論智能天線在TD—LTE中的應(yīng)用

論智能天線在TD—LTE中的應(yīng)用

　　1 概述

　　智能天線(Smart Antenna)技術(shù)是在微波技術(shù)、自動控制理論、自適應(yīng)天線技術(shù)、數(shù)字信號處理DSP(Digital Signal Processing)技術(shù)和軟件無線電技術(shù)等多學(xué)科基礎(chǔ)上綜合發(fā)展而成的一門新技術(shù)。智能天線是具有一定程度智能性的自適應(yīng)天線陣列。智能天線早期應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，自3G時代開始走向民用通信，在今天的TD-LTE試驗網(wǎng)和商用網(wǎng)中，智能天線技術(shù)得到了飛速發(fā)展。

　　智能天線技術(shù)利用信號傳輸?shù)目臻g相干性，通過調(diào)整天線陣列陣元發(fā)送信號的權(quán)值，產(chǎn)生空間預(yù)定波束，將無線信號導(dǎo)向具體方向，使主瓣波束自適應(yīng)地跟蹤用戶主信號到達(dá)的方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)的方向，達(dá)到充分和高效利用移動用戶信號，刪除或抑制干擾信號的雙重目的。智能天線可實現(xiàn)信號的空域濾波和定位，在多個指向不同用戶的并行天線波束控制下，可以顯著降低用戶信號彼此間的干擾。

　　智能天線通常應(yīng)用在基站側(cè)，可在下行鏈路對發(fā)射信號進(jìn)行預(yù)加權(quán)實現(xiàn)選擇性發(fā)送，也可在上行鏈路對接收的混疊信號進(jìn)行不同加權(quán)合并得到對應(yīng)的波形。智能天線因其具有增加系統(tǒng)容量、提高通信質(zhì)量和擴(kuò)大小區(qū)覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于TD-SCDMA和TD-LTE網(wǎng)絡(luò)。可以肯定的是，情景化、小型化、電調(diào)化、寬帶化和集成化相結(jié)合的智能天線，將在TD-LTE及后期演進(jìn)系統(tǒng)中發(fā)揮不可替代的作用。

　　2 智能天線簡介

　　由于無線移動通信信道傳輸環(huán)境具有復(fù)雜性和不確定性，主要受多徑衰落、時延擴(kuò)展等不利因素影響，存在符號間串?dāng)_、同信道間干擾和多址干擾等惡化通信環(huán)境的情況，直接降低了鏈路性能和系統(tǒng)容量，而智能天線是解決這些問題的重要手段之一。

　　2.1 智能天線的信號模型

　　圖1為智能天線接收部分簡圖，由陣元、加權(quán)和合并三部分組成。用戶發(fā)射信號經(jīng)過多徑信道衰減和延遲后，到達(dá)天線陣列各陣元的是所有發(fā)射信號及各自延遲副本的疊加。

　　假設(shè)系統(tǒng)中有K個用戶，陣列有M個陣元，為了簡單，采用均勻線陣模型，則在某時刻第k個用戶的信號到達(dá)陣列的接收信號矢量可表示為：

　　(1)

　　其中，f為信號頻率，且滿足fc-B/2≤f ≤fc+B/2，fc為載波頻率，B為信號帶寬;τ是由于信號有限傳播速度造成的在相鄰天線陣元上的時延，它與信號的到達(dá)角、陣元間隔和信號傳播速度有關(guān)，可以表示為τ=(dsinθk，l)/c，d為陣元間隔，通常取λc/2，λc為載波波長，c為信號的傳播速度。

　　由于接收天線接收的是所有用戶信號的疊加，所以(1)式可表達(dá)為：

　　(2)

　　其中，η(t)為接收端的加性白噪聲矢量。

　　因陣列具有方向性，據(jù)圖1所示，通過對每個陣元加權(quán)wk，根據(jù)一定準(zhǔn)則和信號檢測要求，由陣列信號處理模塊計算后，可得陣列加權(quán)合并矢量的波束賦形輸出為：

　　(3)

