智能天线及其在TD-LTE中的应用

·接收端根据信道估计得到信道信息； ·按照某种准则从码本中选取最优的预编码码字： ·将该码字的序号反馈给发射端： ·发射端根据反馈的序号从码本中选取相应的预编
码码字进行预编码操作。 智能天线（ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ，也叫ｓｍａｒｔ ａｎｔｅｎｎａ）技术的研 究开始于２０世纪６０年代，最初广泛地应用于雷达、声纳 及军事通信领域，其在蜂窝移动通信系统中的应用开始
其中，珥．１［Ｉｉ｝】表示第ｉ根发送天线到第ｊ根接收天线
在第ｋ个子载波上的频域响应。根据信道矩阵Ｈ［ｋｌｔｔ算 信道相关矩阵Ｒ。＝胪雎Ⅳ嘲；对尺Ⅳ进行特征值分解，可
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＾。
以得到尺Ⅳ：，ＩＩⅡ一Ｉ“＋艺Ａ埘脚尹，其中Ａｌ是最大特征值，
ｉ＝２
嘶＝ｐ，口卜．‰ｒ是最大特征值对应的特征向量。在第ｋ个
子载波上，这路数据流使用Ｉ‘。作为加权向量进行加权，使 得这路数据流的发送信号指向珥根接收天线。第ｉ根发送 天线在第％个子载波上发送的数据茗肚】铆ｉｓ［ｋｌ；９Ｉｔｌ ｎＴ根接
三玛８曼
万方数据
电信科学２００９年第１２燧
图３基于码本的Ｐｒｅｏ她
于ＰＨＳ和１７）．ＳＣＤＭＡ。智能天线利用数字信号处理技术 和信号传输的空间特性。通过调整各天线阵元上发送信 号的权值．产生空间定向波束．将无线电信号导向具体的 方向。使天线的主波束自适应地跟踪用户主信号到达方 向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向．达到充分高效利 用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。智能天 线相当于空间滤波器，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。
ＵＥ
发送公共导频
通过公共导频获得ＣＱＩ
基于预编码矩阵和ＣＱＩ 计算各个子带ＭＣＳ
调度和确定预编码向量
预编码操作 发送专用导频
◆
反馈ＣＱＩ
。。‘。。。————Ｔ‘‘‘。。‘——１一
ｌ
＿＿＿＿＿·＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿－Ｊ－＿。＿。，。。＿＿·＿＿＿＿＿＿＿＿＿一 发送上行解凋导频和
使用专用导频解调数据 符号
方向性，从而达到空间滤波的作用。假设接收端使用ｎＴ根 接收天线对这路数据流进行接收检测。在第ｋ个子载波
上．频域信道矩阵可以表示为：
Ｈ¨嘲Ｈｌ＇２嗍…ＨＩ＾【｜｜｝】
日２．１嘲Ｈ２．２嘲…Ｈ２＾Ｍ ｎ［ｋ］－－
∈Ｒ鸺
（１）
Ｈ～ｉ［ｋ】Ｈ～２［ｋ】…Ｈ～。。嘲
至强匿墨
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．关键词ＴＤ．ＬＴＥ；信道互易性；智能天线，
１ 引言
在无线通信系统的发展过程中，出现了两种最基本 的双工方式，频分双工（ＦＤＤ）／阳时分双工（ＴＤＤ）。ＦＤＤ是 在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送。用保护 频段来分离接收和发送信道。ＦＤＤ必须采用成对的频率． 依靠频率来区分上下行链路，其单方向的资源在时间上 是连续的。对于ＦＤＤ系统，上下行信道分别占用不同的频 率独立通信，且为了避免上行和下行链路之间的干扰，在 上行和下行之间设一定的保护间隔（双工间隔），如图１ 所示。对于ＦＤＤ系统，系统的部署需要成对的频率．以便 能同时支持上行和下行。
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智能天线及其在ＴＤ—ＬＴＥ中的应用
刘光毅，张勇。姜大洁，王启星 （中国移动通信研究院北京１０００５３）
智能天线在基站进行各天线间的相干发送，实现信号的定向发送，可以提高信号的强度和覆 盖，从而提升系统的整体性能。对于ＴＤＤ系统，由于上下行信道共享同一发送频率，在相干时间 内，可以认为上下行链路的信道互易，即信道经历相同的衰落。ＴＤＤ系统可以利用上下行信道 的互易性，采用智能天线技术对ＬＴＥ．Ａ的整体性能进行增强。本文介绍智能天线技术在 ＴＤ．Ｌ１限系统中的应用及其性能。
ＴＤＤ用时间来分离接收和发送信道。在ＴＤＤ方式
