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    智能天线在TD—LTE中的应用分析

    来源:网络  时间:2017-07-01 15:12:00

      

      【摘 要】文章从技术层面介绍了智能天线的基础技术、波束赋形技术和自适应算法,介绍了TD-LTE中智能天线的单流波束赋形、双流波束赋形技术及相关算法,分析了智能天线在TD-LTE中的应用情况,最后简述了智能天线技术的发展态势。
      【关键词】TD-LTE 智能天线 波束赋形
      1 概述
      智能天线(Smart Antenna)技术是在微波技术、自动控制理论、自适应天线技术、数字信号处理DSP(Digital Signal Processing)技术和软件无线电技术等多学科基础上综合发展而成的一门新技术。智能天线是具有一定程度智能性的自适应天线阵列。智能天线早期应用于军事领域,自3G时代开始走向民用通信,在今天的TD-LTE试验网和商用网中,智能天线技术得到了飞速发展。
      智能天线技术利用信号传输的空间相干性,通过调整天线阵列阵元发送信号的权值,产生空间预定波束,将无线信号导向具体方向,使主瓣波束自适应地跟踪用户主信号到达的方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达的方向,达到充分和高效利用移动用户信号,删除或抑制干扰信号的双重目的。智能天线可实现信号的空域滤波和定位,在多个指向不同用户的并行天线波束控制下,可以显著降低用户信号彼此间的干扰。
      智能天线通常应用在基站侧,可在下行链路对发射信号进行预加权实现选择性发送,也可在上行链路对接收的混叠信号进行不同加权合并得到对应的波形。智能天线因其具有增加系统容量、提高通信质量和扩大小区覆盖等优点,已广泛应用于TD-SCDMA和TD-LTE网络。可以肯定的是,情景化、小型化、电调化、宽带化和集成化相结合的智能天线,将在TD-LTE及后期演进系统中发挥不可替代的作用。
      2 智能天线简介[1]
      由于无线移动通信信道传输环境具有复杂性和不确定性,主要受多径衰落、时延扩展等不利因素影响,存在符号间串扰、同信道间干扰和多址干扰等恶化通信环境的情况,直接降低了链路性能和系统容量,而智能天线是解决这些问题的重要手段之一。
      2.1 智能天线的信号模型
      图1为智能天线接收部分简图,由阵元、加权和合并三部分组成。用户发射信号经过多径信道衰减和延迟后,到达天线阵列各阵元的是所有发射信号及各自延迟副本的叠加。
      假设系统中有K个用户,阵列有M个阵元,为了简单,采用均匀线阵模型,则在某时刻第k个用户的信号到达阵列的接收信号矢量可表示为:
      (1)
      其中,βk,l为第l条径的衰落幅值,τk,l为第l条径的延迟时间,sk(t)为第k个用户的发射信号。α(θk,l)是阵列响应矢量,而对应第k个用户在经过信道第l条径时到达的角为θk,l,并可表示为:
      (2)
      其中,f为信号频率,且满足fc-B/2≤f ≤fc+B/2,fc为载波频率,B为信号带宽;τ是由于信号有限传播速度造成的在相邻天线阵元上的时延,它与信号的到达角、阵元间隔和信号传播速度有关,可以表示为τ=(dsinθk,l)/c,d为阵元间隔,通常取λc/2,λc为载波波长,c为信号的传播速度。
      由于接收天线接收的是所有用户信号的叠加,所以(1)式可表达为:
      (3)
      其中,η(t)为接收端的加性白噪声矢量。
      因阵列具有方向性,据图1所示,通过对每个阵元加权wk,根据一定准则和信号检测要求,由阵列信号处理模块计算后,可得阵列加权合并矢量的波束赋形输出为:
      (4)
      式(4)是智能天线形成波束信号的基本模型,也是智能天线的技术基础。
      2.2 波束赋形技术
      式(4)是阵列波束赋形的数学表达式,是阵列信号的预处理技术,其中的权值wk仅仅需要匹配信道的慢变化,如来波方向DOA(Direction Of Arrival)和平均路损。因此,在进行波束赋形时,也可以不必使用终端反馈所需的信息,而是在基站侧通过上行接收信号获得来波方向和路损信息,这既可减小空口传输负担,又能方便地得到计算权值的参数。另外,为了获得波束赋形增益,需要使用较多的天线单元,目前LTE中最多只可使用4个公共导频,无法支持在超过4副天线单元的天线阵列上使用波束赋形,因此波束赋形中还需要使用专用导频。
      图2为波束赋形的基本原理流程:从天线阵列的上行信号获得DOA估计后,给天线权值控制器产生权值,再将权值反馈给天线阵列,由天线阵列形成赋形波束。显然,波束赋形过程中的关键问题可简单地表述为:(1)根据系统性能指标(如误码率、误帧率)的要求确定优化准则(代价函数,即权重矢量和相关参数的函数);(2)采用一定的方法获得需要的参数;(3)选用一定的算法求解该优化准则下的最佳解,得到权重矢量值。
      2.3 自适应算法
      众所周知,智能天线实际上是一项包括多种先进技术的系统工程,但它的核心技术是自适应算法。典型的算法有盲自适应和非盲自适应两大类。后者是基于训练序列的方法,如最小均方(LMS)法、递归最小方差(RLS)法和采样矩阵求逆(SMI)法等;前者是不用训练序列的方法,如基本DOA估计法、特征值恢复和解扩重扩法等,而常用的DOA估计法是直接利用(4)式延迟相加法。下面简单介绍几种算法。
      (1)最小均方LMS算法:遵循最小均方差(MMSE)准则,根据(4)式,加权矢量迭代更新方法可表示为估计二次型表面(即误差平方)关于权值的梯度,将权值沿递度负方向移动一个步长常数,进而反复迭代,即:
      估计输出:
      误差形成:
      系数更新:
      其中,y(n)为已知期望响应样本,x(n)为接收信号矢量的采样样本,μ为步长。LMS算法的收敛速度和稳定性与输入信号x(n)的协方差矩阵的特征根分布密切相关,一般特征根散布不是很大时,LMS算法的收敛较快。
      (2)递归最小方差RLS算法:该算法总是使从滤波器开始运行到目前时刻的总平方误差达到最小,与LMS算法不同,RLS遵循的准则是最小方差(LSE)。若设、、、,则有:

      同时得到最小二乘误差的更新为:。
      RLS算法的收敛情况与相关矩阵的特征值扩展无关,而与λ的取值有关(小于或等于1)。
      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。

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