智能天线在TD—LTE中的应用分析(2)
3 智能天线在TD-LTE中的应用
TD-LTE为智能天线应用进行了专门的标准化设计，定义了专门的传输模式。如3GPP R8支持的基于单端口5专用导频的传输模式TM7、3GPP R9支持的基于端口7和端口8专用导频的传输模式MT8，就分别支持单流波束赋形技术和双流波束赋形技术。根据3GPP协议，在LTE系统的eNode B端，虽然FDD和TDD均采用专用导频来实现波束赋形，但对终端来讲，仅有TD-LTE终端强制性地要求必须具有解调波束赋形数据的能力。
实践证明，TD-LTE系统采用智能天线后，可提高系统的峰值速率、提升边缘用户吞吐量、提高小区覆盖范围。尤其是在智能天线与MIMO多天线结合后产生的双流波束赋形技术中，单用户的波束赋形可使单用户获得空间复用增益;在多用户波束赋形方式中，则可使系统获得多用户的分集增益。所以可以预见，智能天线技术在TD-LTE系统中的广泛应用，可明显地改善系统性能。
3.1 TD-LTE中的波束赋形技术[2]
(1)单流波束赋形技术：LTE R8定义的传输模式TM7支持基于专用导频的智能天线波束赋形，即单流波束赋形技术。在传输过程中，UE需要通过对专用导频的测量来估计波束赋形后的等效信道，并进行相干检测。为了能够估计波束赋形后的传输所经历的信道，基站必须发送一个与数据同时传输的波束赋形参考信号，这个参考信号是UE专用的，也叫UE专有导频，走天线端口5，用于传输模式7的业务解调。在图3所示的单流波束赋形流程中，层映射与预编码都只是简单的一对一的映射，后面生成的波束赋形当然也相对简单。
(2)双流波束赋形技术：在LTE R9的规范中，专门定义了有端口7和端口8两个专用导频用于业务信道解调的传输模式TM8。同时还引入了新的控制信令和天线配置(8×2)，将波束赋形扩展到了双流传输，实现了波束赋形与MIMO空间复用技术的结合，这就是双流波束赋形技术。双流波束赋形应用可分为单用户波束赋形和多用户波束赋形，图4所示是单流、双流单用户和双流多用户三种情况的波束赋形情况。
1)单用户双流波束赋形技术：由eNode B测量上行信道，得到上行信道状态信息后，eNode B根据上行信道信息计算两个赋形矢量，利用该赋形矢量对要发射的两个数据流进行下行赋形。采用单用户双流波束赋形技术，使得单个用户在某一时刻可以进行两个数据流传输，同时获得赋形增益和空间复用增益，获得比单流波束赋形技术更大的传输速率，进而提高系统容量。
2)多用户双流波束赋形技术：eNode B根据上行信道信息或UE反馈的结果进行多用户匹配，多用户匹配完成后，按照一定的准则生成波束赋形矢量，利用得到的波束赋形矢量为每一个UE、每一个流进行赋形。多用户双流波束赋形技术利用了智能天线的波束定向原理，实现了多用户的空分多址。
基于TD-LTE的波束赋形技术，有一个重要应用是利用空间选择性来支持空分多址(SDMA，Spatial Division Multiple Access)。因受限于应用场景和终端尺寸及天线数量，单用户往往难以支持高Rank数据传输。而Rank是信道矩阵EBB分解后特征值不为0的特征向量个数，UE会将测得的Rank值RI(Rank Indicator)上报给eNode B，而eNode B根据RI可以在空间区分出相互独立而互不相关的信道数量。当系统用户数较多时，eNode B总可找到信道空间独立性较强的两个UE，若eNode B配备了多天线，则可以利用波束赋形信号空间隔离度实现对多个UE的并行传输，这就是多用户MIMO技术，或者说是TD-LTE中的波束赋形技术与MIMO技术的有机结合。所以，只有在多UE时，双流波束赋形才尽显SDMA功能。
3.2 TD-LTE中的智能天线算
法[3]
单流波束赋形其实就是普通的智能天线波束赋形在LTE中的应用，双流波束赋形简单地说就是多天线信道奇异值分解算法的典型应用，其实现机制都已基本成熟，但算法优化却有许多工作需要我们不断努力。为此，我们先了解一些比较典型的应用于LTE中的波束赋形算法。
