TC5-WG9-2013-155Q-高速运动场景下TD-LTE性能研究报告V3.0-提交版

高速运动场景下TD-LTE性能研究报告

Performance research of TD-LTE in High Speed Train conditions

2013年8月

目录

1 2 3 4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 5 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 6 6.1 6.2 6.3 6.4 7

研究范围 ......................................................................................................................................... 3 规范性引用文件 ............................................................................................................................. 3 定义和缩略语 ................................................................................................................................. 3 背景和概述 ..................................................................................................................................... 3

产业背景................................................................................................................................... 3 高速场景定义和描述 ............................................................................................................... 4 高速场景的速度 ....................................................................................................................... 4 信道模型................................................................................................................................... 4 高速场景下的性能指标 ........................................................................................................... 6 仿真平台简介 ................................................................................................................................. 6

运行环境................................................................................................................................... 7 仿真参数及流程 ....................................................................................................................... 7 主要模块及关键算法 ............................................................................. 错误！未定义书签。 AMC机制 ............................................................................................. 错误！未定义书签。 HARQ过程 ........................................................................................... 错误！未定义书签。 多天线实现方案.................................................................................... 错误！未定义书签。 导频映射 ............................................................................................... 错误！未定义书签。

仿真结果及结论 ............................................................................................................................. 7

高速场景下不同天线配置对性能的影响 ............................................................................... 8 高速场景下不同移动速度对性能的影响 ............................................................................. 11 高速场景下不同天线模式对性能的影响 ............................................................................. 14 结论 ........................................................................................................................................ 16 标准化建议及未来研究方向 ....................................................................................................... 17

1 研究范围

本文是对高速运动场景下TD-LTE性能的仿真研究报告，分析了高速场景的典型无线环境，

物理层关键技术，仿真实现及仿真结果分析。希望能对我国TD-LTE产业在高铁等高速运动场景下的发展起到参考和推动作用。

本报告参考3gpp Release9相关协议。 2

规范性引用文件

[1] TS36.211 物理信道和调制

[2] TS36.212 复用和信道编码

[3] TS36.213 物理层过程

3 定义和缩略语

下列缩略语适合于本研究报告： AFC Automatic Frequency Control AOA AMC HARQ LOS MIMO 4 4.1

背景和概述 产业背景

近年来，中国的铁路事业得到迅猛发展。到2012年底，全国铁路营业里程达到9.8万公里，居世界第二位；高铁运营里程达到9356公里，居世界第一位。2004至2010年的六年时间内，中国高铁连上三级台阶，将时速由200公里提高到380公里，走过了发达国家近50年的高铁路。

如何在高速运动的高铁车厢内为用户提供优质的通信服务，也成为运营商越来越关注的主题。高铁覆盖成为检验网络综合解决方案能力的试金石，究其原因，主要概括为以下几点：

首先，高铁车速很快，时速可达350km/h。高速运动引起的多普勒频移更加明显，由此将导致基站和终端的相干解调性能降低，直接影响网络性能，用户感知变差；

Angle of Arrival Adaptive Modulation and Coding Hybrid Automatic Repeat Request Line of Sight Multiple In Multiple Out 自动频率校正 波束到达角 自适应调制编码 混合自动重传请求 直视径 多输入输出系统 第二，频繁的小区重选和切换会导致成功率下降，甚至因切换不及时而导致掉话；频繁的小区重选也将影响PS业务速率等指标；

第三，现网上往往采用专网小区分裂的方式覆盖高铁，高铁小区和其他小区间的移动性管理，参数设置非常复杂，难以达成最优质量；

第四，高铁采用新车型，车体密封性强，穿透损耗大，会导致车厢内部无线接收信号降低。 随着TD-LTE产业发展如日中天，要解决高速铁路应用中的一系列难题，必须将高铁场景作为一个特殊的场景——高速运动场景来进行研究。如何提高TD-LTE网络的整体性能，优化用户体验，是网络运营商和所有研发工程师一直要追求的目标。

本研究报告通过分析高速运动场景下TD-LTE系统的物理层关键技术，建立高铁信道模型，并通过TD-LTE链路级仿真平台从MIMO多天线的角度分析不同条件下的网络性能，由此给出高铁场景下网络部署的一些建议。

4.2

高速场景定义和描述 4.2.1 高速场景的速度

目前我国建成和在建的高铁的最高车速一般在200km/h-300km/h之间，比如：  动车组时速300km/h

 广珠高速铁路2010年建成最高时速250km/h；

 京沪高速铁路设计最高运行时速350km，初期运营时速300km；  上海磁浮最高时速430公里；

为与实际情况相统一，以下研究报告中我们选取120km/h 、250km/h 和350km/h作为高速场景的典型速度。

4.2.2 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BS和MS

([-180°,180°]均匀分布)，终端运行速率v和运行方向v([-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

n,l'Tsfloor(n,l/Ts0.5)

