徐嘯濤，許 靜，楊大方

(1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，浙江杭州310053;2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作中心通信發(fā)明審查部，北京100190;3.上海貝爾阿爾卡特股份有限公司南京分公司移動業(yè)務(wù)部，江蘇 南京210037)

TD-LTE系統(tǒng)中短期波束賦形的研究

徐嘯濤1，許 靜2，楊大方3

(1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，浙江杭州310053;2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作中心通信發(fā)明審查部，北京100190;3.上海貝爾阿爾卡特股份有限公司南京分公司移動業(yè)務(wù)部，江蘇 南京210037)

TD-LTE系統(tǒng)中使用的波束賦型是一個較為復(fù)雜的命題。特征值波束賦形形式上是基于奇異值分解的。它包括短期和長期兩種形式，并且應(yīng)用在不同特征的信道中。首先描述了短期波束賦形的算法，尤其是集中在如何把該算法應(yīng)用在OFDM和TD-LTE系統(tǒng)中。然后闡述了短期波束賦形的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)，其中包括了一些基本概念的實現(xiàn)，SRS合路器和MAC層設(shè)計等。最后對其不同性能指標(biāo)給出了詳細(xì)的仿真，并且相應(yīng)得出了一些技術(shù)結(jié)論。

TD-LTE;波束形成算法;性能仿真;SRS合路器;時間相關(guān)

作為下一代移動通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)之一，TD-LTE改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接口技術(shù)，它同時也采用OFDM (正交頻分復(fù)用)和MIMO(多入多出)作為其無線接入演進(jìn)的最核心技術(shù)。目前多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)主要包括傳輸分集、空間復(fù)用、波束賦形以及多用戶MIMO技術(shù)。波束賦形是一種應(yīng)用于小間距的天線陣列的多天線傳輸技術(shù)，它的算法有多種，本文的研究內(nèi)容是基于較為簡單的特征值分解的EBB(Eigen based Beamforming)波束賦形算法。EBB算法通過對用戶空間相關(guān)矩陣進(jìn)行特征分解，找到最大特征值對應(yīng)的特征向量即為權(quán)矢量，從而實現(xiàn)波束賦形?；谔卣髦档牟ㄊx形(EBB)是來自SRS合成器的奇異值分解［1］。SRS的資源分配在時域和頻域上都具有合理的譜密度，并能夠同時支持多個UE的資源調(diào)度。因為基站需要獲得來自上行sounding信號的下行信道狀態(tài)信息(CSI)，所以基于特征值的波束賦形(EBB)對于信道的互易性而言是必須具有的。EBB波束賦形具體的實現(xiàn)方式可以分成兩種，一種是需要瞬時信道矩陣的短期EBB波束賦形，一種是基于平均信道矩陣的長期EBB波束賦形，它們的區(qū)別主要在于特征值分解用于瞬時還是平均信道相關(guān)矩陣。EBB波束賦形也是沿著信道最強(qiáng)方向傳輸所有可聚集的功率值(通過實施主要特征向量的相關(guān)矩陣值)。

1 短期波束賦形算法

1.1 算法假設(shè)

系統(tǒng)模型如下

假設(shè)發(fā)射端和接收端都有非常好的信道狀態(tài)信息，能夠應(yīng)用非常理想的Tx和Rx波束賦形轉(zhuǎn)移信號模型來對角在波束賦形矩陣U，H和V可以被確定作為信道相關(guān)矩陣的特征向量［3］

對于多個基于本征值波束賦形信號源而言，它能夠被執(zhí)行最大化信道容量。上述方程假設(shè)前提為在發(fā)射端能夠獲得瞬時CSI，每個傳輸信道傳輸是理想的。

1.2 應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)

具有路徑延遲的多路徑MIMO信道表達(dá)式如

具有循環(huán)前綴的OFDM信號，頻率選擇性信道演變成N frequency平通道(k是副載波標(biāo)記)

接收機(jī)協(xié)方差矩陣可以寫成

從上述公式可以看到，瞬時空間相關(guān)矩陣具有頻率選擇性且針對每個頻率的副載波不同。為系統(tǒng)實現(xiàn)的簡單性，能夠執(zhí)行基于子帶的短期EBB，而不通過假設(shè)具有子帶的信道扁平的子載波內(nèi)［6］。

1.3 應(yīng)用于TD-LTE系統(tǒng)

