论智能天线在TD—LTE中的应用
论智能天线在TD—LTE中的应用
1 概述
智能天线(Smart Antenna)技术是在微波技术、自动控制理论、自适应天线技术、数字信号处理DSP(Digital Signal Processing)技术和软件无线电技术等多学科基础上综合发展而成的一门新技术。智能天线是具有一定程度智能性的自适应天线阵列。智能天线早期应用于军事领域，自3G时代开始走向民用通信，在今天的TD-LTE试验网和商用网中，智能天线技术得到了飞速发展。
智能天线技术利用信号传输的空间相干性，通过调整天线阵列阵元发送信号的权值，产生空间预定波束，将无线信号导向具体方向，使主瓣波束自适应地跟踪用户主信号到达的方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达的方向，达到充分和高效利用移动用户信号，删除或抑制干扰信号的双重目的。智能天线可实现信号的空域滤波和定位，在多个指向不同用户的并行天线波束控制下，可以显著降低用户信号彼此间的干扰。
智能天线通常应用在基站侧，可在下行链路对发射信号进行预加权实现选择性发送，也可在上行链路对接收的混叠信号进行不同加权合并得到对应的波形。智能天线因其具有增加系统容量、提高通信质量和扩大小区覆盖等优点，已广泛应用于TD-SCDMA和TD-LTE网络。可以肯定的是，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。
2 智能天线简介
由于无线移动通信信道传输环境具有复杂性和不确定性，主要受多径衰落、时延扩展等不利因素影响，存在符号间串扰、同信道间干扰和多址干扰等恶化通信环境的情况，直接降低了链路性能和系统容量，而智能天线是解决这些问题的重要手段之一。
2.1 智能天线的信号模型
图1为智能天线接收部分简图，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，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：
(1)
其中，f为信号频率，且满足fc-B/2≤f ≤fc+B/2，fc为载波频率，B为信号带宽;τ是由于信号有限传播速度造成的在相邻天线阵元上的时延，它与信号的到达角、阵元间隔和信号传播速度有关，可以表示为τ=(dsinθk，l)/c，d为阵元间隔，通常取λc/2，λc为载波波长，c为信号的传播速度。
由于接收天线接收的是所有用户信号的叠加，所以(1)式可表达为：
(2)
其中，η(t)为接收端的加性白噪声矢量。
因阵列具有方向性，据图1所示，通过对每个阵元加权wk，根据一定准则和信号检测要求，由阵列信号处理模块计算后，可得阵列加权合并矢量的波束赋形输出为：
(3)
其中，βk，l为第l条径的衰落幅值，τk，l为第l条径的延迟时间，sk(t)为第k个用户的发射信号。α(θk，l)是阵列响应矢量，而对应第k个用户在经过信道第l条径时到达的角为θk，l，并可表示为：
(4)
式(4)是智能天线形成波束信号的基本模型，也是智能天线的技术基础。
2.2 波束赋形技术
式(4)是阵列波束赋形的数学表达式，是阵列信号的预处理技术，其中的权值wk仅仅需要匹配信道的慢变化，如来波方向DOA(Direction Of Arrival)和平均路损。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，目前LTE中最多只可使用4个公共导频，无法支持在超过4副天线单元的天线阵列上使用波束赋形，因此波束赋形中还需要使用专用导频。
图2为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。
2.3 自适应算法
