智能天線在TD—LTE網(wǎng)絡(luò)中的研究與應(yīng)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(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，并提出了未來(lái)智能天線的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】 智能天線 TD-LTE

一、前言

頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）是無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中的兩種基本的雙工方式。FDD是在兩個(gè)對(duì)稱頻率信道上進(jìn)行接收和發(fā)送，用保護(hù)頻段來(lái)分離接收和發(fā)送信道。TDD用不同的時(shí)隙來(lái)分離接收和發(fā)送信道，其發(fā)射和接收的資源在時(shí)間上可以不連續(xù)的。TDD系統(tǒng)具有上下行信道互易性的特點(diǎn)，可更好的進(jìn)行傳輸信道的預(yù)處理，便于智能天線（Smart Antenna）技術(shù)的使用。

智能天線（Smart Antenna）技術(shù)是在自適應(yīng)天線技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和軟件無(wú)線電技術(shù)結(jié)合形成的一門新技術(shù)。智能天線是具有一定程度智能性的自適應(yīng)天線陣列，已經(jīng)在3G網(wǎng)絡(luò)中使用，并且在目前的TD-LTE試驗(yàn)網(wǎng)和商用網(wǎng)中，繼續(xù)得到發(fā)展與應(yīng)用。

二、智能天線的技術(shù)原理和算法

2.1 技術(shù)原理

智能天線是一種安裝在基站（e-NodeB）側(cè)的雙向天線，其原理是使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向（Direction of Arrival，DOA），旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，從而產(chǎn)生定向波束，達(dá)到充分利用有效移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾移動(dòng)信號(hào)的目的。

智能天線由陣元、加權(quán)和合并三部分組成接收電路。用戶發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑信道衰減和延遲后，到達(dá)天線陣列各陣元的是所有發(fā)射信號(hào)及其各自延遲副本的組合疊加，設(shè)其為x（t）。如果對(duì)每個(gè)陣元定義權(quán)值wk，根據(jù)信號(hào)檢測(cè)要求和一定的準(zhǔn)則，經(jīng)陣列信號(hào)處理計(jì)算，則陣列加權(quán)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(hào)的基本模型。其中的權(quán)值wk與信道的慢衰落匹配，如來(lái)波方向DOA和平均路損。在TDD系統(tǒng)中，由于信道的互易性特點(diǎn)，在進(jìn)行波束賦形時(shí)，可以不必使用終端反饋的CSI信息，而是根據(jù)基站上行的DOA和路損信息，準(zhǔn)確估計(jì)出權(quán)值參數(shù)。智能天線算法的基本原理是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波束。

2.2 智能天線的算法

智能天線系統(tǒng)的核心是選擇高效的智能算法，通過(guò)算法自適應(yīng)地得到各天線陣元的權(quán)值。它先借助參考信號(hào)得到各天線陣元的估計(jì)信道，然后根據(jù)一些準(zhǔn)則使用估計(jì)信道確定陣元的權(quán)值，最后用賦形向量對(duì)每通道的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，從各自的天線陣元發(fā)送出去，這樣發(fā)送出去的信號(hào)的波形就具有一定的方向性，從而達(dá)到充分利用有效信號(hào)和抑制干擾信號(hào)的目的，達(dá)到空間域?yàn)V波的作用。

目前在TD-LTE系統(tǒng)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(shè)發(fā)端有nt根發(fā)射天線。波束賦形的過(guò)程是：在發(fā)端，一路數(shù)據(jù)流等功率地復(fù)制為nt路子流，每路子流分別使用波束賦形權(quán)值進(jìn)行加權(quán)后從各自對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線發(fā)射出去。這樣發(fā)射出去的信號(hào)的波形就具有特定的方向性，從而達(dá)到空間濾波的作用。假設(shè)收端使用根接收天線對(duì)這路數(shù)據(jù)流進(jìn)行接收檢測(cè)。則在第k個(gè)子載波上，可估計(jì)出nt×nt的頻域響應(yīng)矩陣，根據(jù)矩陣特征值和特征向量的理論，可以計(jì)算出該矩陣的特征向量，并利用特征向量作為發(fā)射天線陣列的權(quán)值向量。

