(上海贝尔股份有限公司，上海 200070)

1 引 言

长期演进项目(Long Term Evolution，LTE)[1]是3G通信技术的演进技术，其中定义了LTE-FDD (Frequency Division Duplexing)和LTE-TDD(Time Division Duplexing)两种方式。多天线技术是LTE中的重要技术之一，通过多天线系统可以获得分集增益、阵列增益以及空分复用增益。波束赋形技术是一种基于小间距多天线阵列的线性预处理技术，可以根据系统性能指标，形成对基带(中频)信号的最佳组合或者分配。相对于频分双工( FDD) 系统而言, TDD系统可以利用无线信道互易性, 使用上行信号反馈获得上行信道信息, 并将这些信道信息应用于下行发送的开环波束赋形技术中, 有效地挖掘系统发端的多天线增益,扩大系统覆盖，提高系统容量，增强抗干扰的能力。

基于特征值分解的EBB(Eigen-based Beamforming)算法是波束赋形主要算法之一。EBB算法通过对用户空间相关矩阵进行特征分解，找到最大特征值对应的特征向量即为权矢量，从而实现波束赋形。

TD-LTE引入了8发2收的天线配置，到LTE-A则将会引入8发8收的天线配置[3]。本文描述了如何将EBB算法应用于八天线TD-LTE系统，并参照3GPP标准搭建了完整TD-LTE下行八天线波束赋形系统仿真平台，采用SCM-E信道对基于特征值分解的八天线单流波束赋形算法进行了性能仿真分析。

2 八天线TD-LTE波束赋形系统结构

本文所设计的波束赋形系统在基站端采用8根交叉极化天线，移动终端采用两根垂直极化天线，如图1所示。移动终端通过在上行发送的信道探测参考信号(Sounding Reference Signal，SRS)，基站端对接收的SRS进行信道估计，从而获得上行信道信息，再利用TDD系统的信道互易性得到下行信道信息，然后通过特征值分解得到加权矢量用于下行波束赋形[4]。

图1 TD-LTE中八天线单流波束赋形系统结构

考虑到减少SRS信号占用资源以及基站的处理时间，终端通常只选择在个别上行子帧发送SRS信号；同时，还要避免SRS信号与下行子帧之间时延太久，造成信道信息的过时。本文设计了一种兼顾上述两种问题的SRS信号发送模式，如图2所示。当上下行配置采用上下行配置 1时[2]，信道探测参考信号采用2 ms周期发送，在特殊子帧上的上行信道探测参考信号获取信道信息应用于第一个下行子帧，在上行帧的信道探测参考信号结果用于第二个下行帧和特殊子帧发送下行数据，这样能够保证每个下行子帧用于波束赋形的上行信道探测参考信号都在2 ms以内，而不是使用过期的信道信息。这种配置在很大程度上减少了上行信道探测参考信号延迟对下行波束赋形性能的影响，又不会占用较多的时频资源。

图2 信道探测参考信号周期配置

3 TD-LTE系统中基于特征值分解的单流波束赋形算法实现

图3为所设计的八天线波束赋形发射机系统实现框图。该系统主要包括上行赋形权重产生处理和下行波束赋形处理两部分。

图3 八天线波束赋形系统实现框图

3.1 上行赋形权重产生处理

在EBB算法中，对用户空间相关矩阵进行特征分解，以找到最大特征值对应的特征向量作为权矢量，实现波束赋形技术。由上行信道信息计算得出用户相关矩阵为

(1)

式中，(·)H表示矩阵的共轭转置操作。八天线系统中对于每个资源块k，Ck的结果均为一个8×8矩阵。

对Ck的特征值分解如下：

Ck≜VΣVH

(2)

式中,Σ为升序排列的非负对角矩阵。每个资源块k对应的Vk为相关矩阵Ck的右特征向量集合，Vk为一个8×8矩阵：

Vk=[V1V2V3V4V5V6V7V8]

(3)

