智能天線在TD—LTE中的應(yīng)用分析

1、智能天線在tdlte中的應(yīng)用分析 【摘 要】文章從技術(shù)層面介紹了智能天線的基礎(chǔ)技術(shù)、波束賦形技術(shù)和自適應(yīng)算法，介紹了td-lte中智能天線的單流波束賦形、雙流波束賦形技術(shù)及相關(guān)算法，分析了智能天線在td-lte中的應(yīng)用情況，最后簡(jiǎn)述了智能天線技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)?！娟P(guān)鍵詞】td-lte 智能天線 波束賦形1 概述智能天線(smart antenna)技術(shù)是在微波技術(shù)、自動(dòng)控制理論、自適應(yīng)天線技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理dsp(digital signal processing)技術(shù)和軟件無(wú)線電技術(shù)等多學(xué)科基礎(chǔ)上綜合發(fā)展而成的一門(mén)新技術(shù)。智能天線是具有一定程度智能性的自適應(yīng)天線陣列。智能天線早期應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，

2、自3g時(shí)代開(kāi)始走向民用通信，在今天的td-lte試驗(yàn)網(wǎng)和商用網(wǎng)中，智能天線技術(shù)得到了飛速發(fā)展。智能天線技術(shù)利用信號(hào)傳輸?shù)目臻g相干性，通過(guò)調(diào)整天線陣列陣元發(fā)送信號(hào)的權(quán)值，產(chǎn)生空間預(yù)定波束，將無(wú)線信號(hào)導(dǎo)向具體方向，使主瓣波束自適應(yīng)地跟蹤用戶(hù)主信號(hào)到達(dá)的方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)的方向，達(dá)到充分和高效利用移動(dòng)用戶(hù)信號(hào)，刪除或抑制干擾信號(hào)的雙重目的。智能天線可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的空域?yàn)V波和定位，在多個(gè)指向不同用戶(hù)的并行天線波束控制下，可以顯著降低用戶(hù)信號(hào)彼此間的干擾。智能天線通常應(yīng)用在基站側(cè)，可在下行鏈路對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)加權(quán)實(shí)現(xiàn)選擇性發(fā)送，也可在上行鏈路對(duì)接收的混疊信號(hào)進(jìn)行不同加權(quán)合并得到對(duì)應(yīng)的波形。智能

3、天線因其具有增加系統(tǒng)容量、提高通信質(zhì)量和擴(kuò)大小區(qū)覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于td-scdma和td-lte網(wǎng)絡(luò)?？梢钥隙ǖ氖?，情景化、小型化、電調(diào)化、寬帶化和集成化相結(jié)合的智能天線，將在td-lte及后期演進(jìn)系統(tǒng)中發(fā)揮不可替代的作用。2 智能天線簡(jiǎn)介1由于無(wú)線移動(dòng)通信信道傳輸環(huán)境具有復(fù)雜性和不確定性，主要受多徑衰落、時(shí)延擴(kuò)展等不利因素影響，存在符號(hào)間串?dāng)_、同信道間干擾和多址干擾等惡化通信環(huán)境的情況，直接降低了鏈路性能和系統(tǒng)容量，而智能天線是解決這些問(wèn)題的重要手段之一。2.1 智能天線的信號(hào)模型圖1為智能天線接收部分簡(jiǎn)圖，由陣元、加權(quán)和合并三部分組成。用戶(hù)發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑信道衰減和延遲后，到達(dá)天線陣

4、列各陣元的是所有發(fā)射信號(hào)及各自延遲副本的疊加。假設(shè)系統(tǒng)中有k個(gè)用戶(hù)，陣列有m個(gè)陣元，為了簡(jiǎn)單，采用均勻線陣模型，則在某時(shí)刻第k個(gè)用戶(hù)的信號(hào)到達(dá)陣列的接收信號(hào)矢量可表示為：(1)其中，βk，l為第l條徑的衰落幅值，τk，l為第l條徑的延遲時(shí)間，sk(t)為第k個(gè)用戶(hù)的發(fā)射信號(hào)。α(θk，l)是陣列響應(yīng)矢量，而對(duì)應(yīng)第k個(gè)用戶(hù)在經(jīng)過(guò)信道第l條徑時(shí)到達(dá)的角為θk，l，并可表示為：(2)其中，f為信號(hào)頻率，且滿(mǎn)足fc-b/2≤f ≤fc+b/2，fc為載波頻率，b為信號(hào)帶寬;τ是由于信號(hào)有限傳播速度造成的在相鄰天線陣元上的時(shí)延，它