众所周知，智能天线实际上是一项包括多种先进技术的系统工程，但它的核心技术是自适应算法。典型的算法有盲自适应和非盲自适应两大类。后者是基于训练序列的方法，如最小均方(LMS)法、递归最小方差(RLS)法和采样矩阵求逆(SMI)法等;前者是不用训练序列的方法，如基本DOA估计法、特征值恢复和解扩重扩法等，而常用的DOA估计法是直接利用(4)式延迟相加法。下面简单介绍几种算法。
(1)最小均方LMS算法：遵循最小均方差(MMSE)准则，根据(4)式，加权矢量迭代更新方法可表示为估计二次型表面(即误差平方)关于权值的梯度，将权值沿递度负方向移动一个步长常数，进而反复迭代，即：
估计输出：
误差形成：
系数更新：
其中，y(n)为已知期望响应样本，x(n)为接收信号矢量的采样样本，μ为步长。LMS算法的收敛速度和稳定性与输入信号x(n)的协方差矩阵的特征根分布密切相关，一般特征根散布不是很大时，LMS算法的收敛较快。
(2)递归最小方差RLS算法：该算法总是使从滤波器开始运行到目前时刻的总平方误差达到最小，与LMS算法不同，RLS遵循的准则是最小方差(LSE)。若设、、、，则有：
同时得到最小二乘误差的更新为：。
RLS算法的收敛情况与相关矩阵的特征值扩展无关，而与λ的取值有关(小于或等于1)。
3 智能天线在TD-LTE中的应用
TD-LTE为智能天线应用进行了专门的标准化设计，定义了专门的传输模式。如3GPP R8支持的基于单端口5专用导频的传输模式TM7、3GPP R9支持的基于端口7和端口8专用导频的传输模式MT8，就分别支持单流波束赋形技术和双流波束赋形技术。根据3GPP协议，在LTE系统的eNode B端，虽然FDD和TDD均采用专用导频来实现波束赋形，但对终端来讲，仅有TD-LTE终端强制性地要求必须具有解调波束赋形数据的能力。
实践证明，TD-LTE系统采用智能天线后，可提高系统的峰值速率、提升边缘用户吞吐量、提高小区覆盖范围。尤其是在智能天线与MIMO多天线结合后产生的双流波束赋形技术中，单用户的波束赋形可使单用户获得空间复用增益;在多用户波束赋形方式中，则可使系统获得多用户的分集增益。所以可以预见，智能天线技术在TD-LTE系统中的广泛应用，可明显地改善系统性能。
3.1 TD-LTE中的波束赋形技术
(1)单流波束赋形技术：LTE R8定义的传输模式TM7支持基于专用导频的智能天线波束赋形，即单流波束赋形技术。在传输过程中，UE需要通过对专用导频的测量来估计波束赋形后的等效信道，并进行相干检测。为了能够估计波束赋形后的传输所经历的信道，基站必须发送一个与数据同时传输的波束赋形参考信号，这个参考信号是UE专用的，也叫UE专有导频，走天线端口5，用于传输模式7的业务解调。在图3所示的单流波束赋形流程中，层映射与预编码都只是简单的一对一的映射，后面生成的波束赋形当然也相对简单。
(2)双流波束赋形技术：在LTE R9的规范中，专门定义了有端口7和端口8两个专用导频用于业务信道解调的传输模式TM8。同时还引入了新的控制信令和天线配置(8×2)，将波束赋形扩展到了双流传输，实现了波束赋形与MIMO空间复用技术的结合，这就是双流波束赋形技术。双流波束赋形应用可分为单用户波束赋形和多用户波束赋形，图4所示是单流、双流单用户和双流多用户三种情况的波束赋形情况。
1)单用户双流波束赋形技术：由eNode B测量上行信道，得到上行信道状态信息后，eNode B根据上行信道信息计算两个赋形矢量，利用该赋形矢量对要发射的两个数据流进行下行赋形。采用单用户双流波束赋形技术，使得单个用户在某一时刻可以进行两个数据流传输，同时获得赋形增益和空间复用增益，获得比单流波束赋形技术更大的传输速率，进而提高系统容量。
2)多用户双流波束赋形技术：eNode B根据上行信道信息或UE反馈的结果进行多用户匹配，多用户匹配完成后，按照一定的准则生成波束赋形矢量，利用得到的波束赋形矢量为每一个UE、每一个流进行赋形。多用户双流波束赋形技术利用了智能天线的波束定向原理，实现了多用户的空分多址。
