徐啸涛，许 静，杨大方

(1.浙江机电职业技术学院电气电子工程学院，浙江杭州310053;2.国家知识产权局专利局专利审查协作中心通信发明审查部，北京100190;3.上海贝尔阿尔卡特股份有限公司南京分公司移动业务部，江苏 南京210037)

TD-LTE系统中短期波束赋形的研究

徐啸涛1，许 静2，杨大方3

(1.浙江机电职业技术学院电气电子工程学院，浙江杭州310053;2.国家知识产权局专利局专利审查协作中心通信发明审查部，北京100190;3.上海贝尔阿尔卡特股份有限公司南京分公司移动业务部，江苏 南京210037)

TD-LTE系统中使用的波束赋型是一个较为复杂的命题。特征值波束赋形形式上是基于奇异值分解的。它包括短期和长期两种形式，并且应用在不同特征的信道中。首先描述了短期波束赋形的算法，尤其是集中在如何把该算法应用在OFDM和TD-LTE系统中。然后阐述了短期波束赋形的软件结构设计实现，其中包括了一些基本概念的实现，SRS合路器和MAC层设计等。最后对其不同性能指标给出了详细的仿真，并且相应得出了一些技术结论。

TD-LTE;波束形成算法;性能仿真;SRS合路器;时间相关

作为下一代移动通信系统的标准之一，TD-LTE改进并增强了3G的空中接口技术，它同时也采用OFDM (正交频分复用)和MIMO(多入多出)作为其无线接入演进的最核心技术。目前多输入多输出(MIMO)技术主要包括传输分集、空间复用、波束赋形以及多用户MIMO技术。波束赋形是一种应用于小间距的天线阵列的多天线传输技术，它的算法有多种，本文的研究内容是基于较为简单的特征值分解的EBB(Eigen based Beamforming)波束赋形算法。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。基于特征值的波束赋形(EBB)是来自SRS合成器的奇异值分解［1］。SRS的资源分配在时域和频域上都具有合理的谱密度，并能够同时支持多个UE的资源调度。因为基站需要获得来自上行sounding信号的下行信道状态信息(CSI)，所以基于特征值的波束赋形(EBB)对于信道的互易性而言是必须具有的。EBB波束赋形具体的实现方式可以分成两种，一种是需要瞬时信道矩阵的短期EBB波束赋形，一种是基于平均信道矩阵的长期EBB波束赋形，它们的区别主要在于特征值分解用于瞬时还是平均信道相关矩阵。EBB波束赋形也是沿着信道最强方向传输所有可聚集的功率值(通过实施主要特征向量的相关矩阵值)。

1 短期波束赋形算法

1.1 算法假设

系统模型如下

假设发射端和接收端都有非常好的信道状态信息，能够应用非常理想的Tx和Rx波束赋形转移信号模型来对角在波束赋形矩阵U，H和V可以被确定作为信道相关矩阵的特征向量［3］

对于多个基于本征值波束赋形信号源而言，它能够被执行最大化信道容量。上述方程假设前提为在发射端能够获得瞬时CSI，每个传输信道传输是理想的。

1.2 应用于OFDM系统

具有路径延迟的多路径MIMO信道表达式如

具有循环前缀的OFDM信号，频率选择性信道演变成N frequency平通道(k是副载波标记)

接收机协方差矩阵可以写成

从上述公式可以看到，瞬时空间相关矩阵具有频率选择性且针对每个频率的副载波不同。为系统实现的简单性，能够执行基于子带的短期EBB，而不通过假设具有子带的信道扁平的子载波内［6］。

1.3 应用于TD-LTE系统

短期的波束赋形是需要SRS跃变、耗时，数十个TTI (传输时间间隔)等扫描整个带宽。万一信道快速变化，CSI将会快速过时。对于SRS的跃变，因为有限的终端发射功率和SRS容量限制(终端多路复用)，这是不可能产生的。在短期的波束赋形中，天线和终端之间是无法保持平衡的。它有2根Rx天线，但只有1根Tx天线，交替两根终端的Tx天线将发出交替的sounding信息。在3GPP R8(不被大多数终端所支持)中天线开关也是可选的［2］。在一根Tx天线sounding信号中，只有一半的信道状态信息(CSI)是可以获得的。

