趙 昆 ,蔣智寧

(上海貝爾股份有限公司,上海201206)

在無線通信系統(tǒng)中,基站通過使用波束成形(Beam Forming)技術(shù)提升系統(tǒng)性能[1]。根據(jù)信道互易性,基站可以通過估計終端上行發(fā)送信號獲得信道狀態(tài)信息(CSI),用其計算波束成形的加權(quán)。因此,CSI的準(zhǔn)確性對波束成形性能會產(chǎn)生影響,文獻[2]對無編碼的窄帶多輸入單輸出(MISO)系統(tǒng)中的不理想CSI進行了理論分析。

然而,無編碼的窄帶MISO系統(tǒng)并不完全符合實際無線通信系統(tǒng)的特性,如長期演進(LTE)系統(tǒng)就是有信道編碼的寬帶正交頻分復(fù)用(OFDM)多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)[3]。為了指導(dǎo)實際系統(tǒng)的設(shè)計,本文定性分析了LTE中導(dǎo)致信道互易性不理想的主要因素,并定量分析了該因素對波束成形增益的影響。

1 系統(tǒng)模型

考慮發(fā)送機有M根天線、接收機有 N根天線的下行多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng),基帶信號表達式為其中,r是N×1的接收信號矢量,HDL是N×M的下行信道矩陣,w是M×1的波束成形權(quán)重矢量,s是1×1的發(fā)送數(shù)據(jù),n是N×1的接收噪聲矢量。

根據(jù)信道互易性原理,w需要根據(jù)上行CSI計算得到的。假設(shè)上行CSI是理想的,那么有

由文獻[4],對 HUL做奇異值分解(SVD)即可以得到w。

2 問題分析

在LTE系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化過程中,對上行和下行的峰值速率提出了不同的要求。如文獻[5]所給出的,在20 MHz的系統(tǒng)中,子幀結(jié)構(gòu)1下,下行2發(fā)2收的系統(tǒng)要達到172.8 MHz的速率,而上行只要達到86.4 MHz。這說明LTE的上行終端發(fā)送天線只需要1根就可以達到標(biāo)準(zhǔn)化的要求,而下行最少需要2根終端接收天線才可以達到要求。因此,LTE的終端發(fā)送是小于接收天線個數(shù)的。

同時,LTE系統(tǒng)的上行CSI是通過對上行參考信號的信道估計來獲取的,而信道估計帶來的誤差隨著接收信噪比(SNR)的變小而變大。需要說明的是,雖然上行有功率控制,但是當(dāng)終端發(fā)送功率達到最大,功控就不能補償路損,上行的SNR會隨著路損的變大而變小。

綜上,終端收、發(fā)天線不對稱和基站信道估計誤差這兩個因素,均使得公式(2)不能滿足,導(dǎo)致信道互易性不理想。

3 數(shù)值仿真

采用基站8發(fā)、終端2收的LTE系統(tǒng),8根基站發(fā)送天線為交叉極化天線,如圖1所示,其中天線間距是0.5倍波長。終端2天線采用了兩種模型,一種是交叉極化,另一種是垂直極化且間距0.5倍波長。信道模型采用IMT-A的城區(qū)宏基站直射徑(Urban Macro LOS)模型[6]。終端上行發(fā)送天線只有1根,通過上行信號基站獲得CSI并采用SVD分解獲得波束成形權(quán)重。

圖1 LTE基站8天線示意圖Fig.18 antennas in LTE base station

為了量化波束成形增益,在LTE的終端中分別測量小區(qū)級參考信號(Cell-specific Reference Signal)的參考信號接收功率(RSRP)和用戶級參考信號(UE-specific Reference Signal)的RSRP,由于小區(qū)級參考信號沒有使用波束成形,而用戶級參考信號使用了波束成形,通過兩種參考信號的RSRP的差值可以體現(xiàn)波束成形帶來的增益。理論上8天線的增益是10lg8=9 dB。

在LTE下行傳輸模式7中通過固定下行的SNR、改變上行的SNR來分析波束成形增益的變化,如圖2所示。當(dāng)上行SNR取10 dB即一般的上行功控目標(biāo)值的時候,波束成形增益達到最大值,但是,由于終端收、發(fā)天線不對稱,基站不能獲得完整的CSI,所以最大的波束成形增益在兩種終端天線配置下均小于理論值9 dB。當(dāng)終端天線配置為垂直極化的時候,由于兩根天線相關(guān)性高,因此即使基站只得到其中1根天線的CSI,所產(chǎn)生的波束也可以有效覆蓋另外1根天線,因此最大波束成形增益達到8 dB,只損失了1 dB。但是當(dāng)終端天線配置為交叉極化即相關(guān)性低的時候,最大波束成形增益只能達到5 dB,因為沒有發(fā)送數(shù)據(jù)的那根終端天線基本沒有增益。這說明收、發(fā)天線的不對稱性使波束成形增益不能達到理論值,對天線相關(guān)性低的終端,更加需要改進收、發(fā)天線的不對稱情況。

圖2 波束成形增益與上行SNRFig.2 Beam forming gain with uplink SNR

隨著上行功率控制失效,也就是終端滿功率發(fā)送還不能補償路損的時候,SNR下降,從圖2中可以看出,波束成形增益會隨著SNR一起下降。這說明當(dāng)功率控制和小區(qū)規(guī)劃都不能保證合適的SNR工作范圍的時候,需要增強波束成形算法對信道估計誤差的魯棒性來獲得比較理想的波束成形增益。

4 結(jié) 論

本文建立了MIMO系統(tǒng)互易性模型,結(jié)合LTE定性分析了造成信道互易性不理想的兩方面原因,即終端的收、發(fā)天線個數(shù)不對稱和基站信道估計誤差。針對波束成形增益這個指標(biāo),定量分析了當(dāng)信道互易性不理想時,波束成形性能受到的影響。該結(jié)果可以用于指導(dǎo)現(xiàn)有系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和測試工作。

在此基礎(chǔ)上,提出了兩點改進波束成形性能的思路:一是保證終端的收、發(fā)天線個數(shù)是相等的,二是增強波束成形算法的魯棒性。對于改進思路,還需要后續(xù)的研究來量化對性能的提升。同時,隨著對LTE商用化網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,還可能會遇到其他對信道互易性產(chǎn)生影響的因素。

文中的分析方法和思路較為通用,因此容易推廣到其他基于信道互易性設(shè)計波束成形的無線通信系統(tǒng)。

[1]Godara L C.Applications of Antenna Arrays to Mobile Communications,Part I:Performance Improvement,Feasibility,and System Considerations[J].Proceedings of the IEEE,1997,85(7):1031-1060.

[2]趙昆,周寶龍,胡波,等.TDD系統(tǒng)中不準(zhǔn)確的CSI對MISO傳輸?shù)挠绊慬J].電訊技術(shù),2009,49(2):1-4.ZHAO Kun,ZHOU Bao-long,HU Bo,et al.Impact of Imperfect Channel State Information on MISO Transmission in TDD Systems[J].Telecommunication Engineering,2009,49(2):1-4.(in Chinese)

[3]3GPP 36.211 v10.4.0,Physical Channels andModulation[S].

[4]Telatar E.Capacity of multi-antenna Caussion channels[J].European Transactions on Telecommunication ETT,1999,10(6):585-596.

[5]3GPP 25.912 v8.0.0,Feasibility study for evolved Universal Terrestrial Radio Access[S].

[6]3GPP 36.814 v9.0.0,Further advancements for E-UTRA physical layer aspects[S].