基于TD-LTE的波束赋形技术，有一个重要应用是利用空间选择性来支持空分多址(SDMA，Spatial Division Multiple Access)。因受限于应用场景和终端尺寸及天线数量，单用户往往难以支持高Rank数据传输。而Rank是信道矩阵EBB分解后特征值不为0的特征向量个数，UE会将测得的Rank值RI(Rank Indicator)上报给eNode B，而eNode B根据RI可以在空间区分出相互独立而互不相关的信道数量。当系统用户数较多时，eNode B总可找到信道空间独立性较强的两个UE，若eNode B配备了多天线，则可以利用波束赋形信号空间隔离度实现对多个UE的并行传输，这就是多用户MIMO技术，或者说是TD-LTE中的波束赋形技术与MIMO技术的有机结合。所以，只有在多UE时，双流波束赋形才尽显SDMA功能。
3.2 TD-LTE中的智能天线算法
单流波束赋形其实就是普通的智能天线波束赋形在LTE中的应用，双流波束赋形简单地说就是多天线信道奇异值分解算法的典型应用，其实现机制都已基本成熟，但算法优化却有许多工作需要我们不断努力。为此，我们先了解一些比较典型的应用于LTE中的波束赋形算法。
单流波束赋形算法：单流波束赋形可根据赋形向量的获得方式，分为长期波束赋形和短期波束赋形，其中短期波束赋形最常见的是基于奇异值分解SVD(Singular Value Decomposition)波束赋形，长期波束赋形通常称为基于来波方向DOA的波束赋形。在SVD方法中，发送端从上行探测导频(Sounding)估计出信道信息，然后对用户信道进行SVD分解计算出对应的预编码酉矩阵。其中SVD分解操作是：假设天线发送数目为M，接收天线数目为N，则空间信道矩阵H的维数为N×M，空间信道矩阵H的SVD分解为：
H=UAVH (5)
其中U和V分别是维数为N×N和M×M的酉矩阵，A是一个维数为N×M的矩阵，其对角线元素是非负实数，非对角线无线为0，并且A的对角线元素λ1≥λ2≥…≥λn，即按照大小排序之后的矩阵H的奇异值，其中n是M和N中的最小值。经过奇异值分解后获得的酉矩阵V即为线性预编码。
而DOA波束赋形的加权向量是基于远大于信道相干时间的一段时间内对信道的测量，亦即传统的不用训练序列的盲自适应方法，常用的是延迟相加法。
双流波束赋形单用户算法：当单用户传输时，同一个时频资源块仅分配给一个用户，基站端仅对有用信号进行波束赋形，增强有用信号功率，典型的算法有特征值波束赋形EBB(Eigenvalue Based Beamformin)，其波束赋形矩阵具体计算如下：
设基站发送天线数为nr，移动台接收天线数为mR，基站到第i个用户的信道矩阵为Hi。第i个用户支持的独立数据流为ri(ri≤mR)。
对Hi进行SVD分解，得到：
(6)
其中，从大到小排序的非零奇异值对应的特征向量分别表示为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个右奇异向量表示为，那么单用户多流波束赋形矩阵为：
(7)
双流波束赋形多用户算法：常用的多用户双流波束赋形算法如迫零ZF(Zero Forcing)，块对角BD(Block Diagonalization)等，需要满足限制条件：配对用户的接收天线总数≤发送的天线总数。这个条件限制了配对的用户数，尤其是当用户接收天线数>1时，配对用户数将受限于配对用户的接收天线总数，这样将影响联合调度的性能增益。目前，一种更优的多用户波束赋形算法，即多用户特征模式传输MET(Multiuser Eigenmode Transmission)算法将DB算法的限制条件放松为：配对用户的总数据流数≤发送的天线总数，即：
其中，M表示配对用户数。