在實(shí)際系統(tǒng)中，由于下行信道估計(jì)的限制，一般相鄰的若干子載波的數(shù)據(jù)流使用相同的加權(quán)向量。

三、智能天線在TD-LTE中的應(yīng)用

TD-LTE系統(tǒng)中使用了多天線MIMO（Multiple input and multiple output）技術(shù)。將MIMO技術(shù)與智能天線技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高了TD-LTE系統(tǒng)的容量和抗干擾能力。目前TD-LTE系統(tǒng)支持的智能天線技術(shù)主要有單流波束賦形技術(shù)和雙流波束賦形技術(shù)。

3.1 單流波束賦形

單流波束賦形技術(shù)在LTE R8中的傳輸模式TM7定義，支持基于專用導(dǎo)頻的智能天線波束賦形。在傳輸過(guò)程中，UE需要通過(guò)對(duì)專用導(dǎo)頻的測(cè)量來(lái)估計(jì)波束賦形后的等效信道，并進(jìn)行相干檢測(cè)。為了能夠估計(jì)波束賦形后的傳輸信道，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)，用于傳輸模式TM7的業(yè)務(wù)解調(diào)。單流波束賦形的流程中，層映射與預(yù)編碼都是一對(duì)一的簡(jiǎn)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(guī)范中的傳輸模式TM8定義，支持兩個(gè)專用導(dǎo)頻用于業(yè)務(wù)信道解調(diào)。同時(shí)還引入了新的控制信令和8×2天線配置，將賦形波束擴(kuò)展為雙流傳輸，實(shí)現(xiàn)了波束賦形與MIMO空間復(fù)用技術(shù)的有效結(jié)合。雙流波束賦形應(yīng)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(cè)量上行信道，得到上行信道狀態(tài)信息后，基站根據(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。采用單用戶雙流波束賦形技術(shù)，使得單個(gè)用戶在某一時(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。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(jù)上行信道信息或UE反饋的結(jié)果進(jìn)行多用戶匹配，完成多用戶匹配后，按照特定的準(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(wǎng)絡(luò)將智能天線的波束賦形技術(shù)與MIMO技術(shù)結(jié)合，充分發(fā)揮了空間分集、空間復(fù)用的作用。具有擴(kuò)大覆蓋，提高系統(tǒng)容量，降低干擾的能力，成為了TD-LTE系統(tǒng)的核心技術(shù)。

四、TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中智能天線的發(fā)展趨勢(shì)

隨著TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，智能天線將會(huì)朝著情景化、小型化、寬帶化、集成化的方向發(fā)展；同時(shí)，智能天線的算法也將進(jìn)一步優(yōu)化，向精確賦形的方向發(fā)展。

情景化是指既要外形美觀，又要適應(yīng)具體環(huán)境特點(diǎn)的波束賦形。小型化是指用介質(zhì)諧振器代替?zhèn)鹘y(tǒng)天線陣列的介質(zhì)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)頻段，如同時(shí)支持A頻段、F頻段和E頻段。集成化是指可與基站主設(shè)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(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)，提高智能天線波束追蹤用戶的準(zhǔn)確度，進(jìn)一步增加覆蓋，提高容量。

總之，TD-LTE系統(tǒng)智能天線的智能特征將會(huì)越來(lái)越高。

五、結(jié)論

本文結(jié)合TDD系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，說(shuō)明了TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中使用智能天線，可以擴(kuò)大覆蓋、提高容量和降低干擾，最后給出了未來(lái)TD-LTE智能天線的發(fā)展方向。

參 考 文 獻(xiàn)

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[3] 張長(zhǎng)青. 智能天線在TD-LTE中的應(yīng)用分析[A]. 移動(dòng)通信 2012.24