资源的基础上，为提高传输速率和增强小区覆盖能力，多入多出(MIMO)技术被广泛应用于各种无线通信标准中，其中包括3GPP长期演进(LTE)以及其高级版(LTE-Advanced)项目标准。在LTE标准中，被采纳的MIMO技术主要包括发送分集、空分复用、波束赋形等。其中基于用户专用参考信号的下行波束赋形技术能够利用时分复用LTE(TD-LTE)系统中上下行信道的互易性，针对单个用户进行动态地波束赋形，从而有效提高传输速率和增强小区边缘覆盖性能。
    在目前的LTE室内商用系统的基本配置中，一般采用2×2天线配置。下行BS采用双天线分集或者复用发射，UE采用双天线接收。上行UE采用单天线发射，BS采用双天线接收，即接收分集。理论分析中，大多假设多天线阵列中各天线单元增益相同且时延相等。但在实际工程应用中，由于馈线及器件制造工艺的差异，会引入天线单元的增益与时延的差异。中国移动企业标准中，对于宏基站天线有明确的规定：各天线端口的幅度偏差≤0．7dB；相位偏差≤5°。
    在实际的室内分布式天线系统中，由于馈线以及极化天线本身的差异会引入天线延时不平衡因素。文中将对基于LTE系统，分析分布式天线系统中延时失衡对LTE基带系统带来的影响，并评估其可行性。

1 延时分析模型
    以LTE 20 MHz带宽系统分析：采样周期T=1／30．72MHz=0．032 6μs，对应于光速传播距离约为9．8 m。以10 MHz带宽分析：采样率为15．36 MHz，对应于光速传播距离为19．6 m。假设时域上采样点偏移N0，则相应在频域上的变换如式(1)所示。
   
    从式(1)可以看到，时域上线性偏移，频域上叠加线性相偏。时域上偏移越多，相偏变化越快。偏移两个采样点后，等效的频域信道估计响应如图1所示。

    从图1可以看出，频域等效信道响应呈周期性变化；当信道偏移量扩大时，此变化周期变快；当变化周期快于频域信道估计周期时，系统性能将会恶化。LTE下行帧结构中，采用每个RB在频域上包含14个子载波，中间插入两个Pilot，用于信道估计。Pilot中间位置则使用插值算法作估计。如果频域相偏变化过快，则会导致插值算法估计不准确，影响链路性能。
    假设LTE 2×2 MIMO系统，发射天线存在不同步的情况如图2所示。

    以接收端天线1为例，在FFT窗内对接收数据作变换，设r1(i)，r2(i)分别为来自发送端天线1和天线2的：Data区域的时域信号抽样点，其中0≤i≤NFFT-1，并设r2(i)为接收端FFT窗内的时域信号抽样点，时延为p个抽样点。


    由于下行DMRS并非在频域上连续分布，因此φ与k不一定相等，即由天线2时延造成的相位偏差不一定可以消除，从而造成接收端解调性能的下降。

2 仿真与分析
    为验证延时失衡理论分析结果的正确性，文中在不同信道环境下，针对LTE典型业务进行仿真，并对结果进行分析比较。系统采用10MHz带宽，15．36 MHz采样。上行链路仿真参数：仿真信道采用LTE标准中EPA 5 Hz信道；仿真业务采用LTE标准的FRC A4-6；信道估计算法采用LS平均算法；天线配置为1×2 SIMO；接收合并采用最大比合并(MRC)算法。下行链路仿真参数：仿真信道采用EPA 5 Hz；仿真业务中块长5 736，调制方式为16QAM；信道估计采用LS线性插值；天线配置为2×2MIMO。发送模式：两天线不带CDD的空间复用。
    首先分析接收端由于两天线间上行延时不平衡，对系统造成的影响。分析高斯白噪声信道下，不同信噪比环境下，不同的延时差异条件下，系统性能的恶化情况。图3是AWGN信道下的BER仿真结果。

    从图3中可以看出，上行由于LTE标准中频域插入的RS为全频段设置，接收机不需要进行频域插值，所以延时对接收机几乎没有影响。
    另外，还分析了下行MIMO配置下，发射天线延时差异对系统性能的影响。在不同信噪比环境和不同延时差异条件下的性能对比如图4所示。

    由于LTE 10 MHz带宽配置时，CP长度为72采样点。在时延差异<CP／8(即9个采样点)的情况下，系统的性能几乎没有下降；当时延差异较大时，系统性能下降明显；在时延差异达到0．5 CP时，系统性能会有约2 dB损失；当延时差异达到0．75 CP时，性能下降达到8dB。

3 结束语
    MIMO室内分布式天线系统中，由于馈线以及极化天线本身的差异会引入延时不平衡因素。针对MIMO系统，首先从理论上分析分布式天线系统中延时失衡对MIMO系统带来的影响。通过仿真，定量分析了MIMO上下行链路中，延时失衡对基带性能的不利影响。结果表明：上行链路性能对延时差异不敏感；对下行链路，在时延差异达到0.5CP时，系统性能会有约2dB损失；当延时差异达到0.75CP时，性能下降达到8dB。