TD-LTE中智能天线的优化

TD-LTE系统中智能天线技术的优化摘要在3G系统中，智能天线已得到了成熟而广泛的应用，但在TD-LTE系统中，它还存在一定的不足，不能满足4G网络的需求。为了尽可能提升TD-LTE系统的性能，本文从智能天线的信号模型、MIMO技术、波束赋形技术及算法等方面介绍了智能天线技术的优化方案，并对比了3G与4G系统中不同算法的优劣性，最后得出EBB算法在TD-LTE系统中有较好的特性，能够最大限度地提升TD-LTE系统的性能，从而满足用户的需求。关键词：TD-LTE；智能天线；波束赋形；MIMO技术；EBB算法Abstract:in3Gsystem,smartantennahasbeenamaturelyandwidelyused,butintheTD-LTEsystem,italsoposesalow,cannotmeettherequirementsofthe4Gnetwork.InordertoimprovetheperformanceofTD-LTEsystemasfaraspossible,thispaperintroducestheoptimizationschemeofthesmartantennatechnologyfromtheaspectsofsmartantennasignalmodel,MIMOtechnology,beamformingtechnologyandalgorithm,andcomparestheadvantageanddisadvantageofdifferentalgorithmsof3Gand4Gsystem.lastly,theconclusioncametheEBBalgorithmhasbetterperformanceinTD-LTEsystem,toupgradetheperformanceofTD-LTEsystemtothehilt,soastomeettheneedsofusers.Keywords:TD-LTE;smartantenna;beamforming;MIMOtechnology;EBBalgorithm0引言近年来，随着通信技术和计算机技术的飞速发展，智能天线技术在移动通信中得到了广泛的应用。特别是在3G系统中，它的应用解决了很多3G系统中的瓶颈问题，[1]例如MIMO技术，它通过不同的实现方式，分别解决了天线分集、波束赋形和空分复用的技术问题，从而实现了更好的覆盖、更高的速率、更高的通信容量和更可靠通信的小区建网目标。但3G系统中智能天线技术带来的利益还不能满足TD-LTE系统中的用户需求，譬如超高速的网络速率（上行50Mbit/s,下行100Mbit/s），因此在4G系统中智能天线技术还应该得到进一步的优化。可以预见的是，情景化、小型化、电调化、宽带化和集成化相结合的智能天线，将在TD-LTE及后期演进系统中发挥不可替代的作用。1智能天线的基本原理智能天线的基本工作原理是把具有相同极化特性、各向同性和增益相同的天线阵元，按一定的方式排列，构成天线阵列[2]。智能天线的布阵方式一般有直线阵、圆阵和平面阵，阵间距通常取工作波长的一半，并且取向相同。智能天线技术的关键和难点是在多用户和多径条件下对各个用户的时空信道进行辨识、均衡，并能自适应地动态跟踪时空信道的变化，从而对多用户信号进行分离。同时可以根据外界环境的变化自适应地对各天线阵元进行加权，使天线主瓣方向在对准信号波到达方向的同时，能够在干扰方向自动形成零陷，达到充分利用有用信号、抑制干扰的目的。智能天线接收部分由阵元、加权和合并三部分组成。用户发射信号经过多径信道衰减和延迟后，到达天线阵列各阵元的是所有发射信号及各自延迟副本的叠加。假设系统中有K个用户，阵列有M个阵元，为了简单，采用均匀线阵模型，若期望信号为)(tSk，自k方向入射，而干扰信号共有（M-1）个来自于其他用户，其中第j个干扰信号为)(tSj,来自于j方向，则在某时刻第k个用户的信号到达阵列的接收信号矢量可表示为：)()()()(11tntStStxMjjk其中，)()()(kkkVtStS，)()()(jjjVtStS。式中)(tSk为期望信号向量，)(tSj为干扰信号向量，)(V为响应向量)(tn的噪声。当天线满足传输窄带条件（信号带宽小于信号在天线阵中传输时间的倒数）且阵列采用特性相同的全向阵元时，对同一入射信号，各阵元输出响应之间只有相位差异而没有幅度差异。这一差异可以用阵列响应向量)(V充分描述。一般对于p个期望信号，则有)(),(),()(21pvvvV。特殊地，对于均匀直线阵列，在k方向，TkNdjkdjkeeVsin)1(2sin2,1)(，d为阵元间距，波长，N为阵元个数，且为均匀直线阵。阵列响应向量)(V表明了阵列对入射信号的响应，由于天线阵列具有确定的拓扑形状，因此在阵列响应向量中包含了入射信号的方向信息。而输出向量为)()()()(11tnWtSWtSWtYTMjjTkT，其中W为加权向量，通过改变加权向量实现自适应，以提取期望信号，抑制干扰，滤除噪声。由于在每个天线阵元后端有一个加权系数，所有的加权系数合在一起构成的向量即为阵列加权向量，加权向量由TMT表示。阵列加权向量是与信号到达方向有关的一个向量，天线阵列各阵元的信号通过加权可以调整天线的接收方向图。自适应天线阵列的核心就是设计、控制和调整阵列加权向量。控制部分是智能天线系统的核心，其功能是依据信号环境、按某种准则和算法选择计算阵列加权向量。2TD-LTE系统中波束赋形技术及算法的优化2.1波束赋形波束赋形就是对阵列信号的预处理（合并信号和调整权值），以使下行链路形成合适方向和角度的阵列信号，从而保证信号的有效可靠的传输，其中信号的权值仅仅需要匹配信道的慢变化，如来波方向DOA（DirectionOfArrival）和平均路损[3]。