智能天線在TD—LTE中的應(yīng)用分析

　　3 智能天線在TD-LTE中的應(yīng)用

　　TD-LTE為智能天線應(yīng)用進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，定義了專(zhuān)門(mén)的傳輸模式。如3GPP R8支持的基于單端口5專(zhuān)用導(dǎo)頻的傳輸模式TM7、3GPP R9支持的基于端口7和端口8專(zhuān)用導(dǎo)頻的傳輸模式MT8，就分別支持單流波束賦形技術(shù)和雙流波束賦形技術(shù)。根據(jù)3GPP協(xié)議，在LTE系統(tǒng)的eNode B端，雖然FDD和TDD均采用專(zhuān)用導(dǎo)頻來(lái)實(shí)現(xiàn)波束賦形，但對(duì)終端來(lái)講，僅有TD-LTE終端強(qiáng)制性地要求必須具有解調(diào)波束賦形數(shù)據(jù)的能力。

　　實(shí)踐證明，TD-LTE系統(tǒng)采用智能天線后，可提高系統(tǒng)的峰值速率、提升邊緣用戶吞吐量、提高小區(qū)覆蓋范圍。尤其是在智能天線與MIMO多天線結(jié)合后產(chǎn)生的雙流波束賦形技術(shù)中，單用戶的波束賦形可使單用戶獲得空間復(fù)用增益;在多用戶波束賦形方式中，則可使系統(tǒng)獲得多用戶的分集增益。所以可以預(yù)見(jiàn)，智能天線技術(shù)在TD-LTE系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，可明顯地改善系統(tǒng)性能。

　　3.1 TD-LTE中的波束賦形技術(shù)[2]

　　(1)單流波束賦形技術(shù)：LTE R8定義的傳輸模式TM7支持基于專(zhuān)用導(dǎo)頻的智能天線波束賦形，即單流波束賦形技術(shù)。在傳輸過(guò)程中，UE需要通過(guò)對(duì)專(zhuān)用導(dǎo)頻的測(cè)量來(lái)估計(jì)波束賦形后的等效信道，并進(jìn)行相干檢測(cè)。為了能夠估計(jì)波束賦形后的傳輸所經(jīng)歷的信道，基站必須發(fā)送一個(gè)與數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸?shù)牟ㄊx形參考信號(hào)，這個(gè)參考信號(hào)是UE專(zhuān)用的，也叫UE專(zhuān)有導(dǎo)頻，走天線端口5，用于傳輸模式7的業(yè)務(wù)解調(diào)。在圖3所示的單流波束賦形流程中，層映射與預(yù)編碼都只是簡(jiǎn)單的一對(duì)一的映射，后面生成的波束賦形當(dāng)然也相對(duì)簡(jiǎn)單。

　　(2)雙流波束賦形技術(shù)：在LTE R9的規(guī)范中，專(zhuān)門(mén)定義了有端口7和端口8兩個(gè)專(zhuān)用導(dǎo)頻用于業(yè)務(wù)信道解調(diào)的傳輸模式TM8。同時(shí)還引入了新的控制信令和天線配置(8×2)，將波束賦形擴(kuò)展到了雙流傳輸，實(shí)現(xiàn)了波束賦形與MIMO空間復(fù)用技術(shù)的結(jié)合，這就是雙流波束賦形技術(shù)。雙流波束賦形應(yīng)用可分為單用戶波束賦形和多用戶波束賦形，圖4所示是單流、雙流單用戶和雙流多用戶三種情況的波束賦形情況。

　　1)單用戶雙流波束賦形技術(shù)：由eNode B測(cè)量上行信道，得到上行信道狀態(tài)信息后，eNode B根據(jù)上行信道信息計(jì)算兩個(gè)賦形矢量，利用該賦形矢量對(duì)要發(fā)射的兩個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行下行賦形。采用單用戶雙流波束賦形技術(shù)，使得單個(gè)用戶在某一時(shí)刻可以進(jìn)行兩個(gè)數(shù)據(jù)流傳輸，同時(shí)獲得賦形增益和空間復(fù)用增益，獲得比單流波束賦形技術(shù)更大的傳輸速率，進(jìn)而提高系統(tǒng)容量。