短期的波束賦形是需要SRS躍變、耗時，數(shù)十個TTI (傳輸時間間隔)等掃描整個帶寬。萬一信道快速變化，CSI將會快速過時。對于SRS的躍變，因為有限的終端發(fā)射功率和SRS容量限制(終端多路復(fù)用)，這是不可能產(chǎn)生的。在短期的波束賦形中，天線和終端之間是無法保持平衡的。它有2根Rx天線，但只有1根Tx天線，交替兩根終端的Tx天線將發(fā)出交替的sounding信息。在3GPP R8(不被大多數(shù)終端所支持)中天線開關(guān)也是可選的［2］。在一根Tx天線sounding信號中，只有一半的信道狀態(tài)信息(CSI)是可以獲得的。

對于子帶信噪比(SINR)，當(dāng)在子帶中新的sounding信號被收到后，短期波束賦形EBB將會被更新。對于信道協(xié)方差矩陣的子帶特征向量，當(dāng)在子帶中新的sounding信號被收到后，短期波束賦形EBB將會被更新。尤其是對于雙波束而言，在短期波束賦形中，兩個向量也是需要的。另一方面，具有雙天線參考信號的短期波束賦形EBB能夠促使雙天線sounding測量的產(chǎn)生，也能被用來產(chǎn)生既可用于單流也可用于雙流的預(yù)編碼器，也同時能夠支持增加的16PRB的sounding帶寬［8］。

2 軟件設(shè)計

2.1 基本的軟件嵌入算法

短期波束賦形使用瞬時信道向量來計算權(quán)重系數(shù)。假設(shè)短期波束賦形的頻率粒度是SPRBs，那么在當(dāng)前子幀上的空間協(xié)方差矩陣是由在子帶寬度(比如SPRBs)的平均值來計算的。

EVD可以被每個子帶所計算，即

子帶的波束賦形矢量可以由下式計算得

如果子帶大小與一個PRB值相等，那么可以避免進(jìn)行EVD計算，因為信道hi是一個列向量(由于只有一個Tx天線在上行)和Rs有rank=1，所以原理特征向量與規(guī)范化的信道向量hi是相等的，即

2.2 SRS合成器

如圖1所示，對于每個PRB到256 kbyte的DDR循環(huán)緩沖區(qū)而言，SRS合成器需要節(jié)省權(quán)重值。用來存儲短期波束賦形權(quán)重的最大空間是3 kbyte，SRS合成器需要分配256 kbyte，這意味著它能夠節(jié)省超過85個TTI，如果CDM值是3，這個緩沖區(qū)足以容納超過28個TTI。SRS寫權(quán)重的順序應(yīng)當(dāng)為1，5，2，6，3，7，4，8。并且SRS合成器也能發(fā)送消息到MAC層。

圖1 SRS合成器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 性能仿真和分析

3.1 仿真假設(shè)條件

目前，有許多種類型的波束賦形算法，如 EBB，DOA，EqualGain等。在EBB鏈路級性能仿真評估前，應(yīng)該首先清晰哪個信道模型應(yīng)該被使用，對這個可行性研究如何定義仿真參數(shù)和基本仿真假設(shè)等。對短期波束賦形可行性研究的方案假設(shè)，假定它是低速的移動性，單用戶，只有PDSCH，沒有PBCH，也沒有控制通道和同步信號，在這個基礎(chǔ)上，使用單收單發(fā)的SISO和雙收單發(fā)的SIMO(MRC)［4］。

3.2 性能仿真

設(shè)置了不同的子帶以查看短期波束賦形的頻率粒度。x PRBs意味著x PRBs有相同的波束賦形向量。在圖2中，明顯地對于短期波束賦形，在頻率選擇性信道中，越窄的子帶具有越好的仿真性能。但由于當(dāng)前的SRS信道估計算法局限性，只是支持一個子帶至少4 PRBs。對于今后的工作，如何突破SRS信道估計算法的局限性，使得一個子帶能支持更少的PRB，這也是值得繼續(xù)研究的課題之一。

圖2 在不同頻率粒度下的短期波束賦形仿真

圖3顯示了在不同場景下性能表現(xiàn)。從結(jié)果中可以看到，短期波束賦形可以在終端側(cè)兩根接收天線上提供大約6～7.5 dB的增益和在終端側(cè)一根天線上提供9～12 dB增益。整體而言，波束賦形在大角度散播時，性能將有更好的結(jié)果。它對于SRS的噪聲功率，也是相當(dāng)敏感的，特別是在小角度散播時。

