智能天線在TD—LTE中的應用分析

論文類別:工學論文 > 通信學論文
論文作者: 張長青
上傳時間:2013/2/18 13:23:00

  【摘 要】文章從技術層面介紹了智能天線的基礎技術、波束賦形技術和自適應算法,介紹了TD-LTE中智能天線的單流波束賦形、雙流波束賦形技術及相關算法,分析了智能天線在TD-LTE中的應用情況,最後簡述了智能天線技術的發展態勢。
  【關鍵詞】TD-LTE 智能天線 波束賦形
  1 概述
  智能天線(Smart Antenna)技術是在微波技術、自動控制理論、自適應天線技術、數字信號處理DSP(Digital Signal Processing)技術和軟件無線電技術等多學科基礎上綜合發展而成的一門新技術。智能天線是具有一定程度智能性的自適應天線陣列。智能天線早期應用於軍事領域,自3G時代開始走向民用通信,在今天的TD-LTE試驗網和商用網中,智能天線技術得到了飛速發展。
  智能天線技術利用信號傳輸的空間相幹性,通過調整天線陣列陣元發送信號的權值,產生空間預定波束,將無線信號導向具體方向,使主瓣波束自適應地跟蹤用戶主信號到達的方向,旁瓣或零陷對準幹擾信號到達的方向,達到充分和高效利用移動用戶信號,刪除或抑制幹擾信號的雙重目的。智能天線可實現信號的空域濾波和定位,在多個指向不同用戶的並行天線波束控制下,可以顯著降低用戶信號彼此間的幹擾。
  智能天線通常應用在基站側,可在下行鏈路對發射信號進行預加權實現選擇性發送,也可在上行鏈路對接收的混疊信號進行不同加權合並得到對應的波形。智能天線因其具有增加系統容量、提高通信質量和擴大小區覆蓋等優點,已廣泛應用於TD-SCDMA和TD-LTE網絡。可以肯定的是,情景化、小型化、電調化、寬帶化和集成化相結合的智能天線,將在TD-LTE及後期演進系統中發揮不可替代的作用。
  2 智能天線簡介[1]
  由於無線移動通信信道傳輸環境具有復雜性和不確定性,主要受多徑衰落、時延擴展等不利因素影響,存在符號間串擾、同信道間幹擾和多址幹擾等惡化通信環境的情況,直接降低了鏈路性能和系統容量,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、加權和合並三部分組成。用戶發射信號經過多徑信道衰減和延遲後,到達天線陣列各陣元的是所有發射信號及各自延遲副本的疊加。
  假設系統中有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個用戶的信號到達陣列的接收信號矢量可表示為:
  (1)
  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個用戶的發射信號。α(θk,l)是陣列響應矢量,而對應第k個用戶在經過信道第l條徑時到達的角為θk,l,並可表示為:
  (2)
  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是由於信號有限傳播速度造成的在相鄰天線陣元上的時延,它與信號的到達角、陣元間隔和信號傳播速度有關,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。
  由於接收天線接收的是所有用戶信號的疊加,所以(1)式可表達為:
  (3)
  其中,η(t)為接收端的加性白噪聲矢量。
  因陣列具有方向性,據圖1所示,通過對每個陣元加權wk,根據一定準則和信號檢測要求,由陣列信號處理模塊計算後,可得陣列加權合並矢量的波束賦形輸出為:
  (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基礎。
  2.2 波束賦形技術
  式(4)是陣列波束賦形的數學表達式,是陣列信號的預處理技術,其中的權值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擔,又能方便地得到計算權值的參數。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估計後,給天線權值控制器產生權值,再將權值反饋給天線陣列,由天線陣列形成賦形波束。顯然,波束賦形過程中的關鍵問題可簡單地表述為:(1)根據系統性能指標(如誤碼率、誤幀率)的要求確定優化準則(代價函數,即權重矢量和相關參數的函數);(2)采用一定的方法獲得需要的參數;(3)選用一定的算法求解該優化準則下的最佳解,得到權重矢量值。
  2.3 自適應算法
  眾所周知,智能天線實際上是一項包括多種先進技術的系統工程,但它的核心技術是自適應算法。典型的算法有盲自適應和非盲自適應兩大類。後者是基於訓練序列的方法,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;前者是不用訓練序列的方法,如基本DOA估計法、特征值恢復和解擴重擴法等,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)準則,根據(4)式,加權矢量叠代更新方法可表示為估計二次型表面(即誤差平方)關於權值的梯度,將權值沿遞度負方向移動一個步長常數,進而反復叠代,即:
  估計輸出:
  誤差形成:
  系數更新:
  其中,y(n)為已知期望響應樣本,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定性與輸入信號x(n)的協方差矩陣的特征根分布密切相關,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行到目前時刻的總平方誤差達到最小,與LMS算法不同,RLS遵循的準則是最小方差(LSE)。若設、、、,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矩陣的特征值擴展無關,而與λ的取值有關(小於或等於1)。
  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支持的基於單端口5專用導頻的傳輸模式TM7、3GPP R9支持的基於端口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協議,在LTE系統的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系統采用智能天線後,可提高系統的峰值速率、提升邊緣用戶吞吐量、提高小區覆蓋範圍。尤其是在智能天線與MIMO多天線結合後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系統中的廣泛應用,可明顯地改善系統性能。
  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支持基於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後的等效信道,並進行相幹檢測。為了能夠估計波束賦形後的傳輸所經歷的信道,基站必須發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,用於傳輸模式7的業務解調。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,後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的規範中,專門定義了有端口7和端口8兩個專用導頻用於業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,得到上行信道狀態信息後,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,多用戶匹配完成後,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。