　　其中，βk，l為第l條徑的衰落幅值，τk，l為第l條徑的延遲時間，sk(t)為第k個用戶的發(fā)射信號。α(θk，l)是陣列響應(yīng)矢量，而對應(yīng)第k個用戶在經(jīng)過信道第l條徑時到達(dá)的角為θk，l，并可表示為：

　　(4)

　　式(4)是智能天線形成波束信號的基本模型，也是智能天線的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　2.2 波束賦形技術(shù)

　　式(4)是陣列波束賦形的數(shù)學(xué)表達(dá)式，是陣列信號的預(yù)處理技術(shù)，其中的權(quán)值wk僅僅需要匹配信道的慢變化，如來波方向DOA(Direction Of Arrival)和平均路損。因此，在進(jìn)行波束賦形時，也可以不必使用終端反饋所需的信息，而是在基站側(cè)通過上行接收信號獲得來波方向和路損信息，這既可減小空口傳輸負(fù)擔(dān)，又能方便地得到計算權(quán)值的參數(shù)。另外，為了獲得波束賦形增益，需要使用較多的天線單元，目前LTE中最多只可使用4個公共導(dǎo)頻，無法支持在超過4副天線單元的天線陣列上使用波束賦形，因此波束賦形中還需要使用專用導(dǎo)頻。

　　圖2為波束賦形的基本原理流程：從天線陣列的上行信號獲得DOA估計后，給天線權(quán)值控制器產(chǎn)生權(quán)值，再將權(quán)值反饋給天線陣列，由天線陣列形成賦形波束。顯然，波束賦形過程中的關(guān)鍵問題可簡單地表述為：(1)根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)(如誤碼率、誤幀率)的要求確定優(yōu)化準(zhǔn)則(代價函數(shù)，即權(quán)重矢量和相關(guān)參數(shù)的函數(shù));(2)采用一定的方法獲得需要的參數(shù);(3)選用一定的算法求解該優(yōu)化準(zhǔn)則下的最佳解，得到權(quán)重矢量值。

　　2.3 自適應(yīng)算法

　　眾所周知，智能天線實際上是一項包括多種先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)工程，但它的核心技術(shù)是自適應(yīng)算法。典型的算法有盲自適應(yīng)和非盲自適應(yīng)兩大類。后者是基于訓(xùn)練序列的方法，如最小均方(LMS)法、遞歸最小方差(RLS)法和采樣矩陣求逆(SMI)法等;前者是不用訓(xùn)練序列的方法，如基本DOA估計法、特征值恢復(fù)和解擴(kuò)重擴(kuò)法等，而常用的DOA估計法是直接利用(4)式延遲相加法。下面簡單介紹幾種算法。

　　(1)最小均方LMS算法：遵循最小均方差(MMSE)準(zhǔn)則，根據(jù)(4)式，加權(quán)矢量迭代更新方法可表示為估計二次型表面(即誤差平方)關(guān)于權(quán)值的梯度，將權(quán)值沿遞度負(fù)方向移動一個步長常數(shù)，進(jìn)而反復(fù)迭代，即：

　　估計輸出：

　　誤差形成：

　　系數(shù)更新：

　　其中，y(n)為已知期望響應(yīng)樣本，x(n)為接收信號矢量的采樣樣本，μ為步長。LMS算法的收斂速度和穩(wěn)定性與輸入信號x(n)的協(xié)方差矩陣的特征根分布密切相關(guān)，一般特征根散布不是很大時，LMS算法的收斂較快。

　　(2)遞歸最小方差RLS算法：該算法總是使從濾波器開始運(yùn)行到目前時刻的總平方誤差達(dá)到最小，與LMS算法不同，RLS遵循的準(zhǔn)則是最小方差(LSE)。若設(shè)、、、，則有：

　　同時得到最小二乘誤差的更新為：。

　　RLS算法的收斂情況與相關(guān)矩陣的特征值擴(kuò)展無關(guān)，而與λ的取值有關(guān)(小于或等于1)。

　　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)行了專門的標(biāo)準(zhǔn)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(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)

　　(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(jìn)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(dāng)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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(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UE、每一個流進(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(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，eNode B總可找到信道空間獨(dú)立性較強(qiáng)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(jī)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

