LTE-R系統(tǒng)的雙流波束賦形方案設(shè)計與研究

邵　健，曾召華

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南　714000；2.西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，西安　710054)

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LTE-R系統(tǒng)的雙流波束賦形方案設(shè)計與研究

邵健1，曾召華2

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南714000；2.西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，西安710054)

在高速鐵路快變無線信道條件下，為了提高頻譜利用效率，減小同頻干擾，利用有效功率最大化準則提出一種新的基于PMI量化的雙流波束賦形方案。所提方案構(gòu)建了適合高速鐵路場景下基站八天線下行波束賦形權(quán)值碼本并設(shè)計波束賦形權(quán)值快速搜索方案，進而利用TDD系統(tǒng)信道互異性搜索量化賦形權(quán)值。仿真結(jié)果表明，該方案在大大降低系統(tǒng)雙流波束賦形復(fù)雜度的同時，相對于傳統(tǒng)基于SVD分解算法性能損失不大，可實現(xiàn)LTE-R系統(tǒng)下行快速雙流波束賦形。

高速鐵路；LTE-R；波束賦形；PMI；接收信噪比；誤塊率

截至2015年年底，以新線、設(shè)計時速250 km及以上的高速鐵路為統(tǒng)計基礎(chǔ)，中國已經(jīng)建成開通高速鐵路1.9萬余km，制造、運營動車組1 900余組，日均發(fā)送旅客超過300萬人次，是全球高速鐵路運營里程最長、規(guī)模最大的國家。預(yù)計到2020年，以高速鐵路為骨架的快速客運網(wǎng)，運營里程將達到5萬km以上，基本覆蓋80%的50萬人口以上城市。高速軌道交通系統(tǒng)為人們的出行帶來極大的方便。列車無線通信系統(tǒng)是保證列車安全、高效運營的重要保障，隨著高速鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展和列車速度的不斷提高，高鐵車地寬帶無線通信技術(shù)成為人們關(guān)注的熱點。因此，當前高速鐵路寬帶通信無線接入技術(shù)是高速鐵路形成整套成熟技術(shù)的關(guān)鍵問題之一[1，2]。

我國自主標準TD-LTE作為目前最先進的4G無線技術(shù)，在國內(nèi)已經(jīng)開始大規(guī)模商用，產(chǎn)業(yè)鏈趨于完善，具有網(wǎng)絡(luò)扁平化、低時延、高帶寬、高質(zhì)量、高可靠、高抗干擾能力等優(yōu)良特性[3]，而且，其時分雙工模式使上下行通信都發(fā)生在相同頻段，可以利用信道的互易性獲得比較準確的下行無線信道信息。總之，與其他技術(shù)相比，TD-LTE給高速鐵路場景提供了技術(shù)優(yōu)勢。因此，TDD模式下的LTE-R系統(tǒng)就成為GSM-R、ICE等現(xiàn)有高速鐵路無線通信技術(shù)的主要演進方向。

1　鐵路通信波束賦形研究現(xiàn)狀

多天線技術(shù)作為TD-LTE系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠給系統(tǒng)帶來有效的分集增益和陣列增益[4-6]，目前，在高速鐵路場景中，對多天線和智能天線技術(shù)的研究和應(yīng)用獲得了一定進展，但仍需深入研究高速鐵路環(huán)境下克服信道估計誤差、CSI反饋延遲、提升多天線和智能天線性能的方法[7]。波束賦形技術(shù)利用天線之間的相關(guān)性，通過調(diào)整各個陣元的幅度及相位，從而使波束定向發(fā)射，實現(xiàn)能量的匯聚，同時降低因能量擴散而對周圍用戶造成的干擾，該技術(shù)尤其適用于具有LOS特性的信道，可以將其應(yīng)用到LOS高速鐵路場景來集中信號能量，增強接收信噪比，提高傳輸可靠性[8，9]。

