智能天線在TD—LTE中的應用分析

　　3 智能天線在TD-LTE中的應用

　　TD-LTE為智能天線應用進行了專門的標準化設計，定義了專門的傳輸模式。如3GPP R8支持的基于單端口5專用導頻的傳輸模式TM7、3GPP R9支持的基于端口7和端口8專用導頻的傳輸模式MT8，就分別支持單流波束賦形技術和雙流波束賦形技術。根據3GPP協(xié)議，在LTE系統(tǒng)的eNode B端，雖然FDD和TDD均采用專用導頻來實現波束賦形，但對終端來講，僅有TD-LTE終端強制性地要求必須具有解調波束賦形數據的能力。

　　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多天線結合后產生的雙流波束賦形技術中，單用戶的波束賦形可使單用戶獲得空間復用增益;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。所以可以預見，智能天線技術在TD-LTE系統(tǒng)中的廣泛應用，可明顯地改善系統(tǒng)性能。

　　3.1 TD-LTE中的波束賦形技術[2]

　　(1)單流波束賦形技術：LTE R8定義的傳輸模式TM7支持基于專用導頻的智能天線波束賦形，即單流波束賦形技術。在傳輸過程中，UE需要通過對專用導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歷的信道，基站必須發(fā)送一個與數據同時傳輸的波束賦形參考信號，這個參考信號是UE專用的，也叫UE專有導頻，走天線端口5，用于傳輸模式7的業(yè)務解調。在圖3所示的單流波束賦形流程中，層映射與預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：在LTE R9的規(guī)范中，專門定義了有端口7和端口8兩個專用導頻用于業(yè)務信道解調的傳輸模式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，實現了波束賦形與MIMO空間復用技術的結合，這就是雙流波束賦形技術。雙流波束賦形應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：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)射的兩個數據流進行下行賦形。采用單用戶雙流波束賦形技術，使得單個用戶在某一時刻可以進行兩個數據流傳輸，同時獲得賦形增益和空間復用增益，獲得比單流波束賦形技術更大的傳輸速率，進而提高系統(tǒng)容量。

　　2)多用戶雙流波束賦形技術：eNode B根據上行信道信息或UE反饋的結果進行多用戶匹配，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利用了智能天線的波束定向原理，實現了多用戶的空分多址。

　　基于TD-LTE的波束賦形技術，有一個重要應用是利用空間選擇性來支持空分多址(SDMA，Spatial Division Multiple Access)。因受限于應用場景和終端尺寸及天線數量，單用戶往往難以支持高Rank數據傳輸。而Rank是信道矩陣EBB分解后特征值不為0的特征向量個數，UE會將測得的Rank值RI(Rank Indicator)上報給eNode B，而eNode B根據RI可以在空間區(qū)分出相互獨立而互不相關的信道數量。當系統(tǒng)用戶數較多時，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對多個UE的并行傳輸，這就是多用戶MIMO技術，或者說是TD-LTE中的波束賦形技術與MIMO技術的有機結合。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用，其實現機制都已基本成熟，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分解計算出對應的預編碼酉矩陣。其中SVD分解操作是：假設天線發(fā)送數目為M，接收天線數目為N，則空間信道矩陣H的維數為N×M，空間信道矩陣H的SVD分解為：

　　H=UAVH (5)

　　其中U和V分別是維數為N×N和M×M的酉矩陣，A是一個維數為N×M的矩陣，其對角線元素是非負實數，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。經過奇異值分解后獲得的酉矩陣V即為線性預編碼。

　　而DOA波束賦形的加權向量是基于遠大于信道相干時間的一段時間內對信道的測量，亦即傳統(tǒng)的不用訓練序列的盲自適應方法，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：

　　設基站發(fā)送天線數為nr，移動臺接收天線數為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據流為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≤發(fā)送的天線總數。這個條件限制了配對的用戶數，尤其是當用戶接收天線數>1時，配對用戶數將受限于配對用戶的接收天線總數，這樣將影響聯(lián)合調度的性能增益。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：配對用戶的總數據流數≤發(fā)送的天線總數，即：

　　其中，M表示配對用戶數。

　　當用戶的數據流數<接收天線數時，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個列向量的共軛轉置，那么：

　　當用戶的數據流數ri<接收天線數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奇異值對應的特征向量。多用戶波束賦形矩陣已經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應用時，就已經與MIMO技術結合了。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調度在同一時頻資源上，從而構成多用戶MIMO傳輸，因其只定義了一個專用導頻端口，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頻端口，eNode B可以通過下行控制信令指示兩個Rank1傳輸的UE分別占用相互正交的一對專用導頻端口，避免了UE間干擾對專用導頻信道估計的影響，也保證了多用戶MIMO有更好的傳輸質量。