智能天线在TD—LTE中的应用分析(2)

　　由于接收天线接收的是所有用户信号的叠加，所以（1）式可表达为：

　　（3）

　　其中，η（t）为接收端的加性白噪声矢量。

　　因阵列具有方向性，据图1所示，通过对每个阵元加权wk，根据一定准则和信号检测要求，由阵列信号处理模块计算后，可得阵列加权合并矢量的波束赋形输出为：

　　（4）

　　式（4）是智能天线形成波束信号的基本模型，也是智能天线的技术基础。

　　2.2波束赋形技术

　　式（4）是阵列波束赋形的数学表达式，是阵列信号的预处理技术，其中的权值wk仅仅需要匹配信道的慢变化，如来波方向DOA（DirectionOfArrival）和平均路损。因此，在进行波束赋形时，也可以不必使用终端反馈所需的信息，而是在基站侧通过上行接收信号获得来波方向和路损信息，这既可减小空口传输负担，又能方便地得到计算权值的参数。另外，为了获得波束赋形增益，需要使用较多的天线单元，目前LTE中最多只可使用4个公共导频，无法支持在超过4副天线单元的天线阵列上使用波束赋形，因此波束赋形中还需要使用专用导频。

　　图2为波束赋形的基本原理流程：从天线阵列的上行信号获得DOA估计后，给天线权值控制器产生权值，再将权值反馈给天线阵列，由天线阵列形成赋形波束。显然，波束赋形过程中的关键问题可简单地表述为：（1）根据系统性能指标（如误码率、误帧率）的要求确定优化准则（代价函数，即权重矢量和相关参数的函数）；（2）采用一定的方法获得需要的参数；（3）选用一定的算法求解该优化准则下的最佳解，得到权重矢量值。

　　2.3自适应算法

　　众所周知，智能天线实际上是一项包括多种先进技术的系统工程，但它的核心技术是自适应算法。典型的算法有盲自适应和非盲自适应两大类。后者是基于训练序列的方法，如最小均方（LMS）法、递归最小方差（RLS）法和采样矩阵求逆（SMI）法等；前者是不用训练序列的方法，如基本DOA估计法、特征值恢复和解扩重扩法等，而常用的DOA估计法是直接利用（4）式延迟相加法。下面简单介绍几种算法。

　　（1）最小均方LMS算法：遵循最小均方差（MMSE）准则，根据（4）式，加权矢量迭代更新方法可表示为估计二次型表面（即误差平方）关于权值的梯度，将权值沿递度负方向移动一个步长常数，进而反复迭代，即：

　　估计输出：

　　误差形成：

　　系数更新：

　　其中，y（n）为已知期望响应样本，x（n）为接收信号矢量的采样样本，μ为步长。LMS算法的收敛速度和稳定性与输入信号x（n）的协方差矩阵的特征根分布密切相关，一般特征根散布不是很大时，LMS算法的收敛较快。

　　（2）递归最小方差RLS算法：该算法总是使从滤波器开始运行到目前时刻的总平方误差达到最小，与LMS算法不同，RLS遵循的准则是最小方差（LSE）。若设、、、，则有：

　　同时得到最小二乘误差的更新为：。

　　RLS算法的收敛情况与相关矩阵的特征值扩展无关，而与λ的取值有关（小于或等于1）。

　　3智能天线在TD-LTE中的应用

　　TD-LTE为智能天线应用进行了专门的标准化设计，定义了专门的传输模式。如3GPPR8支持的基于单端口5专用导频的传输模式TM7、3GPPR9支持的基于端口7和端口8专用导频的传输模式MT8，就分别支持单流波束赋形技术和双流波束赋形技术。根据3GPP协议，在LTE系统的eNodeB端，虽然FDD和TDD均采用专用导频来实现波束赋形，但对终端来讲，仅有TD-LTE终端强制性地要求必须具有解调波束赋形数据的能力。

　　实践证明，TD-LTE系统采用智能天线后，可提高系统的峰值速率、提升边缘用户吞吐量、提高小区覆盖范围。尤其是在智能天线与MIMO多天线结合后产生的双流波束赋形技术中，单用户的波束赋形可使单用户获得空间复用增益；在多用户波束赋形方式中，则可使系统获得多用户的分集增益。所以可以预见，智能天线技术在TD-LTE系统中的广泛应用，可明显地改善系统性能。

　　3.1TD-LTE中的波束赋形技术[2]

　　（1）单流波束赋形技术：LTER8定义的传输模式TM7支持基于专用导频的智能天线波束赋形，即单流波束赋形技术。在传输过程中，UE需要通过对专用导频的测量来估计波束赋形后的等效信道，并进行相干检测。为了能够估计波束赋形后的传输所经历的信道，基站必须发送一个与数据同时传输的波束赋形参考信号，这个参考信号是UE专用的，也叫UE专有导频，走天线端口5，用于传输模式7的业务解调。在图3所示的单流波束赋形流程中，层映射与预编码都只是简单的一对一的映射，后面生成的波束赋形当然也相对简单。

　　（2）双流波束赋形技术：在LTER9的规范中，专门定义了有端口7和端口8两个专用导频用于业务信道解调的传输模式TM8。同时还引入了新的控制信令和天线配置（8×2），将波束赋形扩展到了双流传输，实现了波束赋形与MIMO空间复用技术的结合，这就是双流波束赋形技术。双流波束赋形应用可分为单用户波束赋形和多用户波束赋形，图4所示是单流、双流单用户和双流多用户三种情况的波束赋形情况。

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