文獻[10]提出了一種相對傳統(tǒng)特征值分解方法的簡化算法，但仍要進行協(xié)方差矩陣相關(guān)運算。另外，由于高速鐵路環(huán)境下小區(qū)切換頻繁，文獻[11]利用波束賦形技術(shù)解決高速鐵路場景中因切換觸發(fā)滯后而導(dǎo)致的切換失敗問題。文獻[12]提出一種基于高速鐵路通信的多波束機會波束賦形技術(shù)，該波束賦形技術(shù)需要列車位置輔助，如何取得列車準確位置，是該算法所面臨的問題。文獻[13]提出了車載雙天線方案，這種設(shè)計不僅降低了GSM-R網(wǎng)絡(luò)的切換，也為GSM-R系統(tǒng)后續(xù)演進寬帶鐵路無線通信系統(tǒng)使用多天線系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。目前，3GPPR10版本協(xié)議定義了9種多天線發(fā)射模式，其中模式7、8和9是波束賦形[14，15]，文獻[16]研究了智能天線非理想波束賦形對通信系統(tǒng)的影響，因此，如何快速產(chǎn)生適合于高速鐵路無線場景的波束賦形權(quán)值，是模式7至9應(yīng)用于高速鐵路的主要問題之一。

2　系統(tǒng)模型

我國目前使用的高速動車組一般為8節(jié)和16節(jié)車廂，列車車身高度約4 m，寬度約3.3 m，整個車身長度為200～410 m，車廂長26 m多，這為在列車上部署多天線系統(tǒng)提供了必要條件。根據(jù)車身較長的特點，可以在列車頂部安裝N(N≥2)組天線陣列，并且各個天線陣列之間的距離足夠大，保證各個天線陣列的散射環(huán)境差異較大，即相互獨立，這是系統(tǒng)進行多流傳輸?shù)谋Ｕ?；再者，每個天線陣列內(nèi)天線間距較小，使得陣列內(nèi)天線單元具有強相關(guān)性，這為系統(tǒng)上行波束成形奠定基礎(chǔ)。本文設(shè)置為車頂兩天線陣列組，且每個陣列組看作整體天線單元(即接收合并)，如圖1所示。

圖1　基于TD-LTE的車地無線通信系統(tǒng)雙流波束賦形示意

端口7到端口14是和端口5類似的邏輯端口，最大可以支持8層的數(shù)據(jù)來傳輸，8個端口的數(shù)據(jù)可以加權(quán)映射到8個物理天線上，用于多流波束賦形。數(shù)據(jù)可以加權(quán)映射到多個物理天線上傳輸，基站發(fā)送端從上行探測導(dǎo)頻(Sounding)估計出信道信息，然后根據(jù)用戶信道信息計算出對應(yīng)的波束賦形權(quán)值矩陣?；驹诎l(fā)射端對數(shù)據(jù)先加權(quán)再發(fā)送，形成窄的發(fā)射波束，將能量對準目標用戶，基于TD-LTE的車地通信系統(tǒng)8天線雙流波束賦形處理流程見圖2。

圖2　基于TD-LTE的車地無線通信系統(tǒng)8天線雙流波束賦形處理流程

基站側(cè)發(fā)射信號為s，則UE的接收信號矢量為

(1)

式中，H為下行MIMO信道；W為波束賦形的信號加權(quán)矩陣；n為加性高斯白噪聲。

根據(jù)接收功率最大化原則，可得到最優(yōu)化的加權(quán)向量矩陣為

(2)

式中，Wo為使WHHHHW最大化的W。

對于雙流波束賦形，車頂多天線空間相關(guān)矩陣最大特征值對應(yīng)的特征向量，也即為信道矩陣最大奇異值對應(yīng)的奇異向量。因此最佳權(quán)向量可以通過對信道矩陣奇異值分解(SVD)來實現(xiàn)。

假設(shè)發(fā)射端有M(本文發(fā)射端天線數(shù)為8)個天線、終端有N個天線(2≤N≤M，本文車頂接收天線數(shù)為2)。首先，將列車頂部兩天線的信道估計H1和H2組合為一個矩陣H=[H1H2]，對組合后矩陣H求奇異值分解，找出非零奇異值對應(yīng)的向量，將其共軛值作為兩流下行權(quán)值。

其中SVD分解操作如下：假設(shè)發(fā)送天線的數(shù)目為M，接收天線的數(shù)目為N，那么空間矩陣H的維數(shù)為N×M，空間信道矩陣H的SVD分解為：

(3)

式中，U=[u1u2…uM]是N×N維的左奇異矩陣；V=[v1v2…vM]是M×M維的右異矩陣；Σ是N×M維的對角陣，對角元素σ1≥σ2≥…≥σn為奇異值，n是M、N中的最小值。采用右奇異列向量作為波束賦形加權(quán)矢量。U和V都是酉矩陣，通常采用酉矩陣V作為波束賦形權(quán)值，且為最優(yōu)。