5、與信號(hào)的到達(dá)角、陣元間隔和信號(hào)傳播速度有關(guān)，可以表示為τ=(dsinθk，l)/c，d為陣元間隔，通常取λc/2，λc為載波波長(zhǎng)，c為信號(hào)的傳播速度。由于接收天線接收的是所有用戶(hù)信號(hào)的疊加，所以(1)式可表達(dá)為：(3)其中，η(t)為接收端的加性白噪聲矢量。因陣列具有方向性，據(jù)圖1所示，通過(guò)對(duì)每個(gè)陣元加權(quán)wk，根據(jù)一定準(zhǔn)則和信號(hào)檢測(cè)要求，由陣列信號(hào)處理模塊計(jì)算后，可得陣列加權(quán)合并矢量的波束賦形輸出為：(4)式(4)是智能天線形成波束信號(hào)的基本模型，也是智能天線的技術(shù)基礎(chǔ)。2.2 波束賦形技術(shù)式(4)是陣列波束賦形的數(shù)學(xué)表達(dá)式，是陣列信號(hào)的

6、預(yù)處理技術(shù)，其中的權(quán)值wk僅僅需要匹配信道的慢變化，如來(lái)波方向doa(direction of arrival)和平均路損。因此，在進(jìn)行波束賦形時(shí)，也可以不必使用終端反饋所需的信息，而是在基站側(cè)通過(guò)上行接收信號(hào)獲得來(lái)波方向和路損信息，這既可減小空口傳輸負(fù)擔(dān)，又能方便地得到計(jì)算權(quán)值的參數(shù)。另外，為了獲得波束賦形增益，需要使用較多的天線單元，目前l(fā)te中最多只可使用4個(gè)公共導(dǎo)頻，無(wú)法支持在超過(guò)4副天線單元的天線陣列上使用波束賦形，因此波束賦形中還需要使用專(zhuān)用導(dǎo)頻。圖2為波束賦形的基本原理流程：從天線陣列的上行信號(hào)獲得doa估計(jì)后，給天線權(quán)值控制器產(chǎn)生權(quán)值，再將權(quán)值反饋給天線陣列，由天線陣列形成賦形

7、波束。顯然，波束賦形過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題可簡(jiǎn)單地表述為：(1)根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)(如誤碼率、誤幀率)的要求確定優(yōu)化準(zhǔn)則(代價(jià)函數(shù)，即權(quán)重矢量和相關(guān)參數(shù)的函數(shù));(2)采用一定的方法獲得需要的參數(shù);(3)選用一定的算法求解該優(yōu)化準(zhǔn)則下的最佳解，得到權(quán)重矢量值。2.3 自適應(yīng)算法眾所周知，智能天線實(shí)際上是一項(xiàng)包括多種先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)工程，但它的核心技術(shù)是自適應(yīng)算法。典型的算法有盲自適應(yīng)和非盲自適應(yīng)兩大類(lèi)。后者是基于訓(xùn)練序列的方法，如最小均方(lms)法、遞歸最小方差(rls)法和采樣矩陣求逆(smi)法等;前者是不用訓(xùn)練序列的方法，如基本doa估計(jì)法、特征值恢復(fù)和解擴(kuò)重?cái)U(kuò)法等，而常用的doa估計(jì)法是直接利

8、用(4)式延遲相加法。下面簡(jiǎn)單介紹幾種算法。(1)最小均方lms算法：遵循最小均方差(mmse)準(zhǔn)則，根據(jù)(4)式，加權(quán)矢量迭代更新方法可表示為估計(jì)二次型表面(即誤差平方)關(guān)于權(quán)值的梯度，將權(quán)值沿遞度負(fù)方向移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)常數(shù)，進(jìn)而反復(fù)迭代，即：估計(jì)輸出：誤差形成：系數(shù)更新：其中，y(n)為已知期望響應(yīng)樣本，x(n)為接收信號(hào)矢量的采樣樣本，μ為步長(zhǎng)。lms算法的收斂速度和穩(wěn)定性與輸入信號(hào)x(n)的協(xié)方差矩陣的特征根分布密切相關(guān)，一般特征根散布不是很大時(shí)，lms算法的收斂較快。(2)遞歸最小方差rls算法：該算法總是使從濾波器開(kāi)始運(yùn)行到目前時(shí)刻的總平方誤差達(dá)到最小，與lms算法不同，rls遵

9、循的準(zhǔn)則是最小方差(lse)。若設(shè)、，則有：同時(shí)得到最小二乘誤差的更新為：。rls算法的收斂情況與相關(guān)矩陣的特征值擴(kuò)展無(wú)關(guān)，而與λ的取值有關(guān)(小于或等于1)。3 智能天線在td-lte中的應(yīng)用td-lte為智能天線應(yīng)用進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，定義了專(zhuān)門(mén)的傳輸模式。如3gpp r8支持的基于單端口5專(zhuān)用導(dǎo)頻的傳輸模式tm7、3gpp r9支持的基于端口7和端口8專(zhuān)用導(dǎo)頻的傳輸模式mt8，就分別支持單流波束賦形技術(shù)和雙流波束賦形技術(shù)。根據(jù)3gpp協(xié)議，在lte系統(tǒng)的enode b端，雖然fdd和tdd均采用專(zhuān)用導(dǎo)頻來(lái)實(shí)現(xiàn)波束賦形，但對(duì)終端來(lái)講，僅有td-lte終端強(qiáng)制性地要求必須具有

