基于信道互易性的波束成形
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基于信道互易性的波束成形
姓名： 臧广达
3G网络（3rd-generation）
联通的WCDMA
电信的CDMA2000
移动的TD-SCDMA“中国标准”
被ITU批准的3G标准。 Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access。 频谱利用率、频率灵活性、对业务支持具有多样性及成本 等方面有独特优势。 起步较晚，技术不够成熟。 TD系统有一个特点：存在信道互易性。
利用天线阵列算法DOA（Direction of Arrival）能估计出信
号到达方向，从而带来很多的应用方向。
智能天线
智能天线应用了先进的 技术，把无线电的信号 导向具体的方向，使无 线电频谱的利用和信号 的传输更为有效。
天线阵模型
均匀圆阵模型
均匀线阵模型
天线阵模型
Text
均匀线阵 ULA
Text
研究拓展
研究拓展
智能天线的阵列处理一般假设不存在互耦效应作为前提。 而在实际情况下互耦效应给阵列处理带来的影响又是不可 忽视的。 我国自主知识产权的标注TD-SCDMA虽然采用TDD作为双
工方式，可以有效利用TDD系统中的信号互易性来提高系
统容量，但是TDD系统发展不够成熟，针对互易性国内外 研究较少。
谢谢！
均匀圆阵 UCA
波束成Fra Baidu bibliotek技术
波束成形技术
K 1 k 0
以均匀线阵为例
阵列因子Array Factor：表征 远场辐射模型，记为 F ( , )
F(θ) w H α(θ) e j ( K 1)(0 ) sin[ K (0 ) / 2] sin[( K d / )(sin 0 sin )] sin[(0 ) / 2] sin[( d / )(sin 0 sin )]
信道互易性 信道互易性是TDD系统的一大特色
1、功率控制要求降低。
可以用比较简单和占用资源较少的开环功率控制，同时功率控制周期也可 以增大。
2、利用传输预处理技术降低移动终端的处理复 杂性。 3、利于采用智能天线、发送分集等新技术改进 系统性能，同时可以采用简单的开环方式。
FDD系统必须要用复杂的闭环方案，同时性能也不如TDD中的开环方式好。
信道互易性
信道互易性
由移动端发往基站的上行信道可以表示为：
H UL
h11 h1 N h21 h2 N hN 1 hN N
u u t t
u
由于基站有很高的计算能力，所以经过信道估计之后可以 估计出上行信道。
信道互易性
信道互易性
互耦效应
互耦效应
在智能天线的阵列天线中，无论是均匀线性阵ULA还是均
匀圆阵UCA，阵列中的阵元都会吸收阵列中其他阵元所辐 射出的信号，这样就产生了每个阵元的电流并不完全是由 激励源或者接收信号电场引起的问题，这就是互耦效应带 来的影响。
互耦效应 互耦效应的表征：互耦矩阵（一般认为是对称阵）
yUL (n) CHUL pUL (n) NUL
T yDL (n) = HUL CWsDL (n) + N DL = (CHUL )T WsDL (n) + N DL
令 He = CHUL
等效的信道效应仍然具有互易性，从而可以利用上行信道
接收端通过导频序列估计出系统等效上行信道响应，然后 基于信道互易性估计出系统等效下行信道响应。最后基于 等效下行信道响应进行波束赋形算法的计算，实现波束成 形技术。
3G网络（3rd-generation）
TD-SCDMA
TD-SCDMA由于采用时分双工，在一定的相干时间内，同 一个频带上的上行和下行信道特性基本一致，称作信道互 易性。因此，基站根据接收信号估计上行并转置得到下行 信道特性比较容易。 基站得到了下行信道信息之后可以根据波束赋形算法进行 预编码。 经过波束赋形后可以“跟踪”终端方位，并且可以“定向” 发送信号，可以提高基站接收的灵敏度，降低上下行的干 扰，因为降低了上下行的干扰，因此有助于提升系统的容 量。
0
时会获得期望信号的最大幅度增益
天线阵方向图
15天线均匀圆阵UCA，期望方向Az=45°，El=0°，理想情况 无互耦效应
天线阵方向图
信道互易性-互耦效应
信道互易性
假设上下行信道具有互易性，同时互耦矩阵满足对称性，
这样发方可以利用上行信道状态信息（ CSI ）通过波束成 形算法制定出下行的发送信息策略，同时又能避免互耦效 应带来的影响，在不增加反馈开销下达到最优的系统性能。
在基站估计出来上行信道之后可以利用信道互易性得到下 行信道：
H DL = H
T UL
上行信道矩阵与下行信道矩阵互为转置。
智能天线
智能天线
原名取自应用于雷达、声纳、军事方面完成空间滤波与定 位功能的自适应天线阵列，由天线阵列、波束成形网络以 及波束成形算法三部分构成。 用于更高效的利用无线频谱，提高系统容量。