　　2)多用戶雙流波束賦形技術(shù)：eNode B根據(jù)上行信道信息或UE反饋的結(jié)果進(jìn)行多用戶匹配，多用戶匹配完成后，按照一定的準(zhǔn)則生成波束賦形矢量，利用得到的波束賦形矢量為每一個(gè)UE、每一個(gè)流進(jìn)行賦形。多用戶雙流波束賦形技術(shù)利用了智能天線的波束定向原理，實(shí)現(xiàn)了多用戶的空分多址。

　　基于TD-LTE的波束賦形技術(shù)，有一個(gè)重要應(yīng)用是利用空間選擇性來(lái)支持空分多址(SDMA，Spatial Division Multiple Access)。因受限于應(yīng)用場(chǎng)景和終端尺寸及天線數(shù)量，單用戶往往難以支持高Rank數(shù)據(jù)傳輸。而Rank是信道矩陣EBB分解后特征值不為0的特征向量個(gè)數(shù)，UE會(huì)將測(cè)得的Rank值RI(Rank Indicator)上報(bào)給eNode B，而eNode B根據(jù)RI可以在空間區(qū)分出相互獨(dú)立而互不相關(guān)的信道數(shù)量。當(dāng)系統(tǒng)用戶數(shù)較多時(shí)，eNode B總可找到信道空間獨(dú)立性較強(qiáng)的兩個(gè)UE，若eNode B配備了多天線，則可以利用波束賦形信號(hào)空間隔離度實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)UE的并行傳輸，這就是多用戶MIMO技術(shù)，或者說(shuō)是TD-LTE中的波束賦形技術(shù)與MIMO技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。所以，只有在多UE時(shí)，雙流波束賦形才盡顯SDMA功能。

　　3.2 TD-LTE中的智能天線算

　　法[3]

　　單流波束賦形其實(shí)就是普通的智能天線波束賦形在LTE中的應(yīng)用，雙流波束賦形簡(jiǎn)單地說(shuō)就是多天線信道奇異值分解算法的典型應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)機(jī)制都已基本成熟，但算法優(yōu)化卻有許多工作需要我們不斷努力。為此，我們先了解一些比較典型的應(yīng)用于LTE中的波束賦形算法。

　　(1)單流波束賦形算法：?jiǎn)瘟鞑ㄊx形可根據(jù)賦形向量的獲得方式，分為長(zhǎng)期波束賦形和短期波束賦形，其中短期波束賦形最常見(jiàn)的是基于奇異值分解SVD(Singular Value Decomposition)波束賦形，長(zhǎng)期波束賦形通常稱為基于來(lái)波方向DOA的波束賦形。在SVD方法中，發(fā)送端從上行探測(cè)導(dǎo)頻(Sounding)估計(jì)出信道信息，然后對(duì)用戶信道進(jìn)行SVD分解計(jì)算出對(duì)應(yīng)的預(yù)編碼酉矩陣。其中SVD分解操作是：假設(shè)天線發(fā)送數(shù)目為M，接收天線數(shù)目為N，則空間信道矩陣H的維數(shù)為N×M，空間信道矩陣H的SVD分解為：

　　H=UAVH (5)

　　其中U和V分別是維數(shù)為N×N和M×M的酉矩陣，A是一個(gè)維數(shù)為N×M的矩陣，其對(duì)角線元素是非負(fù)實(shí)數(shù)，非對(duì)角線無(wú)線為0，并且A的對(duì)角線元素λ1≥λ2≥…≥λn，即按照大小排序之后的矩陣H的奇異值，其中n是M和N中的最小值。經(jīng)過(guò)奇異值分解后獲得的酉矩陣V即為線性預(yù)編碼。

　　而DOA波束賦形的加權(quán)向量是基于遠(yuǎn)大于信道相干時(shí)間的一段時(shí)間內(nèi)對(duì)信道的測(cè)量，亦即傳統(tǒng)的不用訓(xùn)練序列的盲自適應(yīng)方法，常用的是延遲相加法。

　　(2)雙流波束賦形單用戶算法：當(dāng)單用戶傳輸時(shí)，同一個(gè)時(shí)頻資源塊僅分配給一個(gè)用戶，基站端僅對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行波束賦形，增強(qiáng)有用信號(hào)功率，典型的算法有特征值波束賦形EBB(Eigenvalue Based Beamformin)，其波束賦形矩陣具體計(jì)算如下：

