徐皓 顏軍 李賓

【摘要】 介紹了智能天線的基本原理、常用算法以及在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，并提出了未來智能天線的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】 智能天線 TD-LTE

一、前言

頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）是無線通信系統(tǒng)的發(fā)展過程中的兩種基本的雙工方式。FDD是在兩個對稱頻率信道上進行接收和發(fā)送，用保護頻段來分離接收和發(fā)送信道。TDD用不同的時隙來分離接收和發(fā)送信道，其發(fā)射和接收的資源在時間上可以不連續(xù)的。TDD系統(tǒng)具有上下行信道互易性的特點，可更好的進行傳輸信道的預(yù)處理，便于智能天線（Smart Antenna）技術(shù)的使用。

智能天線（Smart Antenna）技術(shù)是在自適應(yīng)天線技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和軟件無線電技術(shù)結(jié)合形成的一門新技術(shù)。智能天線是具有一定程度智能性的自適應(yīng)天線陣列，已經(jīng)在3G網(wǎng)絡(luò)中使用，并且在目前的TD-LTE試驗網(wǎng)和商用網(wǎng)中，繼續(xù)得到發(fā)展與應(yīng)用。

二、智能天線的技術(shù)原理和算法

2.1 技術(shù)原理

智能天線是一種安裝在基站（e-NodeB）側(cè)的雙向天線，其原理是使天線主波束對準用戶信號到達方向（Direction of Arrival，DOA），旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，從而產(chǎn)生定向波束，達到充分利用有效移動用戶信號并刪除或抑制干擾移動信號的目的。

智能天線由陣元、加權(quán)和合并三部分組成接收電路。用戶發(fā)射信號經(jīng)過多徑信道衰減和延遲后，到達天線陣列各陣元的是所有發(fā)射信號及其各自延遲副本的組合疊加，設(shè)其為x（t）。如果對每個陣元定義權(quán)值wk，根據(jù)信號檢測要求和一定的準則，經(jīng)陣列信號處理計算，則陣列加權(quán)合并矢量的波束賦形輸出為：

y（t）=ωH（t）*x（t） （1）

式（1）是智能天線形成波束信號的基本模型。其中的權(quán)值wk與信道的慢衰落匹配，如來波方向DOA和平均路損。在TDD系統(tǒng)中，由于信道的互易性特點，在進行波束賦形時，可以不必使用終端反饋的CSI信息，而是根據(jù)基站上行的DOA和路損信息，準確估計出權(quán)值參數(shù)。智能天線算法的基本原理是從天線陣列的上行信號獲得DOA估計后，給天線權(quán)值控制器產(chǎn)生權(quán)值，再將權(quán)值反饋給天線陣列，由天線陣列形成賦形波束。

2.2 智能天線的算法

智能天線系統(tǒng)的核心是選擇高效的智能算法，通過算法自適應(yīng)地得到各天線陣元的權(quán)值。它先借助參考信號得到各天線陣元的估計信道，然后根據(jù)一些準則使用估計信道確定陣元的權(quán)值，最后用賦形向量對每通道的信號進行加權(quán)，從各自的天線陣元發(fā)送出去，這樣發(fā)送出去的信號的波形就具有一定的方向性，從而達到充分利用有效信號和抑制干擾信號的目的，達到空間域濾波的作用。

目前在TD-LTE系統(tǒng)使用最多的智能天線的算法是EBB（Eigenvalue Based Beamforming）算法，其基本原理如下：假設(shè)發(fā)端有nt根發(fā)射天線。波束賦形的過程是：在發(fā)端，一路數(shù)據(jù)流等功率地復(fù)制為nt路子流，每路子流分別使用波束賦形權(quán)值進行加權(quán)后從各自對應(yīng)的發(fā)射天線發(fā)射出去。這樣發(fā)射出去的信號的波形就具有特定的方向性，從而達到空間濾波的作用。假設(shè)收端使用根接收天線對這路數(shù)據(jù)流進行接收檢測。則在第k個子載波上，可估計出nt×nt的頻域響應(yīng)矩陣，根據(jù)矩陣特征值和特征向量的理論，可以計算出該矩陣的特征向量，并利用特征向量作為發(fā)射天線陣列的權(quán)值向量。

在實際系統(tǒng)中，由于下行信道估計的限制，一般相鄰的若干子載波的數(shù)據(jù)流使用相同的加權(quán)向量。

三、智能天線在TD-LTE中的應(yīng)用

TD-LTE系統(tǒng)中使用了多天線MIMO（Multiple input and multiple output）技術(shù)。將MIMO技術(shù)與智能天線技術(shù)相結(jié)合，進一步提高了TD-LTE系統(tǒng)的容量和抗干擾能力。目前TD-LTE系統(tǒng)支持的智能天線技術(shù)主要有單流波束賦形技術(shù)和雙流波束賦形技術(shù)。