的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率载波的 不同时隙作为信道的承载，其单方向的资源在时间上是 不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。某个时 间段由基站发送信号给移动台．另外的时间段由移动 台发送信号给基站。基站和移动台之间必须协同一致 才能顺利工作。７ＩＤＤ双工方式的工作特点使ＴＤＤ具有 如下优势：能够灵活配置频率．使用ＦＤＤ系统不易使用 的零散频段：可以通过调整上下行时隙转换点。提高下 行时隙比例，很好地支持非对称业务；具有上下行信道 一致性，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，降 低了设备成本：不需要ＦＤＤ双工器，降低了设备的复杂 度：具有上下行信道互易性，能够更好地采用传输预处 理技术，如智能天线技术等，能有效地降低移动终端的
根据各个ＵＥ反馈的各个子带上的ＣＱＩ进行下行调度，确
定下行发送的用户的资源分配和发送格式，并发送下行控
制信令通知ＵＥ的下行传输格式：接着ｅＮＢ根据各ＵＥ发 送的Ｓｏｕｎｄｉｎｇ信息进行各用户在各个子带上的智能天线 向量的估计和确定，并发送数据包和下行公共导频；最后 ＵＥ根据控制信令包含的砌和ＭＣＳ（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｄｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ，调制编码方案）等信息，对数据包进行接收、解调 和译码。 ３．２ ＥＢＢ的性能
收天线在第ｋ个子载波上接收的数据向量可以表示为：
Ｒ【七】＝丑陋】Ⅱ－ｓ陋】＋，ｌ【Ｊ｝】＝日陋ｂ陋】＋ｎ陋】
（２）
其中Ｈ陆】是等效的信道矩阵，有如下关系：
圩“【Ｉ｜｝】Ｈ【＆】＝ｕ１．／／”陋】日晴】ｕｌＡｌ
（３）
珥根接收天线接收的信号进行最大比合并可以表示为：
ｆ【Ｊ｜｝】．曰ｍ】ＲⅢ：Ａ。虹Ｉ｜｝】＋露Ｈ【枷【七】
本文基于ＴＤＤ系统的信道互易性．介绍和研究 ＴＯ．ＬＴＥ系统中智能天线的应用及其性能。
２智能天线原理
对于ＦＤＤ系统，由于上下行的信道不具有互易性。为 了实现闭环的ＭＩＭＯ方案，需要终端对下行的ＣＳＩ进行 反馈。对于上行ＣＳＩ，如果完全对信道矩阵进行量化后反
馈，则需要消耗大量的上行资源，如果用户数很多，则很 可能完全消耗掉上行资源。对于ＦＤＤ系统的ＣＳＩ反馈．需 要折衷考虑反馈的开销和反馈的精度。基于这个原则， ３ＧＰＰ制定了一种基于码本的Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ的闭环ＭＩＭＯ方 案。其基本原理就是基于ＭＩＭＯ信道的特性．预先定义一 组Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ的码本，每个终端根据下行导频估计下行信 道的ＣＳＩ。并结合预先定义的码本集．计算使得下行接收 信噪比最大的码本。并将其在码本集中的索引号和能够 支持的调制编码方式反馈给基站。基站根据这些信息完 成下行的Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ的发送。基于码本的Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ的原理 如图３所示，具体的流程和步骤如下。
≯
／
波
束
接
赋
形
收 机
一，
图４智能天线
ＣＳＩ的匹配精度有限，获得的性能较前者要差。 ３ ＥＢＢ算法
在智能天线的众多算法中，基于特征波束赋形的
ＥＢＢ算法是目前在１３）．ＳＣＤＭＡ和ｒＩＤ．ＬＴＥ中应用最广的， 其基本原理如下。
假设发送端有，ｌｔ根发送天线。波束赋形的过程是：在．
发送端，一路数据流等功率地复制为，ｌＩ路子流，每路子流 分别使用波束赋形权值进行加权后从各自对应的发送天 线发送出去。这样发送出去的信号的波形就具有一定的
（４）
在实际系统中，由于下行信道估计的限制，相邻的若干
子载波的数据流使用相同的加权向量，如１个ＲＢ的所有资
源单元的数据流使用其中一个子载波信道矩阵得到的ｕ，。
３．１ ＥＢＢ在ＴＤ．ＬＴＥ中的应用
在１＇１３．ＬＩＥ系统中．智能天线技术得到了充分的应
用，使得１３）．ＬＴＥ系统的性能相对于Ⅱ）Ｄ Ｌ１［Ｅ有比较明显
２ ０００ ＩＳＤ（ｍ）
２ ５００
３ ０００
３ ５００
图８智能天线对数据覆盖能力的增强
单双流自适应并不能带来额外的增益。 图８给出了８ｘ２ ＥＢＢ相对于基于码本的２也Ｐｒｅｅ嘎ｔｉｎｇ
的小区边缘覆盖能力的对比。对于同样的小区半径，ＥＢＢ 可以获得远大于基于码本的２ｘ２ Ｐｒｅｅｃｘｔｉｎｇ的小区边缘性 能。在同样的小区边缘性能条件下，ＥＢＢ的覆盖半径可以 大幅度提高。
图６和图７给出了ＴＤ．ＬＩＥ系统中８ｘ２ ＥＢＢ的单流 和单双流自适应的平均吞吐量和小区边缘频谱效率性能 的对比。从结果可以看出，单流ＥＢＢ和单双流自适应ＥＢＢ 相对于基于码本的２ｘ２ Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ方案分别有１７％和 ３８％的平均频谱效率的增益。在小区边缘频谱效率上，单 流ＥＢＢ和双流ＥＢＢ的性能提升相当，相对于基于码本的 ２ｘ２ Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ有７０％的增益。由于双流ＥＢＢ仅使用在高 信噪比的条件下．而小区边缘频谱效率主要决定于信噪比 低的小区边缘用户。这些用户使用双流的概率很小，所以