(1)单流波束赋形算法：单流波束赋形可根据赋形向量的获得方式，分为长期波束赋形和短期波束赋形，其中短期波束赋形最常见的是基于奇异值分解SVD(Singular Value Decomposition)波束赋形，长期波束赋形通常称为基于来波方向DOA的波束赋形。在SVD方法中，发送端从上行探测导频(Sounding)估计出信道信息，然后对用户信道进行SVD分解计算出对应的预编码酉矩阵。其中SVD分解操作是：假设天线发送数目为M，接收天线数目为N，则空间信道矩阵H的维数为N×M，空间信道矩阵H的SVD分解为：
H=UAVH (5)
其中U和V分别是维数为N×N和M×M的酉矩阵，A是一个维数为N×M的矩阵，其对角线元素是非负实数，非对角线无线为0，并且A的对角线元素λ1≥λ2≥…≥λn，即按照大小排序之后的矩阵H的奇异值，其中n是M和N中的最小值。经过奇异值分解后获得的酉矩阵V即为线性预编码。
而DOA波束赋形的加权向量是基于远大于信道相干时间的一段时间内对信道的测量，亦即传统的不用训练序列的盲自适应方法，常用的是延迟相加法。
(2)双流波束赋形单用户算法：当单用户传输时，同一个时频资源块仅分配给一个用户，基站端仅对有用信号进行波束赋形，增强有用信号功率，典型的算法有特征值波束赋形EBB(Eigenvalue Based Beamformin)，其波束赋形矩阵具体计算如下：
设基站发送天线数为nr，移动台接收天线数为mR，基站到第i个用户的信道矩阵为Hi。第i个用户支持的独立数据流为ri(ri≤mR)。
对Hi进行SVD分解，得到：
(6)
其中，从大到小排序的非零奇异值对应的特征向量分别表示为Vi，1(Vi的第1列)、Vi，2(Vi的第2列)、…、Vi，mR(Vi的第mR列)。取的前ri个右奇异向量表示为，那么单用户多流波束赋形矩阵为：
(7)
(3)双流波束赋形多用户算法：常用的多用户双流波束赋形算法如迫零ZF(Zero Forcing)，块对角BD(Block Diagonalization)等，需要满足限制条件：配对用户的接收天线总数≤发送的天线总数。这个条件限制了配对的用户数，尤其是当用户接收天线数>1时，配对用户数将受限于配对用户的接收天线总数，这样将影响联合调度的性能增益。目前，一种更优的多用户波束赋形算法，即多用户特征模式传输MET(Multiuser Eigenmode Transmission)算法将DB算法的限制条件放松为：配对用户的总数据流数≤发送的天线总数，即：
其中，M表示配对用户数。
当用户的数据流数<接收天线数时，该算法可提供更多的正交用户配对，较BD算法有较高的性能提升。该算法的主要步骤为：
1)压缩用户信道矩阵：对第i个用户的信道矩阵Hi进行SVD分解，如式(6)。取ui前第ri个列向量的共轭转置，那么：
当用户的数据流数ri<接收天线数nR时，用户的信道矩阵由nR行压缩为ri行。
2)抑制用户间干扰(构建“我为人人，人人为我”的和谐信号传输)。
定义：
对进行SVD分解，
其中表示0奇异值对应的特征向量。多用户波束赋形矩阵已经能保证干扰用户位于该用户信号的零限。
3)在保证不对其他配对用户干扰的同时，最大化有用信号强度。
将寻找更优化的波束赋形算法，在抑制用户间干扰的同时，最大化有用信号的强度，再对有用信号进行一次波束赋形，对进行SVD分解，得到：
其中，取的前ri个右奇异向量表示。那么以为波束赋形矩阵的干扰消除算法不仅能保证完全消除干扰，还能将有用信号功率增强，优化系统性能。
所以，多用户波束赋形矩阵表示为：
(8)
总之，智能天线刚开始在TD-LTE应用时，就已经与MIMO技术结合了。在LTE R8的TM7中，表面上只支持单流波束赋形，但eNode B可以采用“透明”方式将两个或多个UE调度在同一时频资源上，从而构成多用户MIMO传输，因其只定义了一个专用导频端口，所以eNode B只支持单流波束赋形。在LTE R9的TM8中定义了两个专用导频端口，eNode B可以通过下行控制信令指示两个Rank1传输的UE分别占用相互正交的一对专用导频端口，避免了UE间干扰对专用导频信道估计的影响，也保证了多用户MIMO有更好的传输质量。