当用户的数据流数<接收天线数时，该算法可提供更多的正交用户配对，较BD算法有较高的性能提升。该算法的主要步骤为：
1)压缩用户信道矩阵：对第i个用户的信道矩阵Hi进行SVD分解，如式(6)。取ui前第ri个列向量的共轭转置，那么：
当用户的数据流数ri<接收天线数nR时，用户的信道矩阵由nR行压缩为ri行。
2)抑制用户间干扰(构建“我为人人，人人为我”的和谐信号传输)。
定义：
对进行SVD分解，
其中表示0奇异值对应的特征向量。多用户波束赋形矩阵已经能保证干扰用户位于该用户信号的零限。
3)在保证不对其他配对用户干扰的同时，最大化有用信号强度。
将寻找更优化的波束赋形算法，在抑制用户间干扰的同时，最大化有用信号的强度，再对有用信号进行一次波束赋形，对进行SVD分解，得到：
其中，取的前ri个右奇异向量表示。那么以为波束赋形矩阵的干扰消除算法不仅能保证完全消除干扰，还能将有用信号功率增强，优化系统性能。
所以，多用户波束赋形矩阵表示为：
(8)
总之，智能天线刚开始在TD-LTE应用时，就已经与MIMO技术结合了。在LTE R8的TM7中，表面上只支持单流波束赋形，但eNode B可以采用“透明”方式将两个或多个UE调度在同一时频资源上，从而构成多用户MIMO传输，因其只定义了一个专用导频端口，所以eNode B只支持单流波束赋形。在LTE R9的TM8中定义了两个专用导频端口，eNode B可以通过下行控制信令指示两个Rank1传输的UE分别占用相互正交的一对专用导频端口，避免了UE间干扰对专用导频信道估计的影响，也保证了多用户MIMO有更好的传输质量。
4 智能天线的发展方向
随着TD-LTE系统的演进，智能天线将会向情景化、小型化、电调化、宽带化、集成化，以及快速、高效、简单、可DBF固件化的自适应算法等方向发展。
情景化：既要适应户外环境特点的美观型天线表面，又要适应具体环境的最佳波束赋形;
小型化：用介质谐振器代替传统天线阵列的介质型智能天线是理想的小型化途径;
电调化：通过调整赋形波束权值达到虚拟调整阵列垂直和水平波束对应的下倾角和方位角的目的;
宽带化：工作频段可覆盖GSM、TD-SCDMA、TD-LTE、WLAN、WiMAX等多种异构网络频段;
集成化：既可美化环境又可节约资源的适应多种异构网络制式、可同时接入多家运营商的共塔型智能天线。
另外，在TD-LTE的演进系统中，智能天线还有可能支持采用多个小区联合的调试方法，既可使相同资源分配不同方向波束、相同方向波束使用不同资源以达到避免干扰的目的，又可在单个小区赋形中考虑让外小区被干扰用户通过零陷方法来避免对外小区用户干扰的干扰抑制，还可支持在某种特殊情况下用多个小区同时对一个用户进行波束赋形，以达到提升其信号强度的目的。总之，TD-LTE系统智能天线的智能特征将会越来越高。
5 总结
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。智能天线利用空间信道的强相关性及波的干涉原理产生的强方向性，形成非常明确的辐射方向图，使其主瓣自适应地指向用户来波方向，不仅极大地提高了用户的声噪比，获得了明显的阵列增益，还使网络扩大了覆盖范围、改善了边缘吞吐量和干扰抑制性能。
TD-LTE网络的MIMO多天线技术是eNode B和UE双方都采用多根天线进行收发，通过适当的发射信号形式和接收设计，可以在不显著增加系统成本的同时，提高系统容量，获得阵列增益、功率增益、干扰抑制增益、空间分集增益、空间复用增益等多种优势、为网络带来更高的速率、更好的覆盖效果。当智能天线技术与MIMO技术结合后，TD-LTE网络可为用户提供高速率、高带宽、高性能和短延时的体验感知。双流波束赋形就是智能天线与MIMO技术的结合，随着优秀算法的出现，多流波束赋形技术将会为TD-LTE及其演进系统提供更好的无线通信性能。