TD-LTE系統(tǒng)中短期波束賦形的研究

徐嘯濤，許 靜，楊大方

(1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，浙江杭州310053;2.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作中心通信發(fā)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(dòng)業(yè)務(wù)部，江蘇 南京210037)

TD-LTE系統(tǒng)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(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，浙江杭州310053;2.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作中心通信發(fā)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(dòng)業(yè)務(wù)部，江蘇 南京210037)

TD-LTE系統(tǒng)中使用的波束賦型是一個(gè)較為復(fù)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(zhǎng)期兩種形式，并且應(yīng)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(yīng)用在OFDM和TD-LTE系統(tǒng)中。然后闡述了短期波束賦形的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，其中包括了一些基本概念的實(shí)現(xiàn)，SRS合路器和MAC層設(shè)計(jì)等。最后對(duì)其不同性能指標(biāo)給出了詳細(xì)的仿真，并且相應(yīng)得出了一些技術(shù)結(jié)論。

TD-LTE;波束形成算法;性能仿真;SRS合路器;時(shí)間相關(guān)

作為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)之一，TD-LTE改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接口技術(shù)，它同時(shí)也采用OFDM (正交頻分復(fù)用)和MIMO(多入多出)作為其無線接入演進(jìn)的最核心技術(shù)。目前多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)主要包括傳輸分集、空間復(fù)用、波束賦形以及多用戶MIMO技術(shù)。波束賦形是一種應(yīng)用于小間距的天線陣列的多天線傳輸技術(shù)，它的算法有多種，本文的研究?jī)?nèi)容是基于較為簡(jiǎn)單的特征值分解的EBB(Eigen based Beamforming)波束賦形算法。EBB算法通過對(duì)用戶空間相關(guān)矩陣進(jìn)行特征分解，找到最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量即為權(quán)矢量，從而實(shí)現(xiàn)波束賦形?；谔卣髦档牟ㄊx形(EBB)是來自SRS合成器的奇異值分解［1］。SRS的資源分配在時(shí)域和頻域上都具有合理的譜密度，并能夠同時(shí)支持多個(gè)UE的資源調(diào)度。因?yàn)榛拘枰@得來自上行sounding信號(hào)的下行信道狀態(tài)信息(CSI)，所以基于特征值的波束賦形(EBB)對(duì)于信道的互易性而言是必須具有的。EBB波束賦形具體的實(shí)現(xiàn)方式可以分成兩種，一種是需要瞬時(shí)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(zhǎng)期EBB波束賦形，它們的區(qū)別主要在于特征值分解用于瞬時(shí)還是平均信道相關(guān)矩陣。EBB波束賦形也是沿著信道最強(qiáng)方向傳輸所有可聚集的功率值(通過實(shí)施主要特征向量的相關(guān)矩陣值)。

1 短期波束賦形算法

1.1 算法假設(shè)

系統(tǒng)模型如下

假設(shè)發(fā)射端和接收端都有非常好的信道狀態(tài)信息，能夠應(yīng)用非常理想的Tx和Rx波束賦形轉(zhuǎn)移信號(hào)模型來對(duì)角在波束賦形矩陣U，H和V可以被確定作為信道相關(guān)矩陣的特征向量［3］

對(duì)于多個(gè)基于本征值波束賦形信號(hào)源而言，它能夠被執(zhí)行最大化信道容量。上述方程假設(shè)前提為在發(fā)射端能夠獲得瞬時(shí)CSI，每個(gè)傳輸信道傳輸是理想的。

1.2 應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)

具有路徑延遲的多路徑MIMO信道表達(dá)式如

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

接收機(jī)協(xié)方差矩陣可以寫成

從上述公式可以看到，瞬時(shí)空間相關(guān)矩陣具有頻率選擇性且針對(duì)每個(gè)頻率的副載波不同。為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單性，能夠執(zhí)行基于子帶的短期EBB，而不通過假設(shè)具有子帶的信道扁平的子載波內(nèi)［6］。

1.3 應(yīng)用于TD-LTE系統(tǒng)

短期的波束賦形是需要SRS躍變、耗時(shí)，數(shù)十個(gè)TTI (傳輸時(shí)間間隔)等掃描整個(gè)帶寬。萬一信道快速變化，CSI將會(huì)快速過時(shí)。對(duì)于SRS的躍變，因?yàn)橛邢薜慕K端發(fā)射功率和SRS容量限制(終端多路復(fù)用)，這是不可能產(chǎn)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(fā)出交替的sounding信息。在3GPP R8(不被大多數(shù)終端所支持)中天線開關(guān)也是可選的［2］。在一根Tx天線sounding信號(hào)中，只有一半的信道狀態(tài)信息(CSI)是可以獲得的。