参考文献
１ ３１：ＰＰ Ｔ１１ ２５．８１４．ＰＩｌｙ５ｊｃａＩ ｌａｙｅｆ ａｓｐｅｄ８ ｆｏｒ ｅｖｏｌｖｅｄ ｌｌＩｌｉｖ哪面
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２ ３ＧＰＰ ＴＲ ２５．９１３．ｍｑｕｉｒｅ咖恒ｆｏｒ ｅｖｏｌｖｅｄ Ｉ册＾Ｏ¨兀＇Ｉｌ＾）ａｎｄ
４结束语
ＴＤＤ由于其上下行信道共享同样的发送频率，在相干 时间内，其上下行链路的ＣＳＩ可以认为是相同的。基于此， 可以在ＴＤＤ系统中充分利用智能天线技术对系统性能进 行增强。从ＥＢＢ波束赋形在ＴＩ）．ＬＴＥ中的应用可以看出， 智能天线相对于基于码本的１Ｓｅｅｄｌｉｎｇ方案，可以在很大程 度上提高系统的整体性能，包括吞吐量和覆盖。同时，智能 天线技术的应用性能在很大程度上取决于ＴＤＤ信道互易性 的获得，从目前在ＴＤ．ＬＴＥ的应用来分析，ＴＤＤ信道互易性 的获得基本可以保证．其对智能天线的性能的影响并不明 显．智能天线的性能在ＴＤ．ＬＴＥ系统中基本可以保证。
具体而言。智能天线将在以下方面提高未来移动通 信系统性能：扩大系统的覆盖区域；提高系统容量；提高 频谱利用效率；降低基站发射功率，节省系统成本，减少 信号问干扰与电磁环境污染。
从原理上分析，对比基于码本的Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ和基于信 道互易性的智能天线。可以看出智能天线能够比较精确 地获得信道的ＣＳＩ．并基于此完成赋形向量的确定。所以 可以获得更好的性能。对于基于码本的Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ，由于能 够反馈的码本数目有限，所以Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ的码本与信道
的提高。ＴＩ）－ＬＴＥ系统中智能天线的实现流程如图５所示。
首先，ｅＮＢ发送公共导频．ＵＥ通过下行公共导频估计
出ＣＱＩ（ｃｈａｎｎｅｌ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ，信道质量指示）消息和信 道矩阵Ｈ：然后ＵＥ根据Ⅳ进行智能天线增益的计算，并
且对各个信道子带上的ＣＱＩ进行修正并按一定的准则反
馈给ｅＮＢ；同时．ＵＥ发送上行Ｓｏｕｎｄｉｎｇ信息给ｅＮＢ；ｅＮＢ
万方数据
图１ ＴＤＤ和ＦＤＤ双工方式的对比
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图２信道状态信息的获得对ＭＩＭＯ容量的影响
处理复杂性。 对于ＴＤＤ系统，由于上下行信道使用同样的频率．仅
靠不同的时间来区分上下行，那么根据通信理论．在相干 时间内，可以认为上下行信道经历的衰落是相同的．即上 下行的信道可以互易。对于ＭＩＭＯ（ｍｕｌｆｉｐｌｅ ｉｎｐｕｔ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｏｕｔｐｕｔ）技术，可以充分利用ＴＤＤ带来的信道互易性。发掘 ＭＩＭＯ信道的容量，获得最大的性能增益。在ＭＩＭＯ系统 中，信道状态信息（ｃｈａｎｎｅｌ ｓｔａｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＣＳｌ）的获得对 获得的ＭＩＭＯ信道容量至关重要，如图２所示，发射端已 知信道状态信息（ＣＳｆｆ）比接收端已知信道状态信息 （ｃｓＩａ）要获得更高的容量，发送端配置的天线数越多．二 者的差异越大。
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图５智能天线的实现流程
图６智能天线的平均吞吐量性能
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万方数据
图７智能天线的小区边缘性能
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智能天线系统的核心是智能的算法．通过算法自适 应地得到各天线阵元的加权系数．进而得到所需空问域 滤波的作用。它先借助参考信号（导频序列或导频信道） 得到各天线阵元的估计信道，然后使用估计的信道按照 一定准则（如迫零准则、最小均方误差准则等）确定各天 线阵元的加权值，最后每通道的信号使用赋形向量加权 后从各自的天线阵元发送出去。这样发送出去的信号的 波形就具有一定的方向性。从而达到充分利用有效信号 和抑制干扰信号的目的（即空间域滤波的作用）。