10、解調(diào)波束賦形數(shù)據(jù)的能力。實(shí)踐證明，td-lte系統(tǒng)采用智能天線后，可提高系統(tǒng)的峰值速率、提升邊緣用戶(hù)吞吐量、提高小區(qū)覆蓋范圍。尤其是在智能天線與mimo多天線結(jié)合后產(chǎn)生的雙流波束賦形技術(shù)中，單用戶(hù)的波束賦形可使單用戶(hù)獲得空間復(fù)用增益;在多用戶(hù)波束賦形方式中，則可使系統(tǒng)獲得多用戶(hù)的分集增益。所以可以預(yù)見(jiàn)，智能天線技術(shù)在td-lte系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，可明顯地改善系統(tǒng)性能。3.1 td-lte中的波束賦形技術(shù)2(1)單流波束賦形技術(shù)：lte r8定義的傳輸模式tm7支持基于專(zhuān)用導(dǎo)頻的智能天線波束賦形，即單流波束賦形技術(shù)。在傳輸過(guò)程中，ue需要通過(guò)對(duì)專(zhuān)用導(dǎo)頻的測(cè)量來(lái)估計(jì)波束賦形后的等效信道，并進(jìn)行相干

11、檢測(cè)。為了能夠估計(jì)波束賦形后的傳輸所經(jīng)歷的信道，基站必須發(fā)送一個(gè)與數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸?shù)牟ㄊx形參考信號(hào)，這個(gè)參考信號(hào)是ue專(zhuān)用的，也叫ue專(zhuān)有導(dǎo)頻，走天線端口5，用于傳輸模式7的業(yè)務(wù)解調(diào)。在圖3所示的單流波束賦形流程中，層映射與預(yù)編碼都只是簡(jiǎn)單的一對(duì)一的映射，后面生成的波束賦形當(dāng)然也相對(duì)簡(jiǎn)單。(2)雙流波束賦形技術(shù)：在lte r9的規(guī)范中，專(zhuān)門(mén)定義了有端口7和端口8兩個(gè)專(zhuān)用導(dǎo)頻用于業(yè)務(wù)信道解調(diào)的傳輸模式tm8。同時(shí)還引入了新的控制信令和天線配置(8×2)，將波束賦形擴(kuò)展到了雙流傳輸，實(shí)現(xiàn)了波束賦形與mimo空間復(fù)用技術(shù)的結(jié)合，這就是雙流波束賦形技術(shù)。雙流波束賦形應(yīng)用可分為單用戶(hù)波束賦形和

12、多用戶(hù)波束賦形，圖4所示是單流、雙流單用戶(hù)和雙流多用戶(hù)三種情況的波束賦形情況。1)單用戶(hù)雙流波束賦形技術(shù)：由enode b測(cè)量上行信道，得到上行信道狀態(tài)信息后，enode b根據(jù)上行信道信息計(jì)算兩個(gè)賦形矢量，利用該賦形矢量對(duì)要發(fā)射的兩個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行下行賦形。采用單用戶(hù)雙流波束賦形技術(shù)，使得單個(gè)用戶(hù)在某一時(shí)刻可以進(jìn)行兩個(gè)數(shù)據(jù)流傳輸，同時(shí)獲得賦形增益和空間復(fù)用增益，獲得比單流波束賦形技術(shù)更大的傳輸速率，進(jìn)而提高系統(tǒng)容量。2)多用戶(hù)雙流波束賦形技術(shù)：enode b根據(jù)上行信道信息或ue反饋的結(jié)果進(jìn)行多用戶(hù)匹配，多用戶(hù)匹配完成后，按照一定的準(zhǔn)則生成波束賦形矢量，利用得到的波束賦形矢量為每一個(gè)ue、每一個(gè)流進(jìn)行賦形。多用戶(hù)雙流波束賦形技術(shù)利用了智能天線的波束定向原理，實(shí)現(xiàn)了多用戶(hù)的空分多址?；趖d-lte的波束賦形技術(shù)，有一個(gè)重要應(yīng)用是利用空間選擇性來(lái)支持空分多址(sdma，spatial division multiple access)。因受限于應(yīng)用場(chǎng)景和終端尺寸及天線數(shù)量，單用戶(hù)往往難以支持高rank數(shù)據(jù)傳輸。而rank是信道矩陣ebb分解后特征值不為0的特征向量個(gè)數(shù)，ue會(huì)將測(cè)得的rank值ri(rank indicator)上報(bào)給enode b，而eno