TD-LTE系統中基于碼本的快速波束賦形算法*

曾召華，邵 健

(西安科技大學 通信與信息工程學院,陜西 西安 7100540)

TD-LTE作為我國自主提出的3G系統(TD-SCDMA)標準的演進技術，具有以下特征：(1)提高了通信速率和頻譜效率；(2)QoS(Quality of Service)保證，擴展業務的提供能力，以更低的成本、更佳的用戶體驗提供更多的業務；(3)系統帶寬配置更靈活；(4)明確提出系統在支持高速移動的基礎上，需要考慮為低速用戶提供優化條件，同時改善小區邊緣用戶的吞吐量[1]。

多天線技術作為LTE系統關鍵技術之一，能夠給系統帶來有效的分集增益和陣列增益[2-3]。波束賦形是一種基于天線陣列的信號預處理技術，其工作原理是利用空間信道的強相關性及波的干涉原理產生具有一定方向性的輻射圖，使輻射方向圖的主瓣自適應地指向用戶，從而提高信噪比，獲得明顯的陣列增益。波束賦形的目的是擴大信號覆蓋范圍、改善邊緣吞吐量及抑制干擾。目前，3GPPR10版本協議定義了9種發射模式，其中模式 7、8和 9是波束賦形[4-5]。

TDD系統具有上下行信道互異性,參考文獻[6-8]研究了基于上行參數的波束賦形方法，通過對用戶空間相關矩陣進行特征分解，以找到最大特征值對應的特征向量作為權矢量，從而實現波束賦形。但該類算法運算中涉及復雜的矩陣分解求逆等運算。參考文獻[9]研究了基于對角加載奇異值分解的波束形成算法，在一定程度上降低了波束賦形復雜度，但其計算量仍然較大。由于無線信道環境往往變化迅速，因此實現系統下行波束賦形不僅要考慮賦形效果，而且還要考慮賦形的處理速度。怎樣有效高效地產生波束賦形權值來匹配信道的變化，從而提高系統的吞吐量，成為衡量波束賦形算法的唯一標準。

1 系統模型

端口5是LTE協議中定義用來支持單流波束賦形，單個端口的數據可以加權映射到多個物理天線上傳輸[9]。基站發送端從上行探測導頻(Sounding)估計出信道信息，然后根據用戶信道信息計算出對應的波束賦形權值矩陣。基站在發射端對數據先加權再發送，形成窄的發射波束，將能量對準目標用戶，TD-LTE系統8天線波束賦形處理流程如圖1所示。

圖1 TD-LTE系統8天線單流波束賦形處理流程

基站側發射信號為s，則UE的接收信號矢量為:

其中，H為下行MIMO信道，W為波束賦形的信號加權矩陣，n為加性高斯白噪聲。

根據接收功率最大化原則,對于單流波束賦形，可得到最優化的加權向量矩陣為:

其中，Wo為WHHHHW使最大化的W。

2 基于SVD分解的波束賦形基本原理

用戶空間相關矩陣最大特征值對應的特征向量，也即為信道矩陣最大奇異值對應的奇異向量。因此最佳權向量可以通過對信道矩陣奇異值分解(SVD)來實現。

其中SVD分解操作如下：假設發送天線的數目為M，接收天線的數目為N，則空間矩陣H的維數為N×M，空間信道矩陣H的SVD分解為：

其中，U=[u1,u2,…,uM]是 N×N維的左奇異矩陣，V=[v1,v2,…,vM]是M×M維的右奇異矩陣，Σ是N×M維的對角陣，對角元素 σ1≥σ2≥…≥σn為奇異值，n是 M、N中的最小值。采用右奇異列向量作為波束賦形加權矢量。U和V都是酉矩陣，通常采用酉矩陣V作為波束賦形權值，且為最優。

3 基于碼本的波束賦形算法

3.1 TD-LTE 8天線碼本設計

其中，φk=ej2πk/16,k=0,1,…,15

i=0,1,…,15，j=0,1,…,15，碼本選擇一共有 16×16×16=4 096個。

3.2 TD-LTE 8天線碼本搜索方法

對波束賦形權值碼本進行搜索，當權值顆粒度m=1 RB，為了簡化搜索空間，本文采用在 i、j、k 的 3×16 個碼本中搜索:

搜索16次，得到 I1；其中,index1是 port0對應的 4天線；

搜索16次，得到 J1；其中,index2是 port1對應的 4天線；

搜索 16次，得到 K1；此時，獲得權值 PMI序號 PMI1(I1,J1,K1)；

當權值顆粒度m＞1 RB，搜索時使用的信道估計取平 均 值計 算 如 式(11)。

權值碼本搜索過程同上，這里不再重復。其中，H(1)為每RB上的信道估計值。

4 系統級仿真

本節中的相關仿真參數按照3GPP LTE協議進行配置。

4.1 仿真條件

TD-LTE系統單流波束賦形仿真參數如表1所示。

表1 TD-LTE系統單流波束賦形仿真參數

4.2 仿真結果及分析

在仿真過程中，各種 PMI碼本組成如下：PMI32(極化內 8個值，極化間 4個值)，PMI64(極化內 16個值，極化間 4個值)，PMI128(極化內 32個值，極化間 4個 值),PMI256(極化內 16個值，極化間 16個值)，PMI512(極化內32個值，極化間 16個值)PMI1024(極化內 256個值，極化間 4個值)PMI4096(極化內 256個值，極化間 16個值)。由于PMI量化后的碼本是恒模的，因此，SVD分解得到權值也采用恒模計算，仿真選取MCS5和MCS16兩種條件并進行了對比，如圖2、圖3所示。

仿真結果分析：兩圖給出了基于SVD分解算法和基于碼本搜索算法的性能對比曲線。傳統基于SVD分解的算法能夠較好地匹配用戶信道，因此其性能最優。從圖中可以看到 PMI的量化誤差在 0.5～1 dB左右，相對于SVD算法，基于碼本搜索的算法性能增益有所損失，但損失不大，能夠保證波束賦形效果。而且，基于碼本搜索的算法在復雜度上有一定優勢。另外，隨著碼本數的增加，基于碼本搜索的算法性能呈增長趨勢。

本文基于預編碼思想，提出了一種基于碼本的波束賦形方法。通過設計一種適用于TD-LTE系統的8天線波束賦形權值碼本，并對碼本進行搜索，在波束賦形過程中無需復雜的矩陣分解運算，大大減少單流波束賦形的計算量，更易于軟硬件實現。再者，基于碼本的波速賦形能夠減小LTE子系統間的反饋，從而降低系統復雜度。因此，其在未來無線系統中有廣闊的應用前景。

圖2 MCS5條件下兩種波束賦形性能對比

圖3 MCS16條件下兩種波束賦形性能對比

[1]曾召華.LTE基本原理與關鍵技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2010.

[2]BINELO M,ALMEIDA A L F D,et al.MIMO channel characterization and capacity evaluation in an outdoor environment[A].Proc of 2010 Fall IEEE 72nd Vehicular Technology Conference(VTC2010-Fall)[C].Ottawa:VETECF,2010:1-5.

[3]GODARA L C.Application of antenna arrays to mobile communications-Part II:Beamforming and direction-ofarrival considerations[J].IEEE Proceedings,1997,85(8):1195-1245.

[4]3GPP TS36.104 V10.4.0,E-UTRA Base Station(BS)radio transmission and reception(release 10)[S].2011

[5]3GPP TS36.213 V10.4.0,E-UTRA Physical layer procedures(release 10)[S].2011.

[6]康紹莉，裘正定，李世鶴.TD-SCDMA系統中基于上行參數的下行波束賦形算法[J].通信學報,2002,23(8):69-71.

[7]樊迅，郭彬，曹偉，等.TD-LTE系統中基于奇異值分解的高效波束賦形方法[J].電訊技術，2010，50(3):45-48.

[8]Zhou Zhixun,Cheng Xiantao,Liu Hongxuan,et al.An Adaptive approach to reduce complexity of EBB in LTE downlink TDD systems[J].National Key Laboratory of Science and Technology on Communications,IEEE,2010,123(1):187-191.

[9]曾召華，梁文娟.基于對角加載奇異值分解的波束形成算法[J].電子技術應用，2012,38(7):107-109.

[10]3GPP TS 36.211 V10.4.0.E-UTRA Physical Channels and Modulation(release 10)[S].2011.