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)用進行了專門的標準化設(shè)計，定義了專門的傳輸模式。如3GPP R8支持的基于單端口5專用導(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均采用專用導(dǎo)頻來實現(xiàn)波束賦形，但對終端來講，僅有TD-LTE終端強制性地要求必須具有解調(diào)波束賦形數(shù)據(jù)的能力。

　　實踐證明，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，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)。在傳輸過程中，UE需要通過對專用導(dǎo)頻的測量來估計波束賦形后的等效信道，并進行相干檢測。為了能夠估計波束賦形后的傳輸所經(jīng)歷的信道，基站必須發(fā)送一個與數(shù)據(jù)同時傳輸?shù)牟ㄊx形參考信號，這個參考信號是UE專用的，也叫UE專有導(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)編碼都只是簡單的一對一的映射，后面生成的波束賦形當然也相對簡單。

　　(2)雙流波束賦形技術(shù)：在LTE R9的規(guī)范中，專門定義了有端口7和端口8兩個專用導(dǎo)頻用于業(yè)務(wù)信道解調(diào)的傳輸模式TM8。同時還引入了新的控制信令和天線配置(8×2)，將波束賦形擴展到了雙流傳輸，實現(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)上行信道信息計算兩個賦形矢量，利用該賦形矢量對要發(fā)射的兩個數(shù)據(jù)流進行下行賦形。采用單用戶雙流波束賦形技術(shù)，使得單個用戶在某一時刻可以進行兩個數(shù)據(jù)流傳輸，同時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)果進行多用戶匹配，多用戶匹配完成后，按照一定的準則生成波束賦形矢量，利用得到的波束賦形矢量為每一個UE、每一個流進行賦形。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)，有一個重要應(yīng)用是利用空間選擇性來支持空分多址(SDMA，Spatial Division Multiple Access)。因受限于應(yīng)用場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的特征向量個數(shù)，UE會將測得的Rank值RI(Rank Indicator)上報給eNode B，而eNode B根據(jù)RI可以在空間區(qū)分出相互獨立而互不相關(guān)的信道數(shù)量。當系統(tǒng)用戶數(shù)較多時，eNode B總可找到信道空間獨立性較強的兩個UE，若eNode B配備了多天線，則可以利用波束賦形信號空間隔離度實現(xiàn)對多個UE的并行傳輸，這就是多用戶MIMO技術(shù)，或者說是TD-LTE中的波束賦形技術(shù)與MIMO技術(shù)的有機結(jié)合。所以，只有在多UE時，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，雙流波束賦形簡單地說就是多天線信道奇異值分解算法的典型應(yīng)用，其實現(xiàn)機制都已基本成熟，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：單流波束賦形可根據(jù)賦形向量的獲得方式，分為長期波束賦形和短期波束賦形，其中短期波束賦形最常見的是基于奇異值分解SVD(Singular Value Decomposition)波束賦形，長期波束賦形通常稱為基于來波方向DOA的波束賦形。在SVD方法中，發(fā)送端從上行探測導(dǎo)頻(Sounding)估計出信道信息，然后對用戶信道進行SVD分解計算出對應(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是一個維數(shù)為N×M的矩陣，其對角線元素是非負實數(shù)，非對角線無線為0，并且A的對角線元素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)向量是基于遠大于信道相干時間的一段時間內(nèi)對信道的測量，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：當單用戶傳輸時，同一個時頻資源塊僅分配給一個用戶，基站端僅對有用信號進行波束賦形，增強有用信號功率，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算如下：

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

　　對Hi進行SVD分解，得到：

　　(6)

　　其中，從大到小排序的非零奇異值對應(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)，塊對角BD(Block Diagonalization)等，需要滿足限制條件：配對用戶的接收天線總數(shù)≤發(fā)送的天線總數(shù)。這個條件限制了配對的用戶數(shù)，尤其是當用戶接收天線數(shù)>1時，配對用戶數(shù)將受限于配對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表示配對用戶數(shù)。

　　當用戶的數(shù)據(jù)流數(shù)<接收天線數(shù)時，該算法可提供更多的正交用戶配對，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：對第i個用戶的信道矩陣Hi進行SVD分解，如式(6)。取ui前第ri個列向量的共軛轉(zhuǎn)置，那么：

　　當用戶的數(shù)據(jù)流數(shù)ri<接收天線數(shù)nR時，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”的和諧信號傳輸)。

　　定義：

　　對進行SVD分解，

　　其中表示0奇異值對應(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的零限。

　　3)在保證不對其他配對用戶干擾的同時，最大化有用信號強度。

　　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，最大化有用信號的強度，再對有用信號進行一次波束賦形，對進行SVD分解，得到：

　　其中，取的前ri個右奇異向量表示。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，還能將有用信號功率增強，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，智能天線剛開始在TD-LTE應(yīng)用時，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”方式將兩個或多個UE調(diào)度在同一時頻資源上，從而構(gòu)成多用戶MIMO傳輸，因其只定義了一個專用導(dǎo)頻端口，所以eNode B只支持單流波束賦形。在LTE R9的TM8中定義了兩個專用導(dǎo)頻端口，eNode B可以通過下行控制信令指示兩個Rank1傳輸?shù)腢E分別占用相互正交的一對專用導(dǎo)頻端口，避免了UE間干擾對專用導(dǎo)頻信道估計的影響，也保證了多用戶MIMO有更好的傳輸質(zhì)量。