智能天线在TD—LTE网络中的研究与应用

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作者：徐皓 颜军 李宾全文摘要：
【摘要】 介绍了智能天线的基本原理、常用算法以及在TD-LTE网络中的应用，并提出了未来智能天线的发展趋势。
　　【关键词】 智能天线 TD-LTE
　　一、前言
　　频分双工（FDD）和时分双工（TDD）是无线通信系统的发展过程中的两种基本的双工方式。FDD是在两个对称频率信道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道。TDD用不同的时隙来分离接收和发送信道，其发射和接收的资源在时间上可以不连续的。TDD系统具有上下行信道互易性的特点，可更好的进行传输信道的预处理，便于智能天线（Smart Antenna）技术的使用。
　　智能天线（Smart Antenna）技术是在自适应天线技术、数字信号处理技术和软件无线电技术结合形成的一门新技术。智能天线是具有一定程度智能性的自适应天线阵列，已经在3G网络中使用，并且在目前的TD-LTE试验网和商用网中，继续得到发展与应用。
　　二、智能天线的技术原理和算法
　　2.1 技术原理
　　智能天线是一种安装在基站（e-NodeB）侧的双向天线，其原理是使天线主波束对准用户信号到达方向（Direction of Arrival，DOA），旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而产生定向波束，达到充分利用有效移动用户信号并删除或抑制干扰移动信号的目的。
　　智能天线由阵元、加权和合并三部分组成接收电路。用户发射信号经过多径信道衰减和延迟后，到达天线阵列各阵元的是所有发射信号及其各自延迟副本的组合叠加，设其为x（t）。如果对每个阵元定义权值wk，根据信号检测要求和一定的准则，经阵列信号处理计算，则阵列加权合并矢量的波束赋形输出为：
　　y（t）=ωH（t）*x（t） （1）
　　式（1）是智能天线形成波束信号的基本模型。其中的权值wk与信道的慢衰落匹配，如来波方向DOA和平均路损。在TDD系统中，由于信道的互易性特点，在进行波束赋形时，可以不必使用终端反馈的CSI信息，而是根据基站上行的DOA和路损信息，准确估计出权值参数。智能天线算法的基本原理是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。
　　2.2 智能天线的算法
　　智能天线系统的核心是选择高效的智能算法，通过算法自适应地得到各天线阵元的权值。它先借助参考信号得到各天线阵元的估计信道，然后根据一些准则使用估计信道确定阵元的权值，最后用赋形向量对每通道的信号进行加权，从各自的天线阵元发送出去，这样发送出去的信号的波形就具有一定的方向性，从而达到充分利用有效信号和抑制干扰信号的目的，达到空间域滤波的作用。
　　目前在TD-LTE系统使用最多的智能天线的算法是EBB（Eigenvalue Based Beamforming）算法，其基本原理如下：假设发端有nt根发射天线。波束赋形的过程是：在发端，一路数据流等功率地复制为nt路子流，每路子流分别使用波束赋形权值进行加权后从各自对应的发射天线发射出去。这样发射出去的信号的波形就具有特定的方向性，从而达到空间滤波的作用。假设收端使用根接收天线对这路数据流进行接收检测。则在第k个子载波上，可估计出nt×nt的频域响应矩阵，根据矩阵特征值和特征向量的理论，可以计算出该矩阵的特征向量，并利用特征向量作为发射天线阵列的权值向量。
　　在实际系统中，由于下行信道估计的限制，一般相邻的若干子载波的数据流使用相同的加权向量。
　　三、智能天线在TD-LTE中的应用
　　TD-LTE系统中使用了多天线MIMO（Multiple input and multiple output）技术。将MIMO技术与智能天线技术相结合，进一步提高了TD-LTE系统的容量和抗干扰能力。目前TD-LTE系统支持的智能天线技术主要有单流波束赋形技术和双流波束赋形技术。
　　3.1 单流波束赋形
　　单流波束赋形技术在LTE R8中的传输模式TM7定义，支持基于专用导频的智能天线波束赋形。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，用于传输模式TM7的业务解调。单流波束赋形的流程中，层映射与预编码都是一对一的简单映射。单流波束赋形的示意图如图1所示。
　　3.2 双流波束赋形
　　双流波束赋形在LTE R9的规范中的传输模式TM8定义，支持两个专用导频用于业务信道解调。同时还引入了新的控制信令和8×2天线配置，将赋形波束扩展为双流传输，实现了波束赋形与MIMO空间复用技术的有效结合。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。
　　（1）单用户双流波束赋形。由基站测量上行信道，得到上行信道状态信息后，基站根据上行信道信息计算两个赋形矢量，利用该赋形矢量对要发射的两个数据流进行下行赋形。采用单用户双流波束赋形技术，使得单个用户在某一时刻可以进行两个数据流传输，同时获得赋形增益和空间复用增益，获得比单流波束赋形技术更大的传输速率，进而提高系统容量。双流单用户波束赋形的示意图如图2所示。
　　（2）多用户双流波束赋形。由基站根据上行信道信息或UE反馈的结果进行多用户匹配，完成多用户匹配后，按照特定的准则生成波束赋形矢量，利用得到的波束赋形矢量为每一个UE、每一个流进行赋形。多用户双流波束赋形技术利用了智能天线的波束定向原理，实现了多用户的空分多址（SDMA）。双流单用户波束赋形的示意图如图3所示。
　　TD-LTE网络将智能天线的波束赋形技术与MIMO技术结合，充分发挥了空间分集、空间复用的作用。具有扩大覆盖，提高系统容量，降低干扰的能力，成为了TD-LTE系统的核心技术。
　　四、TD-LTE网络中智能天线的发展趋势
　　随着TD-LTE网络的演进，智能天线将会朝着情景化、小型化、宽带化、集成化的方向发展；同时，智能天线的算法也将进一步优化，向精确赋形的方向发展。
　　情景化是指既要外形美观，又要适应具体环境特点的波束赋形。小型化是指用介质谐振器代替传统天线阵列的介质型智能天线，如微带陶瓷天线单元的小型化智能天线。宽带化是指工作频段可覆盖多种异构网络频段，如同时支持A频段、F频段和E频段。集成化是指可与基站主设备集成的共塔型智能天线。
　　智能天线精确赋形是指利用智能化的算法和现代信号处理技术，提高智能天线波束追踪用户的准确度，进一步增加覆盖，提高容量。
　　总之，TD-LTE系统智能天线的智能特征将会越来越高。
　　五、结论
　　本文结合TDD系统信道互易性的特征，介绍了智能天线的基本原理和算法，以及在TD-LTE网络中的应用，说明了TD-LTE网络中使用智能天线，可以扩大覆盖、提高容量和降低干扰，最后给出了未来TD-LTE智能天线的发展方向。