3.1 單流波束賦形

單流波束賦形技術(shù)在LTE R8中的傳輸模式TM7定義，支持基于專用導(dǎo)頻的智能天線波束賦形。在傳輸過程中，UE需要通過對專用導(dǎo)頻的測量來估計波束賦形后的等效信道，并進行相干檢測。為了能夠估計波束賦形后的傳輸信道，基站必須發(fā)送一個與數(shù)據(jù)同時傳輸?shù)牟ㄊx形參考信號，用于傳輸模式TM7的業(yè)務(wù)解調(diào)。單流波束賦形的流程中，層映射與預(yù)編碼都是一對一的簡單映射。單流波束賦形的示意圖如圖1所示。

3.2 雙流波束賦形

雙流波束賦形在LTE R9的規(guī)范中的傳輸模式TM8定義，支持兩個專用導(dǎo)頻用于業(yè)務(wù)信道解調(diào)。同時還引入了新的控制信令和8×2天線配置，將賦形波束擴展為雙流傳輸，實現(xiàn)了波束賦形與MIMO空間復(fù)用技術(shù)的有效結(jié)合。雙流波束賦形應(yīng)用可分為單用戶波束賦形和多用戶波束賦形。

（1）單用戶雙流波束賦形。由基站測量上行信道，得到上行信道狀態(tài)信息后，基站根據(jù)上行信道信息計算兩個賦形矢量，利用該賦形矢量對要發(fā)射的兩個數(shù)據(jù)流進行下行賦形。采用單用戶雙流波束賦形技術(shù)，使得單個用戶在某一時刻可以進行兩個數(shù)據(jù)流傳輸，同時獲得賦形增益和空間復(fù)用增益，獲得比單流波束賦形技術(shù)更大的傳輸速率，進而提高系統(tǒng)容量。雙流單用戶波束賦形的示意圖如圖2所示。

（2）多用戶雙流波束賦形。由基站根據(jù)上行信道信息或UE反饋的結(jié)果進行多用戶匹配，完成多用戶匹配后，按照特定的準則生成波束賦形矢量，利用得到的波束賦形矢量為每一個UE、每一個流進行賦形。多用戶雙流波束賦形技術(shù)利用了智能天線的波束定向原理，實現(xiàn)了多用戶的空分多址（SDMA）。雙流單用戶波束賦形的示意圖如圖3所示。

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)將智能天線的波束賦形技術(shù)與MIMO技術(shù)結(jié)合，充分發(fā)揮了空間分集、空間復(fù)用的作用。具有擴大覆蓋，提高系統(tǒng)容量，降低干擾的能力，成為了TD-LTE系統(tǒng)的核心技術(shù)。

四、TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中智能天線的發(fā)展趨勢

隨著TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的演進，智能天線將會朝著情景化、小型化、寬帶化、集成化的方向發(fā)展；同時，智能天線的算法也將進一步優(yōu)化，向精確賦形的方向發(fā)展。

情景化是指既要外形美觀，又要適應(yīng)具體環(huán)境特點的波束賦形。小型化是指用介質(zhì)諧振器代替?zhèn)鹘y(tǒng)天線陣列的介質(zhì)型智能天線，如微帶陶瓷天線單元的小型化智能天線。寬帶化是指工作頻段可覆蓋多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)頻段，如同時支持A頻段、F頻段和E頻段。集成化是指可與基站主設(shè)備集成的共塔型智能天線。

智能天線精確賦形是指利用智能化的算法和現(xiàn)代信號處理技術(shù)，提高智能天線波束追蹤用戶的準確度，進一步增加覆蓋，提高容量。

總之，TD-LTE系統(tǒng)智能天線的智能特征將會越來越高。

五、結(jié)論

本文結(jié)合TDD系統(tǒng)信道互易性的特征，介紹了智能天線的基本原理和算法，以及在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，說明了TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中使用智能天線，可以擴大覆蓋、提高容量和降低干擾，最后給出了未來TD-LTE智能天線的發(fā)展方向。

參 考 文 獻

[1] 劉光毅等. 智能天線及其在TD-LTE中的應(yīng)用[A]. 電信科學(xué). 2009.12

[2] 戴源等. TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計 人民郵電出版社[A]. 2012.4

[3] 張長青. 智能天線在TD-LTE中的應(yīng)用分析[A]. 移動通信 2012.24