圖4給出了在不同的特征向量反饋延遲時間和在不同終端移動速度下的性能結(jié)果值?？紤]到波束賦型反饋的延遲值，從圖3中仍然可以看到，對于19個TTIs，波束賦形性能仍然是可以接受的。所以能夠得到重要的結(jié)論是:只要SRS控制在20 ms內(nèi)，對于下行波束賦形而言，來自SRS獲得的CSI值仍然是有用的。對于SRS配置和下行調(diào)度器而言，這是非常有用的結(jié)論。

圖3 在不同的SRS場景下的短期波束賦形性能仿真

對于短期波束賦形，因為它使用了瞬時信道統(tǒng)計，因此對于UE的移動速度也相當(dāng)敏感。低的移動速度將會有更好的性能，這個結(jié)論在圖4所示的仿真中已經(jīng)得到了驗證。但即使在 120 km/h的速度下，相對于3 km/h移動速度下的SIMO仍然具有更好的性能［7］。這也同時驗證了另外一個結(jié)論，對于波束賦形的性能而言，天線收發(fā)的多少相對于移動速度更為重要。

圖4 短期波束賦形時間相關(guān)性的性能影響仿真

4 總結(jié)

相對于一般的下行波束賦形而言，短期波束賦形更適合不斷增加的多路徑(高角度傳播)和終端的低速移動性。它對頻率分辨率和信道快速變化性更加敏感。也可以通過增加SRS帶寬和減少周期值(12 PRB，2 ms的SRS周期性)來保持良好的短期波束賦形性能。只要SRS和PDSCH之間的延遲時間是在20 ms內(nèi)，那么對于下行短期波束賦形而言，來自SRS的瞬時信道狀態(tài)仍然是有效的［9］。

由于UE終端的天線不平衡的問題，例如更多的接收天線分集增益比發(fā)射天線要高。相對于波束賦形的其他特征而言，波束賦形的接收天線增益仍然相對較少，但還是能夠明顯地被監(jiān)測到。先進(jìn)的波束賦形性能值的優(yōu)劣極大地依賴于SRS配置，例如帶寬、周期性，還有需要與高層的RRM進(jìn)行協(xié)調(diào)等。

［1］劉文正，曹龍漢，杭小飛.LTE網(wǎng)絡(luò)接口的協(xié)議一致性測試研究［J］.電視技術(shù)，2011，35(23):59-60.

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Research of Short-term Beam form ing on TD-LTE System

XU Xiaotao1，XU Jing2，YANG Dafang3
(1.Department of Electrical and Electronic Engineering，Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Hangzhou 310053，China; 2.Communication Invention Examination Department，Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，SIPO，Beijing 100190，China; 3.Department of Mobile Service，Alcatel－Lucent Shanghai Bell Nanjing Branch，Nanjing 210037，China)

In this paper，amethod of license plate character recognition is presented based on the combination of Zernikemomentand wavelet transformation features.The beam-forming used in TD-LTE systems is a somewhatmore complex proposition.Eigenvalue-based beam-forming (EBB)is based on singular value decomposition.It’s included short-term BF and Long-term BF two methods and applied in different channel knowledge.Firstly，it describes short-term BF algorithm，especially focused on themethod how to apply for OFDM and TD-LTE system.And then make a SW designing implementation for short-term BF.It involves some basic idea of implementation，SRS combiner and MAC layer designing.Finally，the paper gives the detailed simulation for different performance index and gets some technical conclusion.Short term beam-forming for deployment scenarios iswith increasesmultipath(high azimuth spread)and low UEmobility.An advanced beam-forming that is based on instantaneous channel state can be represented as hybrid short-term and long-term beam-forming.An adaptive selection of dominant eigenvectors of the long-term correlation matrix be considered.

TD-LTE;beam-forming algorithm;performance simulation;SRS combiner;temporal correlation

TP929.53

B

徐嘯濤(1979—)，碩士，教師，工程師，主要研究方向為移動通信、軟件測試、物聯(lián)網(wǎng)等;

?? 盈

2014-01-23

【本文獻(xiàn)信息】徐嘯濤，許靜，楊大方.TD-LTE系統(tǒng)中短期波束賦形的研究［J］.電視技術(shù)，2014，38(23).

浙江省科技廳2013年公益技術(shù)研究工業(yè)項目(2013C31133)

許 靜(1980—)，女，碩士學(xué)位，審查員，工程師，主要研究方向為移動通信、光通信等;

楊大方(1983—)，工程師，主要從事移動通信射頻模塊的研究與開發(fā)。