3.2 下行波束赋形处理

根据LTE物理层协议——3GPP 36.211协议[2]，信道编码调制后的数据可以表示为x(5)(0),x(5)(1),…,x(5)(Msymb-1)，其中Msymb为调制后符号数。数据经过预编码模块，预编码模块完成从码字(Codeword)到层(Layer)的映射。根据3GPP 36.211协议，当系统只有一个码字和一个层时，该模块为直通模块，处理如式(4)，将数据映射到端口5。

y(5)(i)=x(0)(i)

(4)

式中，i=0,1,2，…,Msymb-1。

经层映射后的结果序列y(5)(i)进入到单流波束赋形模块。在单流波束赋形模块中使用前面生成的加权矢量对数据进行加权，如下式:

(5)

加权后得到八天线上的信号通过资源映射模块映射到对应天线时频资源，然后通过逆快速傅里叶变换(IFFT)、添加循环前缀，生成LTE 下行OFDM信号。由发射机产生的信号通过SCM-E信道进入到终端接收机进行接收，与其它发送模式基本一致，这里就不详细介绍了。

(a)基站4+4交叉极化

(b)终端垂直极化

4 仿真分析与结论

通过搭建完整的TD-LTE系统仿真平台对本文描述的单流波束赋形EBB算法进行了仿真分析。仿真中采用了3GPP在TR25.996中提出的SCM-E信道模型[5]，基站端采用4+4双极化天线，终端采用两根垂直极化天线。4+4双极化天线是一种典型的八天线配置，其天线形态适合使用单流或者双流波束赋形技术。

表1 仿真参数配置

八天线EBB波束赋形算法通过上行信道反馈信息，再通过特征值分解找到最大来波方向，利用权重加权实现波束合成，因此如果终端移动速度过快，会导致上行信道反馈信息失去时效性，从而使来波方向估计不准，造成增益下降。图5给出了在不同终端移动速度下EBB波束赋形算法的误块率(BLER)信噪比曲线。可以看出，在低速情况(3 km/h)时，1%BLER，SNR工作点约为-9.8 dB；随着终端速度的增加，波束赋形增益明显下降，在210 km/h，误块率1%，SNR工作点约为-3.5 dB，增益下降约6 dB。可见八天线波束赋形增益主要体现在终端低速移动的场景。

图5 不同终端速度下波束赋形性能对比

EBB算法中利用上行信道估计结果计算波束赋形权重，因此上行信道估计结果误差(MSE)会导致波束赋形权重不准，从而影响波束赋形增益，上行信道估计误差是工程上需要评估的重要指标。图6给出了信道估计误差MSE分别在0.1、0.05、0.01、0.001下的算法性能，可以看出在误差为0.1时，1% BLER处，增益下降约0.5 dB。该算法在一定信道估计误差下仍然能够维持较好的波束赋形增益。

图6 不同上行信道估计误差下波束赋形性能对比

以上仿真结果表明，八天线EBB波束赋形算法可以正确实现波束合成，相对于传统发送方式能够明显提高系统增益。本文对波束赋形在不同应用场景下的性能分析结果对实际系统设计具有较大参考价值。

参考文献：

[1] 3GPP TS 36.300 V8.9.0, Evolved Universal Terrestrial Radio Access E-UTRA and Evolved Universal Terrestrial Radio Access E-UTRAN Overall description[S].

[2] 3GPP TS 36.211 V8.9.0,Physical Channels and Modulation[S].

[3] 2010ZX03002-002，TD-LTE面向商用基站研发[S].

2010ZX03002-002，TD-LTE commercial eNodeB R&D [S].(in Chinese)

[4] 李亚麟，樊迅，胡波，等.天线校准误差建模即对开环波束赋形技术的影响[J].电讯技术，2010，50(3)：45-48.

LI Ya-lin,FAN Xun, HU Bo, et al. Modeling of Antenna Calibration Error and its Impact on Open-Loop Beamforming [J]. Telecommunication Engineering, 2010,50 (3):45-48.(in Chinese)

[5] 3GPP TR 25.996 V9.0.0,Spacial channel model for Multiple Input Multiple Output (MIMO) simulations[S].