TD-LTE系統中短期波束賦形的研究

徐嘯濤，許 靜，楊大方

(1.浙江機電職業技術學院電氣電子工程學院，浙江杭州310053;2.國家知識產權局專利局專利審查協作中心通信發明審查部，北京100190;3.上海貝爾阿爾卡特股份有限公司南京分公司移動業務部，江蘇 南京210037)

TD-LTE系統中短期波束賦形的研究

徐嘯濤1，許 靜2，楊大方3

(1.浙江機電職業技術學院電氣電子工程學院，浙江杭州310053;2.國家知識產權局專利局專利審查協作中心通信發明審查部，北京100190;3.上海貝爾阿爾卡特股份有限公司南京分公司移動業務部，江蘇 南京210037)

TD-LTE系統中使用的波束賦型是一個較為復雜的命題。特征值波束賦形形式上是基于奇異值分解的。它包括短期和長期兩種形式，并且應用在不同特征的信道中。首先描述了短期波束賦形的算法，尤其是集中在如何把該算法應用在OFDM和TD-LTE系統中。然后闡述了短期波束賦形的軟件結構設計實現，其中包括了一些基本概念的實現，SRS合路器和MAC層設計等。最后對其不同性能指標給出了詳細的仿真，并且相應得出了一些技術結論。

TD-LTE;波束形成算法;性能仿真;SRS合路器;時間相關

作為下一代移動通信系統的標準之一，TD-LTE改進并增強了3G的空中接口技術，它同時也采用OFDM (正交頻分復用)和MIMO(多入多出)作為其無線接入演進的最核心技術。目前多輸入多輸出(MIMO)技術主要包括傳輸分集、空間復用、波束賦形以及多用戶MIMO技術。波束賦形是一種應用于小間距的天線陣列的多天線傳輸技術，它的算法有多種，本文的研究內容是基于較為簡單的特征值分解的EBB(Eigen based Beamforming)波束賦形算法。EBB算法通過對用戶空間相關矩陣進行特征分解，找到最大特征值對應的特征向量即為權矢量，從而實現波束賦形。基于特征值的波束賦形(EBB)是來自SRS合成器的奇異值分解［1］。SRS的資源分配在時域和頻域上都具有合理的譜密度，并能夠同時支持多個UE的資源調度。因為基站需要獲得來自上行sounding信號的下行信道狀態信息(CSI)，所以基于特征值的波束賦形(EBB)對于信道的互易性而言是必須具有的。EBB波束賦形具體的實現方式可以分成兩種，一種是需要瞬時信道矩陣的短期EBB波束賦形，一種是基于平均信道矩陣的長期EBB波束賦形，它們的區別主要在于特征值分解用于瞬時還是平均信道相關矩陣。EBB波束賦形也是沿著信道最強方向傳輸所有可聚集的功率值(通過實施主要特征向量的相關矩陣值)。

1 短期波束賦形算法

1.1 算法假設

系統模型如下

假設發射端和接收端都有非常好的信道狀態信息，能夠應用非常理想的Tx和Rx波束賦形轉移信號模型來對角在波束賦形矩陣U，H和V可以被確定作為信道相關矩陣的特征向量［3］

對于多個基于本征值波束賦形信號源而言，它能夠被執行最大化信道容量。上述方程假設前提為在發射端能夠獲得瞬時CSI，每個傳輸信道傳輸是理想的。

1.2 應用于OFDM系統

具有路徑延遲的多路徑MIMO信道表達式如

具有循環前綴的OFDM信號，頻率選擇性信道演變成N frequency平通道(k是副載波標記)

接收機協方差矩陣可以寫成

從上述公式可以看到，瞬時空間相關矩陣具有頻率選擇性且針對每個頻率的副載波不同。為系統實現的簡單性，能夠執行基于子帶的短期EBB，而不通過假設具有子帶的信道扁平的子載波內［6］。

1.3 應用于TD-LTE系統

短期的波束賦形是需要SRS躍變、耗時，數十個TTI (傳輸時間間隔)等掃描整個帶寬。萬一信道快速變化，CSI將會快速過時。對于SRS的躍變，因為有限的終端發射功率和SRS容量限制(終端多路復用)，這是不可能產生的。在短期的波束賦形中，天線和終端之間是無法保持平衡的。它有2根Rx天線，但只有1根Tx天線，交替兩根終端的Tx天線將發出交替的sounding信息。在3GPP R8(不被大多數終端所支持)中天線開關也是可選的［2］。在一根Tx天線sounding信號中，只有一半的信道狀態信息(CSI)是可以獲得的。