3　高速鐵路快變信道場景下PMI量化波束賦形方案

3.1高速鐵路快變信道場景下TD-LTE八天線碼本設(shè)計

在此，設(shè)i，j，k為碼本的三個維度，文獻[17]提出了一種三維相等的波束賦形量化碼本，由于鐵路無線環(huán)境具有線性特性，增加port0對應(yīng)的4天線字碼表數(shù)以及port1對應(yīng)的字碼表數(shù)，碼本設(shè)計如下

(4)

式中，φk=ej2πk/8，k=0，1，…，7,

i=0，1，…，31，j=0，1，…，31，碼本選擇一共有8×32×32=8 192個。

3.2波束賦形權(quán)值搜索方案

權(quán)值搜索方案1：

首先，在vi子碼表中搜索滿足下式的PMI序號i；

(5)

搜索32次，得到I1，其中，index1是port0對應(yīng)的4天線；

其次，在vj子碼表中搜索滿足下式的PMI序號j；

(6)

搜索32次，得到J1，其中，index2是port1對應(yīng)的4天線；

再次，在碼表中搜索滿足下式的PMI序號k；

(7)

搜索8次，得到K1。

最后，查表，尋找與PMI1(I1，J1，K1)正交的碼本集Q，此碼本集Q中L個碼本進行循環(huán)，歷搜索L次，找滿足下式的i，j，k，記作PMI2(I2，J2，K2)

Z2=

(8)

至此，波束賦形權(quán)值確定，搜索結(jié)束。

權(quán)值搜索方案2：

其次，搜索滿足下式的PMI序號m

(9)

得到Z1，PMI1=m；

再次，在碼本中搜索與PMI1正交的權(quán)值向量，記作碼本集Q；

最后，在碼本集Q中搜索滿足下式的PMI序號n

(10)

得到Z2，PMI2=n；

至此，波束賦形權(quán)值確定，搜索結(jié)束。

4　方案仿真及分析

本次仿真是基于搭建的TD-LTE下行物理層鏈路仿真平臺，仿真參數(shù)見表1。

表1　仿真參數(shù)設(shè)置

4.1統(tǒng)計接收端信噪比

雙流波束賦形在MMSE準則中解調(diào)信號的信噪比計算如下

(11)

式中，kk表示矩陣的對角線元素。

圖3　SVD分解算法連續(xù)信道下接收信噪比統(tǒng)計

在連續(xù)信道下，如圖3所示，基于SVD分解的波束賦形算法在端口7上的接收信噪比平均值為12.669，方差為4.485，在端口8上的接收信噪比平均值為3.669，方差為1.2603。從接收信噪比統(tǒng)計結(jié)果來看，SVD分解算法下端口7的接收信噪比值相對于端口8較高，這是因為在SVD分解算法中，針對端口7的賦形權(quán)值向量為最大特征值對應(yīng)的特征向量。如圖4所示，PMI-128(方案1：極化內(nèi)32個值，極化間4個值)權(quán)值搜索方案在端口7上的接受信噪比平均值為7.8，方差為5.2，在端口8上的接收信噪比平均值為2.26，方差為5.07，相對于SVD分解算法，PMI量化算法的接收信噪比有一定損失，值得注意的是，基于PMI量化算法的端口8上的接收信噪比方差變大，這是因為基于PMI量化算法在端口8上的搜索空間較小，權(quán)值向量信道匹配相對較差。另外，從統(tǒng)計解收端信噪比可見，PMI權(quán)值搜索方案1只能保證信號部分功率最大，對于干擾項無法消除，因此存在較大流間干擾。

圖4　PMI量化算法連續(xù)信道下接收信噪比統(tǒng)計

4.2誤塊率性能

首先，驗證新碼本在遍歷搜索時的賦形性能。

其次，驗證端口7，端口8在MCS5的情況下使用 PMI256(極化內(nèi)256個值，極化間4個值)、PMI4096 (極化內(nèi)512個值，極化間8個值)量化算法性能。

首先，如圖5所示，在端口7和端口8上，新方案碼本賦形性能均優(yōu)于文獻[17]碼本性能，這是因為在碼本的i維與j維的量化間隔減小，port0和port1各自所對應(yīng)的4天線碼本數(shù)增加，從而減小了量化誤差。