对于子带信噪比(SINR)，当在子带中新的sounding信号被收到后，短期波束赋形EBB将会被更新。对于信道协方差矩阵的子带特征向量，当在子带中新的sounding信号被收到后，短期波束赋形EBB将会被更新。尤其是对于双波束而言，在短期波束赋形中，两个向量也是需要的。另一方面，具有双天线参考信号的短期波束赋形EBB能够促使双天线sounding测量的产生，也能被用来产生既可用于单流也可用于双流的预编码器，也同时能够支持增加的16PRB的sounding带宽［8］。

2 软件设计

2.1 基本的软件嵌入算法

短期波束赋形使用瞬时信道向量来计算权重系数。假设短期波束赋形的频率粒度是SPRBs，那么在当前子帧上的空间协方差矩阵是由在子带宽度(比如SPRBs)的平均值来计算的。

EVD可以被每个子带所计算，即

子带的波束赋形矢量可以由下式计算得

如果子带大小与一个PRB值相等，那么可以避免进行EVD计算，因为信道hi是一个列向量(由于只有一个Tx天线在上行)和Rs有rank=1，所以原理特征向量与规范化的信道向量hi是相等的，即

2.2 SRS合成器

如图1所示，对于每个PRB到256 kbyte的DDR循环缓冲区而言，SRS合成器需要节省权重值。用来存储短期波束赋形权重的最大空间是3 kbyte，SRS合成器需要分配256 kbyte，这意味着它能够节省超过85个TTI，如果CDM值是3，这个缓冲区足以容纳超过28个TTI。SRS写权重的顺序应当为1，5，2，6，3，7，4，8。并且SRS合成器也能发送消息到MAC层。

图1 SRS合成器内部结构图

3 性能仿真和分析

3.1 仿真假设条件

目前，有许多种类型的波束赋形算法，如 EBB，DOA，EqualGain等。在EBB链路级性能仿真评估前，应该首先清晰哪个信道模型应该被使用，对这个可行性研究如何定义仿真参数和基本仿真假设等。对短期波束赋形可行性研究的方案假设，假定它是低速的移动性，单用户，只有PDSCH，没有PBCH，也没有控制通道和同步信号，在这个基础上，使用单收单发的SISO和双收单发的SIMO(MRC)［4］。

3.2 性能仿真

设置了不同的子带以查看短期波束赋形的频率粒度。x PRBs意味着x PRBs有相同的波束赋形向量。在图2中，明显地对于短期波束赋形，在频率选择性信道中，越窄的子带具有越好的仿真性能。但由于当前的SRS信道估计算法局限性，只是支持一个子带至少4 PRBs。对于今后的工作，如何突破SRS信道估计算法的局限性，使得一个子带能支持更少的PRB，这也是值得继续研究的课题之一。

图2 在不同频率粒度下的短期波束赋形仿真

图3显示了在不同场景下性能表现。从结果中可以看到，短期波束赋形可以在终端侧两根接收天线上提供大约6～7.5 dB的增益和在终端侧一根天线上提供9～12 dB增益。整体而言，波束赋形在大角度散播时，性能将有更好的结果。它对于SRS的噪声功率，也是相当敏感的，特别是在小角度散播时。

图4给出了在不同的特征向量反馈延迟时间和在不同终端移动速度下的性能结果值。考虑到波束赋型反馈的延迟值，从图3中仍然可以看到，对于19个TTIs，波束赋形性能仍然是可以接受的。所以能够得到重要的结论是:只要SRS控制在20 ms内，对于下行波束赋形而言，来自SRS获得的CSI值仍然是有用的。对于SRS配置和下行调度器而言，这是非常有用的结论。

图3 在不同的SRS场景下的短期波束赋形性能仿真

对于短期波束赋形，因为它使用了瞬时信道统计，因此对于UE的移动速度也相当敏感。低的移动速度将会有更好的性能，这个结论在图4所示的仿真中已经得到了验证。但即使在 120 km/h的速度下，相对于3 km/h移动速度下的SIMO仍然具有更好的性能［7］。这也同时验证了另外一个结论，对于波束赋形的性能而言，天线收发的多少相对于移动速度更为重要。