姓名： 臧广达
3G网络（3rd-generation）
联通的WCDMA
电信的CDMA2000
移动的TD-SCDMA“中国标准”
被ITU批准的3G标准。 Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access。 频谱利用率、频率灵活性、对业务支持具有多样性及成本 等方面有独特优势。 起步较晚，技术不够成熟。 TD系统有一个特点：存在信道互易性。
利用天线阵列算法DOA（Direction of Arrival）能估计出信
号到达方向，从而带来很多的应用方向。
智能天线
智能天线应用了先进的 技术，把无线电的信号 导向具体的方向，使无 线电频谱的利用和信号 的传输更为有效。
天线阵模型
均匀圆阵模型
均匀线阵模型
天线阵模型
Text
均匀线阵 ULA
Text
研究拓展
研究拓展
智能天线的阵列处理一般假设不存在互耦效应作为前提。 而在实际情况下互耦效应给阵列处理带来的影响又是不可 忽视的。 我国自主知识产权的标注TD-SCDMA虽然采用TDD作为双
工方式，可以有效利用TDD系统中的信号互易性来提高系
统容量，但是TDD系统发展不够成熟，针对互易性国内外 研究较少。
谢谢！
均匀圆阵 UCA
波束成Fra Baidu bibliotek技术
波束成形技术
K 1 k 0
以均匀线阵为例
阵列因子Array Factor：表征 远场辐射模型，记为 F ( , )
F(θ) w H α(θ) e j ( K 1)(0 ) sin[ K (0 ) / 2] sin[( K d / )(sin 0 sin )] sin[(0 ) / 2] sin[( d / )(sin 0 sin )]
信道互易性 信道互易性是TDD系统的一大特色
1、功率控制要求降低。
可以用比较简单和占用资源较少的开环功率控制，同时功率控制周期也可 以增大。
2、利用传输预处理技术降低移动终端的处理复 杂性。 3、利于采用智能天线、发送分集等新技术改进 系统性能，同时可以采用简单的开环方式。
FDD系统必须要用复杂的闭环方案，同时性能也不如TDD中的开环方式好。
信道互易性
信道互易性
由移动端发往基站的上行信道可以表示为：
H UL
h11 h1 N h21 h2 N hN 1 hN N
u u t t
u
由于基站有很高的计算能力，所以经过信道估计之后可以 估计出上行信道。
信道互易性
信道互易性
互耦效应
互耦效应
在智能天线的阵列天线中，无论是均匀线性阵ULA还是均
匀圆阵UCA，阵列中的阵元都会吸收阵列中其他阵元所辐 射出的信号，这样就产生了每个阵元的电流并不完全是由 激励源或者接收信号电场引起的问题，这就是互耦效应带 来的影响。
互耦效应 互耦效应的表征：互耦矩阵（一般认为是对称阵）
yUL (n) CHUL pUL (n) NUL
T yDL (n) = HUL CWsDL (n) + N DL = (CHUL )T WsDL (n) + N DL
令 He = CHUL
等效的信道效应仍然具有互易性，从而可以利用上行信道
接收端通过导频序列估计出系统等效上行信道响应，然后 基于信道互易性估计出系统等效下行信道响应。最后基于 等效下行信道响应进行波束赋形算法的计算，实现波束成 形技术。
3G网络（3rd-generation）
TD-SCDMA
TD-SCDMA由于采用时分双工，在一定的相干时间内，同 一个频带上的上行和下行信道特性基本一致，称作信道互 易性。因此，基站根据接收信号估计上行并转置得到下行 信道特性比较容易。 基站得到了下行信道信息之后可以根据波束赋形算法进行 预编码。 经过波束赋形后可以“跟踪”终端方位，并且可以“定向” 发送信号，可以提高基站接收的灵敏度，降低上下行的干 扰，因为降低了上下行的干扰，因此有助于提升系统的容 量。
0
时会获得期望信号的最大幅度增益
天线阵方向图
15天线均匀圆阵UCA，期望方向Az=45°，El=0°，理想情况 无互耦效应
天线阵方向图
信道互易性-互耦效应
信道互易性
假设上下行信道具有互易性，同时互耦矩阵满足对称性，
这样发方可以利用上行信道状态信息（ CSI ）通过波束成 形算法制定出下行的发送信息策略，同时又能避免互耦效 应带来的影响，在不增加反馈开销下达到最优的系统性能。
在基站估计出来上行信道之后可以利用信道互易性得到下 行信道：
H DL = H
T UL
上行信道矩阵与下行信道矩阵互为转置。
智能天线
智能天线
原名取自应用于雷达、声纳、军事方面完成空间滤波与定 位功能的自适应天线阵列，由天线阵列、波束成形网络以 及波束成形算法三部分构成。 用于更高效的利用无线频谱，提高系统容量。