圖5　新方案碼本賦形性能與文獻17賦形性能對比

其次，在MCS5條件下，如圖6所示，在端口7上，基于SVD分解的算法性能最優(yōu)，基于PMI量化算法隨著整體搜索碼本集中權(quán)值數(shù)的增加，性能逐漸趨近SVD分解算法。值得注意的是，在SNR<2.3 dB時，方案1優(yōu)于方案2，當SNR≥2.3 dB時，方案2逐漸顯現(xiàn)出其優(yōu)勢，由此，在實際應(yīng)用中，可對多方案進行自適應(yīng)處理，以使端口7達到最佳吞吐性能。如圖7所示，在端口8上，SVD算法性能依然最優(yōu)，對于方案1，隨著整體搜索碼本集中權(quán)值數(shù)的增加，性能反而下降，這是因為在端口7上使用性能越優(yōu)的賦形權(quán)值，對端口8產(chǎn)生的流間干擾越大。對比端口8上的方案1與方案2，可發(fā)現(xiàn)方案2的性能優(yōu)于方案1，這是因為方案2采取對H1和H2分別搜索。保證了H1w2=0，H2w1=0，減少了端口7數(shù)據(jù)流對端口8的干擾。總之，由于P7使用最優(yōu)權(quán)值下發(fā)，能量大于P8，因此P7對P8的流間干擾的影響較大， 方案1中，減小流間干擾，提高了P8上的性能，P7的搜索空間變小，因此性能略有損失。

圖6　端口7上SVD算法與PMI量化算法誤塊率性能對比

圖7　端口8上SVD算法與PMI量化算法誤塊率性能對比

經(jīng)過仿真驗證，基于PMI量化的雙流波束賦形本方案較SVD分解算法性能有所損失，但其避免了復(fù)雜的矩陣分解運算，能夠適應(yīng)高速鐵路快變信道。

5　結(jié)語

本文首先介紹了高速鐵路場景下引入波束賦形技術(shù)的必要性，其次描述了基于TD-LTE系統(tǒng)的車地無線通信系統(tǒng)下行鏈路雙流波束賦形流程。由于高速鐵路環(huán)境下的無線信道為快變信道，首先考慮波束賦形的時效性，因此，提出在高速鐵路環(huán)境下使用基于PMI量化的波束賦形方案，構(gòu)建新的適用于高速鐵路無線通信的碼本并引入兩種PMI量化搜索方法，并對下接收端信噪比進行統(tǒng)計，然后通過誤塊率性能仿真分析研究了每種賦形方案的優(yōu)劣，并提出了相關(guān)建議。作為TD-LTE系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，波束賦形不僅能夠利用陣列增益改善小區(qū)邊緣的通信質(zhì)量，以及能夠利用空分復(fù)用(SDM)增益提高通信系統(tǒng)的吞吐量，并且能夠為后續(xù)高速列車越區(qū)切換和定位提供便利。由此，所提的基于PMI量化的波束賦形算法具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Design and Analysis of Dual-stream Beam-forming for LTE-R System

SHAO Jian， ZENG Zhao-hua

(1.Shaanxi Railway Engineering Vocational and Technical College， Weinan 714000， China; 2.Department of Communication and Information Engineering， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an 710054， China)

In order to improve the spectrum efficiency and reduce the co-channel interference in high-speed railway quick-changing channel environment， a PMI-quantized dual-stream beam-forming method is proposed with a view to maximize effective power of transmitted signals. The method makes dual-stream beam-forming more efficient by constructing a weighted codebook applied to high-speed railway and offers rapid searching according to the reciprocal channel estimation information of TDD. Simulation results show that the method reduces the computational complexity of dual-stream beam-forming enormously with very small performance loss compared with the traditional algorithm based on SVD decomposition， and efficient dual-beam-forming can be realized in the LTE-R system downlink.

High-speed railway; LTE-R; Beam-forming; PMI; SNR of received signal; BLER

2015-12-21；

2016-01-11

陜西省科技計劃工業(yè)攻關(guān)項目(2014K06-37)；碑林區(qū)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)項目(GX1311)；陜鐵院研究生基金項目(2014-49)

邵健(1987—)，男，2014年畢業(yè)于西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：qiniqnshaojian@126.com。

1004-2954(2016)08-0147-05

U238； U284.24

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.031