對于子帶信噪比(SINR)，當在子帶中新的sounding信號被收到后，短期波束賦形EBB將會被更新。對于信道協方差矩陣的子帶特征向量，當在子帶中新的sounding信號被收到后，短期波束賦形EBB將會被更新。尤其是對于雙波束而言，在短期波束賦形中，兩個向量也是需要的。另一方面，具有雙天線參考信號的短期波束賦形EBB能夠促使雙天線sounding測量的產生，也能被用來產生既可用于單流也可用于雙流的預編碼器，也同時能夠支持增加的16PRB的sounding帶寬［8］。

2 軟件設計

2.1 基本的軟件嵌入算法

短期波束賦形使用瞬時信道向量來計算權重系數。假設短期波束賦形的頻率粒度是SPRBs，那么在當前子幀上的空間協方差矩陣是由在子帶寬度(比如SPRBs)的平均值來計算的。

EVD可以被每個子帶所計算，即

子帶的波束賦形矢量可以由下式計算得

如果子帶大小與一個PRB值相等，那么可以避免進行EVD計算，因為信道hi是一個列向量(由于只有一個Tx天線在上行)和Rs有rank=1，所以原理特征向量與規范化的信道向量hi是相等的，即

2.2 SRS合成器

如圖1所示，對于每個PRB到256 kbyte的DDR循環緩沖區而言，SRS合成器需要節省權重值。用來存儲短期波束賦形權重的最大空間是3 kbyte，SRS合成器需要分配256 kbyte，這意味著它能夠節省超過85個TTI，如果CDM值是3，這個緩沖區足以容納超過28個TTI。SRS寫權重的順序應當為1，5，2，6，3，7，4，8。并且SRS合成器也能發送消息到MAC層。

圖1 SRS合成器內部結構圖

3 性能仿真和分析

3.1 仿真假設條件

目前，有許多種類型的波束賦形算法，如 EBB，DOA，EqualGain等。在EBB鏈路級性能仿真評估前，應該首先清晰哪個信道模型應該被使用，對這個可行性研究如何定義仿真參數和基本仿真假設等。對短期波束賦形可行性研究的方案假設，假定它是低速的移動性，單用戶，只有PDSCH，沒有PBCH，也沒有控制通道和同步信號，在這個基礎上，使用單收單發的SISO和雙收單發的SIMO(MRC)［4］。

3.2 性能仿真

設置了不同的子帶以查看短期波束賦形的頻率粒度。x PRBs意味著x PRBs有相同的波束賦形向量。在圖2中，明顯地對于短期波束賦形，在頻率選擇性信道中，越窄的子帶具有越好的仿真性能。但由于當前的SRS信道估計算法局限性，只是支持一個子帶至少4 PRBs。對于今后的工作，如何突破SRS信道估計算法的局限性，使得一個子帶能支持更少的PRB，這也是值得繼續研究的課題之一。

圖2 在不同頻率粒度下的短期波束賦形仿真

圖3顯示了在不同場景下性能表現。從結果中可以看到，短期波束賦形可以在終端側兩根接收天線上提供大約6～7.5 dB的增益和在終端側一根天線上提供9～12 dB增益。整體而言，波束賦形在大角度散播時，性能將有更好的結果。它對于SRS的噪聲功率，也是相當敏感的，特別是在小角度散播時。

圖4給出了在不同的特征向量反饋延遲時間和在不同終端移動速度下的性能結果值。考慮到波束賦型反饋的延遲值，從圖3中仍然可以看到，對于19個TTIs，波束賦形性能仍然是可以接受的。所以能夠得到重要的結論是:只要SRS控制在20 ms內，對于下行波束賦形而言，來自SRS獲得的CSI值仍然是有用的。對于SRS配置和下行調度器而言，這是非常有用的結論。

圖3 在不同的SRS場景下的短期波束賦形性能仿真

對于短期波束賦形，因為它使用了瞬時信道統計，因此對于UE的移動速度也相當敏感。低的移動速度將會有更好的性能，這個結論在圖4所示的仿真中已經得到了驗證。但即使在 120 km/h的速度下，相對于3 km/h移動速度下的SIMO仍然具有更好的性能［7］。這也同時驗證了另外一個結論，對于波束賦形的性能而言，天線收發的多少相對于移動速度更為重要。

