TD-LTE系統(tǒng)中短期波束賦形的研究

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，本文的研究內(nèi)容是基于較為簡單的特征值分解的EBB(EigenbasedBeamforming)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。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(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Nfrequency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3GPPR8(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2.2SRS合成器如圖1所示，對(duì)于每個(gè)PRB到256kbyte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3kbyte，SRS合成器需要分配256kbyte，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1SRS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。xPRBs意味著xPRBs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4PRBs。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6～7.5dB的增益和在終端側(cè)一根天線上提供9～12dB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20ms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120km/h的速度下，相對(duì)于3km/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(12PRB，2ms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20ms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.［3］3GPPTR25.996，SpecialchannelmodelforMultipleInputMultipleOutput(MIMO)simulations［S］.2004.［4］李亞麟，樊迅，胡波.天線校準(zhǔn)誤差建模即對(duì)開環(huán)波束賦形技術(shù)的影響［J］.電訊技術(shù)，2010(3):45-49.［5］3GPPTS36.212V8.7.0，Evolveduniversalterrestrialradioaccess(E—UTRA);multiplexingandchannelcoding(release8)［S］.2009.［6］郭彬，樊迅，曹偉，等.八天線TD-LTE系統(tǒng)的波束賦形算法分析［J］.電訊技術(shù)，2010(8):23-24.［7］鄒應(yīng)全，李春國.多小區(qū)MIMO系統(tǒng)中的分布式預(yù)編碼研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2010(12):43-45.［8］劉毅，王瓊.LTE系統(tǒng)中PDN連接過程的建立與實(shí)現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，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(shè)計(jì)［J］.電子測量技術(shù)，2011(5):35-37.ResearchofShort-termBeamformingonTD-LTESystemXUXiaotao1，XUJing2，YANGDafang3

(1.DepartmentofElectricalandElectronicEngineering，ZhejiangInstituteofMechanicalandElectricalEngineering，Hangzhou310053，China;2.CommunicationInventionExaminationDepartment，PatentExaminationCooperationCenterofthePatentOffice，SIPO，Beijing100190，China;3.DepartmentofMobileService，Alcatel－LucentShanghaiBellNanjingBranch，Nanjing210037，China)Inthispaper，amethodoflicenseplatecharacterrecognitionispresentedbasedonthecombinationofZernikemomentandwavelettransformationfeatures.Thebeam-formingusedinTD-LTEsystemsisasomewhatmorecomplexproposition.Eigenvalue-basedbeam-forming(EBB)isbasedonsingularvaluedecomposition.It’sincludedshort-termBFandLong-termBFtwomethodsandappliedindifferentchannelknowledge.Firstly，itdescribesshort-termBFalgorithm，especiallyfocusedonthemethodhowtoapplyforOFDMandTD-LTEsystem.AndthenmakeaSWdesigningimplementationforshort-termBF.Itinvolvessomebasicideaofimplementation，SRScombinerandMAClayerdesigning.Finally，thepapergivesthedetailedsimulationfordifferentperformanceindexandgetssometechnicalconclusion.Shorttermbeam-formingfordeploymentscenariosiswith