　　設(shè)基站發(fā)送天線數(shù)為nr，移動(dòng)臺(tái)接收天線數(shù)為mR，基站到第i個(gè)用戶的信道矩陣為Hi。第i個(gè)用戶支持的獨(dú)立數(shù)據(jù)流為ri(ri≤mR)。

　　對(duì)Hi進(jìn)行SVD分解，得到：

　　(6)

　　其中，從大到小排序的非零奇異值對(duì)應(yīng)的特征向量分別表示為Vi，1(Vi的第1列)、Vi，2(Vi的第2列)、…、Vi，mR(Vi的第mR列)。取的前ri個(gè)右奇異向量表示為，那么單用戶多流波束賦形矩陣為：

　　(7)

　　(3)雙流波束賦形多用戶算法：常用的多用戶雙流波束賦形算法如迫零ZF(Zero Forcing)，塊對(duì)角BD(Block Diagonalization)等，需要滿足限制條件：配對(duì)用戶的接收天線總數(shù)≤發(fā)送的天線總數(shù)。這個(gè)條件限制了配對(duì)的用戶數(shù)，尤其是當(dāng)用戶接收天線數(shù)>1時(shí)，配對(duì)用戶數(shù)將受限于配對(duì)用戶的接收天線總數(shù)，這樣將影響聯(lián)合調(diào)度的性能增益。目前，一種更優(yōu)的多用戶波束賦形算法，即多用戶特征模式傳輸MET(Multiuser Eigenmode Transmission)算法將DB算法的限制條件放松為：配對(duì)用戶的總數(shù)據(jù)流數(shù)≤發(fā)送的天線總數(shù)，即：

　　其中，M表示配對(duì)用戶數(shù)。

　　當(dāng)用戶的數(shù)據(jù)流數(shù)<接收天線數(shù)時(shí)，該算法可提供更多的正交用戶配對(duì)，較BD算法有較高的性能提升。該算法的主要步驟為：

　　1)壓縮用戶信道矩陣：對(duì)第i個(gè)用戶的信道矩陣Hi進(jìn)行SVD分解，如式(6)。取ui前第ri個(gè)列向量的共軛轉(zhuǎn)置，那么：

　　當(dāng)用戶的數(shù)據(jù)流數(shù)ri<接收天線數(shù)nR時(shí)，用戶的信道矩陣由nR行壓縮為ri行。

　　2)抑制用戶間干擾(構(gòu)建“我為人人，人人為我”的和諧信號(hào)傳輸)。

　　定義：

　　對(duì)進(jìn)行SVD分解，

　　其中表示0奇異值對(duì)應(yīng)的特征向量。多用戶波束賦形矩陣已經(jīng)能保證干擾用戶位于該用戶信號(hào)的零限。

　　3)在保證不對(duì)其他配對(duì)用戶干擾的同時(shí)，最大化有用信號(hào)強(qiáng)度。

　　將尋找更優(yōu)化的波束賦形算法，在抑制用戶間干擾的同時(shí)，最大化有用信號(hào)的強(qiáng)度，再對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行一次波束賦形，對(duì)進(jìn)行SVD分解，得到：

　　其中，取的前ri個(gè)右奇異向量表示。那么以為波束賦形矩陣的干擾消除算法不僅能保證完全消除干擾，還能將有用信號(hào)功率增強(qiáng)，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

　　所以，多用戶波束賦形矩陣表示為：

　　(8)

　　總之，智能天線剛開(kāi)始在TD-LTE應(yīng)用時(shí)，就已經(jīng)與MIMO技術(shù)結(jié)合了。在LTE R8的TM7中，表面上只支持單流波束賦形，但eNode B可以采用“透明”方式將兩個(gè)或多個(gè)UE調(diào)度在同一時(shí)頻資源上，從而構(gòu)成多用戶MIMO傳輸，因其只定義了一個(gè)專(zhuān)用導(dǎo)頻端口，所以eNode B只支持單流波束賦形。在LTE R9的TM8中定義了兩個(gè)專(zhuān)用導(dǎo)頻端口，eNode B可以通過(guò)下行控制信令指示兩個(gè)Rank1傳輸?shù)腢E分別占用相互正交的一對(duì)專(zhuān)用導(dǎo)頻端口，避免了UE間干擾對(duì)專(zhuān)用導(dǎo)頻信道估計(jì)的影響，也保證了多用戶MIMO有更好的傳輸質(zhì)量。