图4 短期波束赋形时间相关性的性能影响仿真

4 总结

相对于一般的下行波束赋形而言，短期波束赋形更适合不断增加的多路径(高角度传播)和终端的低速移动性。它对频率分辨率和信道快速变化性更加敏感。也可以通过增加SRS带宽和减少周期值(12 PRB，2 ms的SRS周期性)来保持良好的短期波束赋形性能。只要SRS和PDSCH之间的延迟时间是在20 ms内，那么对于下行短期波束赋形而言，来自SRS的瞬时信道状态仍然是有效的［9］。

由于UE终端的天线不平衡的问题，例如更多的接收天线分集增益比发射天线要高。相对于波束赋形的其他特征而言，波束赋形的接收天线增益仍然相对较少，但还是能够明显地被监测到。先进的波束赋形性能值的优劣极大地依赖于SRS配置，例如带宽、周期性，还有需要与高层的RRM进行协调等。

［1］刘文正，曹龙汉，杭小飞.LTE网络接口的协议一致性测试研究［J］.电视技术，2011，35(23):59-60.

［2］刘鸣，袁超伟，贾宁，等.智能天线技术与应用［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［3］3GPP TR 25.996，Special channel model for Multiple Input Multiple Output(MIMO)simulations［S］.2004.

［4］李亚麟，樊迅，胡波.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(3):45-49.

［5］ 3GPP TS 36.212 V8.7.0，Evolved universal terrestrial radio access (E—UTRA);multiplexing and channel coding(release8)［S］.2009.

［6］郭彬，樊迅，曹伟，等.八天线TD-LTE系统的波束赋形算法分析［J］.电讯技术，2010(8):23-24.

［7］邹应全，李春国.多小区MIMO系统中的分布式预编码研究［J］.仪器仪表学报，2010(12):43-45.

［8］刘毅，王琼.LTE系统中PDN连接过程的建立与实现［J］.电视技术，2010，34(12):34-35.

［9］杜金才，姚伟，余家家.A-Doherty功率放大器的仿真设计［J］.电子测量技术，2011(5):35-37.

Research of Short-term Beam form ing on TD-LTE System

XU Xiaotao1，XU Jing2，YANG Dafang3
(1.Department of Electrical and Electronic Engineering，Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Hangzhou 310053，China; 2.Communication Invention Examination Department，Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，SIPO，Beijing 100190，China; 3.Department of Mobile Service，Alcatel－Lucent Shanghai Bell Nanjing Branch，Nanjing 210037，China)

In this paper，amethod of license plate character recognition is presented based on the combination of Zernikemomentand wavelet transformation features.The beam-forming used in TD-LTE systems is a somewhatmore complex proposition.Eigenvalue-based beam-forming (EBB)is based on singular value decomposition.It’s included short-term BF and Long-term BF two methods and applied in different channel knowledge.Firstly，it describes short-term BF algorithm，especially focused on themethod how to apply for OFDM and TD-LTE system.And then make a SW designing implementation for short-term BF.It involves some basic idea of implementation，SRS combiner and MAC layer designing.Finally，the paper gives the detailed simulation for different performance index and gets some technical conclusion.Short term beam-forming for deployment scenarios iswith increasesmultipath(high azimuth spread)and low UEmobility.An advanced beam-forming that is based on instantaneous channel state can be represented as hybrid short-term and long-term beam-forming.An adaptive selection of dominant eigenvectors of the long-term correlation matrix be considered.

TD-LTE;beam-forming algorithm;performance simulation;SRS combiner;temporal correlation

TP929.53

B

徐啸涛(1979—)，硕士，教师，工程师，主要研究方向为移动通信、软件测试、物联网等;

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2014-01-23

【本文献信息】徐啸涛，许静，杨大方.TD-LTE系统中短期波束赋形的研究［J］.电视技术，2014，38(23).

浙江省科技厅2013年公益技术研究工业项目(2013C31133)

许 静(1980—)，女，硕士学位，审查员，工程师，主要研究方向为移动通信、光通信等;

杨大方(1983—)，工程师，主要从事移动通信射频模块的研究与开发。