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

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 基本的軟件嵌入算法

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

EVD可以被每個(gè)子帶所計(jì)算，即

子帶的波束賦形矢量可以由下式計(jì)算得

如果子帶大小與一個(gè)PRB值相等，那么可以避免進(jìn)行EVD計(jì)算，因?yàn)樾诺纇i是一個(gè)列向量(由于只有一個(gè)Tx天線在上行)和Rs有rank=1，所以原理特征向量與規(guī)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(duì)于每個(gè)PRB到256 kbyte的DDR循環(huán)緩沖區(qū)而言，SRS合成器需要節(jié)省權(quán)重值。用來存儲(chǔ)短期波束賦形權(quán)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(jié)省超過85個(gè)TTI，如果CDM值是3，這個(gè)緩沖區(qū)足以容納超過28個(gè)TTI。SRS寫權(quán)重的順序應(yīng)當(dāng)為1，5，2，6，3，7，4，8。并且SRS合成器也能發(fā)送消息到MAC層。

圖1 SRS合成器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 性能仿真和分析

3.1 仿真假設(shè)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(jí)性能仿真評(píng)估前，應(yīng)該首先清晰哪個(gè)信道模型應(yīng)該被使用，對(duì)這個(gè)可行性研究如何定義仿真參數(shù)和基本仿真假設(shè)等。對(duì)短期波束賦形可行性研究的方案假設(shè)，假定它是低速的移動(dòng)性，單用戶，只有PDSCH，沒有PBCH，也沒有控制通道和同步信號(hào)，在這個(gè)基礎(chǔ)上，使用單收單發(fā)的SISO和雙收單發(fā)的SIMO(MRC)［4］。

3.2 性能仿真

設(shè)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(duì)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(dāng)前的SRS信道估計(jì)算法局限性，只是支持一個(gè)子帶至少4 PRBs。對(duì)于今后的工作，如何突破SRS信道估計(jì)算法的局限性，使得一個(gè)子帶能支持更少的PRB，這也是值得繼續(xù)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(chǎng)景下性能表現(xiàn)。從結(jié)果中可以看到，短期波束賦形可以在終端側(cè)兩根接收天線上提供大約6～7.5 dB的增益和在終端側(cè)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(shí)，性能將有更好的結(jié)果。它對(duì)于SRS的噪聲功率，也是相當(dāng)敏感的，特別是在小角度散播時(shí)。

圖4給出了在不同的特征向量反饋延遲時(shí)間和在不同終端移動(dòng)速度下的性能結(jié)果值?？紤]到波束賦型反饋的延遲值，從圖3中仍然可以看到，對(duì)于19個(gè)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(jié)論是:只要SRS控制在20 ms內(nèi)，對(duì)于下行波束賦形而言，來自SRS獲得的CSI值仍然是有用的。對(duì)于SRS配置和下行調(diào)度器而言，這是非常有用的結(jié)論。

圖3 在不同的SRS場(chǎng)景下的短期波束賦形性能仿真

對(duì)于短期波束賦形，因?yàn)樗褂昧怂矔r(shí)信道統(tǒng)計(jì)，因此對(duì)于UE的移動(dòng)速度也相當(dāng)敏感。低的移動(dòng)速度將會(huì)有更好的性能，這個(gè)結(jié)論在圖4所示的仿真中已經(jīng)得到了驗(yàn)證。但即使在 120 km/h的速度下，相對(duì)于3 km/h移動(dòng)速度下的SIMO仍然具有更好的性能［7］。這也同時(shí)驗(yàn)證了另外一個(gè)結(jié)論，對(duì)于波束賦形的性能而言，天線收發(fā)的多少相對(duì)于移動(dòng)速度更為重要。

圖4 短期波束賦形時(shí)間相關(guān)性的性能影響仿真

4 總結(jié)

相對(duì)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(dòng)性。它對(duì)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(shí)間是在20 ms內(nèi)，那么對(duì)于下行短期波束賦形而言，來自SRS的瞬時(shí)信道狀態(tài)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(fā)射天線要高。相對(duì)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(duì)較少，但還是能夠明顯地被監(jiān)測(cè)到。先進(jìn)的波束賦形性能值的優(yōu)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(jìn)行協(xié)調(diào)等。

［1］劉文正，曹龍漢，杭小飛.LTE網(wǎng)絡(luò)接口的協(xié)議一致性測(cè)試研究［J］.電視技術(shù)，2011，35(23):59-60.

［2］劉鳴，袁超偉，賈寧，等.智能天線技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

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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?yàn)橐苿?dòng)通信、軟件測(cè)試、物聯(lián)網(wǎng)等;

?? 盈

2014-01-23

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

浙江省科技廳2013年公益技術(shù)研究工業(yè)項(xiàng)目(2013C31133)

許 靜(1980—)，女，碩士學(xué)位，審查員，工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信、光通信等;

楊大方(1983—)，工程師，主要從事移動(dòng)通信射頻模塊的研究與開發(fā)。