圖4 短期波束賦形時間相關性的性能影響仿真

4 總結

相對于一般的下行波束賦形而言，短期波束賦形更適合不斷增加的多路徑(高角度傳播)和終端的低速移動性。它對頻率分辨率和信道快速變化性更加敏感。也可以通過增加SRS帶寬和減少周期值(12 PRB，2 ms的SRS周期性)來保持良好的短期波束賦形性能。只要SRS和PDSCH之間的延遲時間是在20 ms內，那么對于下行短期波束賦形而言，來自SRS的瞬時信道狀態仍然是有效的［9］。

由于UE終端的天線不平衡的問題，例如更多的接收天線分集增益比發射天線要高。相對于波束賦形的其他特征而言，波束賦形的接收天線增益仍然相對較少，但還是能夠明顯地被監測到。先進的波束賦形性能值的優劣極大地依賴于SRS配置，例如帶寬、周期性，還有需要與高層的RRM進行協調等。

［1］劉文正，曹龍漢，杭小飛.LTE網絡接口的協議一致性測試研究［J］.電視技術，2011，35(23):59-60.

［2］劉鳴，袁超偉，賈寧，等.智能天線技術與應用［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［3］3GPP TR 25.996，Special channel model for Multiple Input Multiple Output(MIMO)simulations［S］.2004.

［4］李亞麟，樊迅，胡波.天線校準誤差建模即對開環波束賦形技術的影響［J］.電訊技術，2010(3):45-49.

［5］ 3GPP TS 36.212 V8.7.0，Evolved universal terrestrial radio access (E—UTRA);multiplexing and channel coding(release8)［S］.2009.

［6］郭彬，樊迅，曹偉，等.八天線TD-LTE系統的波束賦形算法分析［J］.電訊技術，2010(8):23-24.

［7］鄒應全，李春國.多小區MIMO系統中的分布式預編碼研究［J］.儀器儀表學報，2010(12):43-45.

［8］劉毅，王瓊.LTE系統中PDN連接過程的建立與實現［J］.電視技術，2010，34(12):34-35.

［9］杜金才，姚偉，余家家.A-Doherty功率放大器的仿真設計［J］.電子測量技術，2011(5):35-37.

Research of Short-term Beam form ing on TD-LTE System

XU Xiaotao1，XU Jing2，YANG Dafang3
(1.Department of Electrical and Electronic Engineering，Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Hangzhou 310053，China; 2.Communication Invention Examination Department，Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，SIPO，Beijing 100190，China; 3.Department of Mobile Service，Alcatel－Lucent Shanghai Bell Nanjing Branch，Nanjing 210037，China)

In this paper，amethod of license plate character recognition is presented based on the combination of Zernikemomentand wavelet transformation features.The beam-forming used in TD-LTE systems is a somewhatmore complex proposition.Eigenvalue-based beam-forming (EBB)is based on singular value decomposition.It’s included short-term BF and Long-term BF two methods and applied in different channel knowledge.Firstly，it describes short-term BF algorithm，especially focused on themethod how to apply for OFDM and TD-LTE system.And then make a SW designing implementation for short-term BF.It involves some basic idea of implementation，SRS combiner and MAC layer designing.Finally，the paper gives the detailed simulation for different performance index and gets some technical conclusion.Short term beam-forming for deployment scenarios iswith increasesmultipath(high azimuth spread)and low UEmobility.An advanced beam-forming that is based on instantaneous channel state can be represented as hybrid short-term and long-term beam-forming.An adaptive selection of dominant eigenvectors of the long-term correlation matrix be considered.

TD-LTE;beam-forming algorithm;performance simulation;SRS combiner;temporal correlation

TP929.53

B

徐嘯濤(1979—)，碩士，教師，工程師，主要研究方向為移動通信、軟件測試、物聯網等;

?? 盈

2014-01-23

【本文獻信息】徐嘯濤，許靜，楊大方.TD-LTE系統中短期波束賦形的研究［J］.電視技術，2014，38(23).

浙江省科技廳2013年公益技術研究工業項目(2013C31133)

許 靜(1980—)，女，碩士學位，審查員，工程師，主要研究方向為移動通信、光通信等;

楊大方(1983—)，工程師，主要從事移動通信射頻模塊的研究與開發。