免費論文下載中心 http://www.hi138.com   基於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)。因受限於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分解後特征值不為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可以在空間區分出相互獨立而互不相關的信道數量。當系統用戶數較多時,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的並行傳輸,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於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於奇異值分解SVD(Singular Value Decomposition)波束賦形,長期波束賦形通常稱為基於來波方向DOA的波束賦形。在SVD方法中,發送端從上行探測導頻(Sounding)估計出信道信息,然後對用戶信道進行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,並且A的對角線元素λ1≥λ2≥…≥λn,即按照大小排序之後的矩陣H的奇異值,其中n是M和N中的最小值。經過奇異值分解後獲得的酉矩陣V即為線性預編碼。
  而DOA波束賦形的加權向量是基於遠大於信道相幹時間的一段時間內對信道的測量,亦即傳統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,那麽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,配對用戶數將受限於配對用戶的接收天線總數,這樣將影響聯合調度的性能增益。目前,一種更優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,那麽:
  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)抑制用戶間幹擾(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幹擾用戶位於該用戶信號的零限。
  3)在保證不對其他配對用戶幹擾的同時,最大化有用信號強度。
  將尋找更優化的波束賦形算法,在抑制用戶間幹擾的同時,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。那麽以為波束賦形矩陣的幹擾消除算法不僅能保證完全消除幹擾,還能將有用信號功率增強,優化系統性能。
  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間幹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。
  4 智能天線的發展方向[4]
  隨著TD-LTE系統的演進,智能天線將會向情景化、小型化、電調化、寬帶化、集成化,以及快速、高效、簡單、可DBF固件化的自適應算法等方向發展。
  情景化:既要適應戶外環境特點的美觀型天線表面,又要適應具體環境的最佳波束賦形;
  小型化:用介質諧振器代替傳統天線陣列的介質型智能天線是理想的小型化途徑;
  電調化:通過調整賦形波束權值達到虛擬調整陣列垂直和水平波束對應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等多種異構網絡頻段;
  集成化:既可美化環境又可節約資源的適應多種異構網絡制式、可同時接入多家運營商的共塔型智能天線。
  另外,在TD-LTE的演進系統中,智能天線還有可能支持采用多個小區聯合的調試方法,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到避免幹擾的目的,又可在單個小區賦形中考慮讓外小區被幹擾用戶通過零陷方法來避免對外小區用戶幹擾的幹擾抑制,還可支持在某種特殊情況下用多個小區同時對一個用戶進行波束賦形,以達到提升其信號強度的目的。總之,TD-LTE系統智能天線的智能特征將會越來越高。
  5 總結
  智能天線技術在TD-LTE系統中的應用,雖然僅在國內的試驗網和極少國外商業網中開始使用,但已廣泛應用於TD-SCDMA,是3G系統的成熟技術。智能天線利用空間信道的強相關性及波的幹涉原理產生的強方向性,形成非常明確的輻射方向圖,使其主瓣自適應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,還使網絡擴大了覆蓋範圍、改善了邊緣吞吐量和幹擾抑制性能。
  TD-LTE網絡的MIMO多天線技術是eNode B和UE雙方都采用多根天線進行收發,通過適當的發射信號形式和接收設計,可以在不顯著增加系統成本的同時,提高系統容量,獲得陣列增益、功率增益、幹擾抑制增益、空間分集增益、空間復用增益等多種優勢、為網絡帶來更高的速率、更好的覆蓋效果。當智能天線技術與MIMO技術結合後,TD-LTE網絡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技術的結合,隨著優秀算法的出現,多流波束賦形技術將會為TD-LTE及其演進系統提供更好的無線通信性能。
  

參考文獻


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