因此，在进行波束赋形时，也可以不必使用终端反馈所需的信息，而是在基站侧通过上行接收信号获得来波方向和路损信息，这既可减小空口传输负担，又能方便地得到计算权值的参数。另外，为了获得波束赋形增益，需要使用较多的天线单元，在LTE中最多只可使用4个公共导频，因此波束赋形中还需要使用专用导频。波束赋形的基本原理流程：从天线阵列的上行信号获得DOA估计后，给天线权值控制器产生权值，再将权值反馈给天线阵列，由天线阵列形成赋形波束。显然，波束赋形过程中的关键问题可简单地表述为：（1）根据系统性能指标（如误码率、误帧率）的要求确定优化准则（代价函数，即权重矢量和相关参数的函数）；（2）采用一定的方法获得需要的参数；（3）选用一定的算法求解该优化准则下的最佳解，得到权重矢量值以提高链路传输的可靠性。2.2自适应算法对于自适应均匀线阵而言，其波束形成网络部分将自适应天线阵接收到的信号进行加权和合并，从而使信号与干扰加性噪声比最大。通常自适应智能天线的算法从是否需要参考信号导频序列或导频信道的角度可分为盲算法、非盲算法和半盲算法三类。A）盲算法:盲算法无需发送参考信号或导频信号，而是充分利用调制信号本身固有的、与具体承载信息比特无关的一些特征（如恒包络、子空间、有限符号集、循环平稳等）来调整权值以使输出误差尽量小。B）非盲算法：非盲算法是利用系统的导频符号来计算和更新加权向量。因为发送的参考信号是预知的，所以只要对接收到的参考信号进行处理即可得出信道的响应。再按一定准则确定各加权值，或者直接根据某一准则自适应地调整权值，以使输出误差尽量减小或稳定在可预知的范围内。C）半盲算法：半盲算法在初始化加权向量时利用导频符号，然后用自适应算法跟踪用户和信道变化，在有导频符号可以利用时，借助导频符号防止算法发散，并加快算法的收敛速度，即先用非盲算法确定初始权值，再用盲算法进行跟踪和调整。非盲算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但发送参考信号浪费了一定的系统带宽[4]。而半盲算法综合了二者的优点，既做到了误差小、收敛速度快，又提高了系统带宽的利用率。这也符合实际的通信系统，因为通常导频信息并不时刻发送，而是与相应的业务信道时分复用的。因此，在3G系统的智能天线技术中，半盲算法得到了广泛的应用。2.3EBB算法在智能天线的众多算法中，基于特征波束赋形的EBB算法是目前在TD-SCDMA和TD-LTE中应用最广的，[5]其基本原理如下。假设发送端有1n根发送天线。波束赋形的过程是：在发送端，一路数据流等功率地复制为1n路子流，每路子流分别使用波束赋形权值进行加权后从各自对应的发送天线发送出去。这样发送出去的信号的波形就具有一定的方向性，从而达到空间滤波的作用。假设接收端使用Tn根接收天线对这路数据流进行接收检测。在第k个子载波上。频域信道矩阵可以表示为：11111111,2,1,,22,21,2,12,11,1XnnnnnnnnRkHkHkHkHkHkHkHkHkHkH其中，kHij,表示第i根发送天线到第j根接收天线在第k个子载波上的频域响应。根据信道矩阵kH计算信道相关矩阵kHkHRHH；对HR进行特征值分解，可以得到12111niHHHHHuuuuR，其中1是最大特征值，Tnvvvu1,,211是最大特征值对应的特征向量。在第k个子载波上，这路数据流使用1u作为加权向量进行加权，使得这路数据流的发送信号指向Tn根接收天线。第i根发送天线在第k个子载波上发送的数据为ksvkxii；则Tn根接收天线在第k个子载波上接收的数据向量可以表示为：knkskHknksukHkR1其中kH是等效的信道矩阵，有如下关系：111ukHkHukHkHHHHTn根接收天线接收的信号进行最大比合并可以表示为：knkHkskRkHksHH1ˆ在实际系统中，由于下行信道估计的限制，相邻的若干子载波的数据流使用相同的加权向量，如1个RB的所有资源单元的数据流使用其中一个子载波信道矩阵得到的1u。EBB算法较盲算法、非盲算法和半盲算法有更小的误差、更快的收敛速度和更灵活的自适应能力等特点。而在TD-LTE系统中有更高的数据的信息速率的要求，因此EBB算法在TD-LTE系统的智能天线技术中得到了广范的应用，该算法能够最大限度地提高TD-LTE系统的性能。3结束语智能天线技术在TD-LTE系统中的应用，虽然仅在国内的试验网和极少国外商业网中开始使用，但已广泛应用于TD-SCDMA，是3G系统的成熟技术[6]。TD-LTE网络的MIMO多天线技术即是对3G系统中智能天线技术的有效优化，使其更适应4G网络环境。当智能天线技术与MIMO技术结合后，[7]特别是双流波束赋形技术的出现，TD-LTE网络可为用户提供高速率、高带宽、高性能和短时延的体验感知。同时，随着优秀的功率分配算法的出现，智能天线技术将会为TD-LTE及其演进系统提供更好的无线通信性能，[8]未来，在TD-LTE系统中基于V-MIMO协作用户的功率分配算法会成为众多通信人研究的热点。参考文献[1]高峰,高泽华等.TD-LTE技术标准与实践[M].北京:人民邮电出版社,2011.[2]来萍.IEEE802.16eOFDMA系统中智能天线技术（AAS）的研究[D].杭州:浙江大学，2006.[3]郑肇健.智能天线及其加权向量[J].技术交流,2010(2).[4]杨晓,彭跃星等.TD-LTE系统中的单双极化智能阵列天线性能分析[J].中国电子科学研究院学报,2011(4).[5]张向鹏,余建国等.TD-LTE系统中的一种智能天线校准的方法[J].电信科学,2012(3).[6]刘光毅,张勇