　　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(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。

　　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(jìn)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(fù)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(yuǎn)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。

　　雙流波束賦形單用戶算法：當(dāng)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(jìn)行波束賦形，增強(qiáng)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(dú)立數(shù)據(jù)流為ri(ri≤mR)。

　　對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)

　　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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(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，最大化有用信號的強(qiáng)度，再對有用信號進(jìn)行一次波束賦形，對進(jìn)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(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。

　　4 智能天線的發(fā)展方向

　　隨著TD-LTE系統(tǒng)的演進(jìn)，智能天線將會向情景化、小型化、電調(diào)化、寬帶化、集成化，以及快速、高效、簡單、可DBF固件化的自適應(yīng)算法等方向發(fā)展。

　　情景化：既要適應(yīng)戶外環(huán)境特點(diǎn)的美觀型天線表面，又要適應(yīng)具體環(huán)境的最佳波束賦形;

　　小型化：用介質(zhì)諧振器代替?zhèn)鹘y(tǒng)天線陣列的介質(zhì)型智能天線是理想的小型化途徑;

　　電調(diào)化：通過調(diào)整賦形波束權(quán)值達(dá)到虛擬調(diào)整陣列垂直和水平波束對應(yīng)的下傾角和方位角的目的;

　　寬帶化：工作頻段可覆蓋GSM、TD-SCDMA、TD-LTE、WLAN、WiMAX等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)頻段;

　　集成化：既可美化環(huán)境又可節(jié)約資源的適應(yīng)多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)制式、可同時接入多家運(yùn)營商的共塔型智能天線。

　　另外，在TD-LTE的演進(jìn)系統(tǒng)中，智能天線還有可能支持采用多個小區(qū)聯(lián)合的調(diào)試方法，既可使相同資源分配不同方向波束、相同方向波束使用不同資源以達(dá)到避免干擾的目的，又可在單個小區(qū)賦形中考慮讓外小區(qū)被干擾用戶通過零陷方法來避免對外小區(qū)用戶干擾的干擾抑制，還可支持在某種特殊情況下用多個小區(qū)同時對一個用戶進(jìn)行波束賦形，以達(dá)到提升其信號強(qiáng)度的目的?？傊?，TD-LTE系統(tǒng)智能天線的智能特征將會越來越高。

　　5 總結(jié)

　　智能天線技術(shù)在TD-LTE系統(tǒng)中的應(yīng)用，雖然僅在國內(nèi)的試驗網(wǎng)和極少國外商業(yè)網(wǎng)中開始使用，但已廣泛應(yīng)用于TD-SCDMA，是3G系統(tǒng)的成熟技術(shù)。智能天線利用空間信道的強(qiáng)相關(guān)性及波的干涉原理產(chǎn)生的強(qiáng)方向性，形成非常明確的輻射方向圖，使其主瓣自適應(yīng)地指向用戶來波方向，不僅極大地提高了用戶的聲噪比，獲得了明顯的陣列增益，還使網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了覆蓋范圍、改善了邊緣吞吐量和干擾抑制性能。

　　TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的MIMO多天線技術(shù)是eNode B和UE雙方都采用多根天線進(jìn)行收發(fā)，通過適當(dāng)?shù)陌l(fā)射信號形式和接收設(shè)計，可以在不顯著增加系統(tǒng)成本的同時，提高系統(tǒng)容量，獲得陣列增益、功率增益、干擾抑制增益、空間分集增益、空間復(fù)用增益等多種優(yōu)勢、為網(wǎng)絡(luò)帶來更高的速率、更好的覆蓋效果。當(dāng)智能天線技術(shù)與MIMO技術(shù)結(jié)合后，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)可為用戶提供高速率、高帶寬、高性能和短延時的體驗感知。雙流波束賦形就是智能天線與MIMO技術(shù)的結(jié)合，隨著優(yōu)秀算法的出現(xiàn)，多流波束賦形技術(shù)將會為TD-LTE及其演進(jìn)系統(tǒng)提供更好的無線通信性能。