智能天線在TD—LTE網絡中的研究與應用

徐皓 顏軍 李賓

【摘要】 介紹了智能天線的基本原理、常用算法以及在TD-LTE網絡中的應用，并提出了未來智能天線的發展趨勢。

【關鍵詞】 智能天線 TD-LTE

一、前言

頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）是無線通信系統的發展過程中的兩種基本的雙工方式。FDD是在兩個對稱頻率信道上進行接收和發送，用保護頻段來分離接收和發送信道。TDD用不同的時隙來分離接收和發送信道，其發射和接收的資源在時間上可以不連續的。TDD系統具有上下行信道互易性的特點，可更好的進行傳輸信道的預處理，便于智能天線（Smart Antenna）技術的使用。

智能天線（Smart Antenna）技術是在自適應天線技術、數字信號處理技術和軟件無線電技術結合形成的一門新技術。智能天線是具有一定程度智能性的自適應天線陣列，已經在3G網絡中使用，并且在目前的TD-LTE試驗網和商用網中，繼續得到發展與應用。

二、智能天線的技術原理和算法

2.1 技術原理

智能天線是一種安裝在基站（e-NodeB）側的雙向天線，其原理是使天線主波束對準用戶信號到達方向（Direction of Arrival，DOA），旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，從而產生定向波束，達到充分利用有效移動用戶信號并刪除或抑制干擾移動信號的目的。

智能天線由陣元、加權和合并三部分組成接收電路。用戶發射信號經過多徑信道衰減和延遲后，到達天線陣列各陣元的是所有發射信號及其各自延遲副本的組合疊加，設其為x（t）。如果對每個陣元定義權值wk，根據信號檢測要求和一定的準則，經陣列信號處理計算，則陣列加權合并矢量的波束賦形輸出為：

y（t）=ωH（t）*x（t） （1）

式（1）是智能天線形成波束信號的基本模型。其中的權值wk與信道的慢衰落匹配，如來波方向DOA和平均路損。在TDD系統中，由于信道的互易性特點，在進行波束賦形時，可以不必使用終端反饋的CSI信息，而是根據基站上行的DOA和路損信息，準確估計出權值參數。智能天線算法的基本原理是從天線陣列的上行信號獲得DOA估計后，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。

2.2 智能天線的算法

智能天線系統的核心是選擇高效的智能算法，通過算法自適應地得到各天線陣元的權值。它先借助參考信號得到各天線陣元的估計信道，然后根據一些準則使用估計信道確定陣元的權值，最后用賦形向量對每通道的信號進行加權，從各自的天線陣元發送出去，這樣發送出去的信號的波形就具有一定的方向性，從而達到充分利用有效信號和抑制干擾信號的目的，達到空間域濾波的作用。

目前在TD-LTE系統使用最多的智能天線的算法是EBB（Eigenvalue Based Beamforming）算法，其基本原理如下：假設發端有nt根發射天線。波束賦形的過程是：在發端，一路數據流等功率地復制為nt路子流，每路子流分別使用波束賦形權值進行加權后從各自對應的發射天線發射出去。這樣發射出去的信號的波形就具有特定的方向性，從而達到空間濾波的作用。假設收端使用根接收天線對這路數據流進行接收檢測。則在第k個子載波上，可估計出nt×nt的頻域響應矩陣，根據矩陣特征值和特征向量的理論，可以計算出該矩陣的特征向量，并利用特征向量作為發射天線陣列的權值向量。

在實際系統中，由于下行信道估計的限制，一般相鄰的若干子載波的數據流使用相同的加權向量。

三、智能天線在TD-LTE中的應用

TD-LTE系統中使用了多天線MIMO（Multiple input and multiple output）技術。將MIMO技術與智能天線技術相結合，進一步提高了TD-LTE系統的容量和抗干擾能力。目前TD-LTE系統支持的智能天線技術主要有單流波束賦形技術和雙流波束賦形技術。

3.1 單流波束賦形

單流波束賦形技術在LTE R8中的傳輸模式TM7定義，支持基于專用導頻的智能天線波束賦形。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后的等效信道，并進行相干檢測。為了能夠估計波束賦形后的傳輸信道，基站必須發送一個與數據同時傳輸的波束賦形參考信號，用于傳輸模式TM7的業務解調。單流波束賦形的流程中，層映射與預編碼都是一對一的簡單映射。單流波束賦形的示意圖如圖1所示。

3.2 雙流波束賦形

雙流波束賦形在LTE R9的規范中的傳輸模式TM8定義，支持兩個專用導頻用于業務信道解調。同時還引入了新的控制信令和8×2天線配置，將賦形波束擴展為雙流傳輸，實現了波束賦形與MIMO空間復用技術的有效結合。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。

（1）單用戶雙流波束賦形。由基站測量上行信道，得到上行信道狀態信息后，基站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。雙流單用戶波束賦形的示意圖如圖2所示。

（2）多用戶雙流波束賦形。由基站根據上行信道信息或UE反饋的結果進行多用戶匹配，完成多用戶匹配后，按照特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（SDMA）。雙流單用戶波束賦形的示意圖如圖3所示。

TD-LTE網絡將智能天線的波束賦形技術與MIMO技術結合，充分發揮了空間分集、空間復用的作用。具有擴大覆蓋，提高系統容量，降低干擾的能力，成為了TD-LTE系統的核心技術。

四、TD-LTE網絡中智能天線的發展趨勢

隨著TD-LTE網絡的演進，智能天線將會朝著情景化、小型化、寬帶化、集成化的方向發展；同時，智能天線的算法也將進一步優化，向精確賦形的方向發展。

情景化是指既要外形美觀，又要適應具體環境特點的波束賦形。小型化是指用介質諧振器代替傳統天線陣列的介質型智能天線，如微帶陶瓷天線單元的小型化智能天線。寬帶化是指工作頻段可覆蓋多種異構網絡頻段，如同時支持A頻段、F頻段和E頻段。集成化是指可與基站主設備集成的共塔型智能天線。

智能天線精確賦形是指利用智能化的算法和現代信號處理技術，提高智能天線波束追蹤用戶的準確度，進一步增加覆蓋，提高容量。

總之，TD-LTE系統智能天線的智能特征將會越來越高。

五、結論

本文結合TDD系統信道互易性的特征，介紹了智能天線的基本原理和算法，以及在TD-LTE網絡中的應用，說明了TD-LTE網絡中使用智能天線，可以擴大覆蓋、提高容量和降低干擾，最后給出了未來TD-LTE智能天線的發展方向。

參 考 文 獻

[1] 劉光毅等. 智能天線及其在TD-LTE中的應用[A]. 電信科學. 2009.12

[2] 戴源等. TD-LTE無線網絡規劃與設計 人民郵電出版社[A]. 2012.4

[3] 張長青. 智能天線在TD-LTE中的應用分析[A]. 移動通信 2012.24