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n,AoD，及各子径的相对角度偏移

n,m,AoD，则各子径的AoD为

n,m,AoDBSn,AoDn,m,AoD；

6) 计算各子径的到达角：查表得到各主径的离开角n,AoA，及各子径的相对角度偏移

n,m,AoA，则各子径的AoA为n,m,AoAMSn,AoAn,m,AoA；

,y)7) 根据基站与终端的天线极化方式，生成极化相位偏移，以n(,xm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。

v)h)(n,m,AoD)表示BS天线的V极化分量；(BS(n,m,AoD)表示9) 计算天线极化响应。以(BSv)(h)BS天线的H极化分量；(MS(n,m,AoD)表示MS天线的V极化分量；MS(n,m,AoD)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，

sin()cos()n,m,AoDcos()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：

cos()sin()cos(。

)n,m,AoD同样，在MS端，以β表示天线与z轴夹角，则天线响应为。

sin()cos()n,m,AoDcos()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：

Pn,lSFMT,v),h)(v)(v)expj(nv,mrn1expj(nv,m(MS)(n,m,AoA)BSn,m,AoD(h)(h)M(h,v)(h,h)BS(n,m,AoD)MS(n,m,AoA)expjn,mm1rn2expjn,mexpjkdsin(sn,m,AoD)expjkdusin(n,m,AoA)expjkvcos(θn,m,AoAv) thu,s,n,l(t)

其中常数k2/，是载波的波长。 ds为MS天线之间的距离，du为MS天线之间的距离。M为此中径内所包含的子径数。

表4.2-1 SCME簇内参数 中径 1 2 3 功率(与子径数目对应) 10/20 6/20 4/20 延时 0 12.5ns 25ns 子径 1,2,3,4,5,6,7,8,19,20 9,10,11,12,17,18 13,14,15,16 表4.2-2 SCME主径相关参数

4.3 5

高速场景下的性能指标 仿真平台简介

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。 5.1

运行环境

表5.1-1 TD-LTE链路级仿真平台建议运行环境 参数 仿真机 CPU 内存 硬盘 操作系统 开发软件 5.2

仿真参数

基本要求 台式计算机 Intel P4 2.4 512M 1G Windows XP Professional MATLAB R2010b Visual C++ 6.0 建议的运行环境 高性能服务器 多线程台式机或多CPU服务器 2G 5G Windows 2003 Server MATLAB R2010b Visual C++ 6.0 表5.2-1 TD-LTE链路级仿真平台仿真参数 测试场景 移动速度 系统带宽 上下行配比 HARQ AMC MIMO模式 载波频率 接收算法 信道估计算法 CFI PSS\\PBCH\\SSS 天线模式 广播赋性因子 6

仿真结果及结论

本节将对仿真结果进行对比分析。

SCM-E Urban 120km/h,250km/h,350km/h 20M 上下行配置1，特殊子帧配置7 打开 打开 模式2、模式3、模式7、模式8 2.6G MMSE 2维维纳滤波 3符号 理想已知 D（90度天线），天线间隔0.65 lamda 基站4+4双极化天线，终端垂直极化接收天线 w=[1 0；1 0；1 0；-1 0；0 1；0 1；0 -1；0 1] 6.1 高速场景下不同天线配置对性能的影响

TM2 120km/h 不同天线配置下的仿真结果30 2520Throughput (Mbps)151052x2 天线0 08x2 天线51015SNR (dB)202530

TM3 120km/h 不同天线配置下的仿真结果40 3530Throughput (Mbps)2520151052x2 天线0 08x2 天线51015SNR (dB)202530

TM2 250km/h 不同天线配置下的仿真结果30 2520Throughput (Mbps)151052x2 天线8x2 天线51015SNR (dB)2025300 0

TM3 250km/h 不同天线配置下的仿真结果35 3025Throughput (Mbps)20151052x2 天线8x2 天线51015SNR (dB)2025300 0

TM2 350km/h 不同天线配置下的仿真结果30 2520Throughput (Mbps)151052x2 天线8x2 天线51015SNR (dB)2025300 0

TM3 350km/h 不同天线配置下的仿真结果30 2520Throughput (Mbps)151052x2 天线8x2 天线51015SNR (dB)2025300 0

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。 6.2

高速场景下不同移动速度对性能的影响

TM2 2x2天线不同速度下的仿真结果30 2520Throughput (Mbps)15105TM2 120km/hTM2 250km/hTM2 350km/h51015SNR (dB)2025300 0

TM3 2x2天线不同速度下的仿真结果40 3530Throughput (Mbps)2520151050 0TM3 120km/hTM3 250km/hTM3 350km/h51015SNR (dB)202530

TM7 8x2天线不同速度下的仿真结果35 3025Throughput (Mbps)20151050 0TM7 120km/hTM7 250km/hTM7 350km/h51015SNR (dB)202530

TM8 8x2天线不同速度下的仿真结果35 3025Throughput (Mbps)20151050 0TM8 120km/hTM8 250km/hTM8 350km/h51015SNR (dB)202530

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。

6.3 高速场景下不同天线模式对性能的影响

120km/h 不同天线模式下仿真结果40 3530Throughput (Mbps)25201510TM2 2x2天线TM3 2x2天线TM7 8x2天线TM8 8x2天线51015SNR (dB)20253050 0

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。

250km/h 不同天线模式下仿真结果35 3025Throughput (Mbps)201510TM2 2x2天线TM3 2x2天线TM7 8x2天线TM8 8x2天线51015SNR (dB)20253050 0

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。

350km/h 不同天线模式下仿真结果30 2520Throughput (Mbps)151050 0TM2 2x2天线TM3 2x2天线TM7 8x2天线TM8 8x2天线51015SNR (dB)202530

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。 6.4

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。

7

标准化建议及未来研究方向

以上报告内容对高速场景下TD-LTE 2天线和8天线的性能进行了阐述，可作为以后标准化工作的预研。

建议对下述内容进行标准化：

 

高速场景下的信道模型和性能指标； 多普勒频偏方式。

建议如下内容需作后续的进一步研究：



中国的地形复杂，可考虑除3gpp给定信道模型之外的其它无线信道情况，如山区、峡

谷环境等；