lte系統(tǒng)中雙流波束賦形技術(shù)探究

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1、LTE系統(tǒng)中雙流波束賦形技術(shù)探究　　【摘要】通過詳細(xì)分析波束賦形算法及其在LTE系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方式，對波束賦形性能以及發(fā)射天線數(shù)對波束賦形系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明：雙流波束賦形適用于小區(qū)中心區(qū)域SINR高的區(qū)域；增加發(fā)射天線的數(shù)量能夠改善波束賦形系統(tǒng)的SINR性能，從而提升系統(tǒng)的容量。最后指出了波束賦形技術(shù)進(jìn)一步的研究方向?！娟P(guān)鍵詞】LTEMIMO波束賦形預(yù)編碼中圖分類號(hào)：TN929.53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-1010（2013）-23-0067-051引言第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）所提供的豐富多彩的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)激發(fā)了人們對高速率無線通信的渴望，推動(dòng)著

2、3G朝著更高速率的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）方向演進(jìn)。3GPP對4G（LTE系統(tǒng)）的速率要求是能夠在20MHz帶寬內(nèi)提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率[1]，因此LTE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在有限的頻譜范圍內(nèi)提供更高的傳輸速率。由于MIMO（MultipleInputMultiple10Output，多輸入多輸出）技術(shù)能夠充分利用多天線傳輸所形成的空間資源，在不增加頻譜帶寬的前提下有效地提高系統(tǒng)容量，所以被3GPP采用作為LTE物理層的核心技術(shù)。LTE中使用的MIMO技術(shù)包括傳輸分集、空間復(fù)用、波束賦形等形式，傳輸分集可以提高系統(tǒng)的可靠性，而空間復(fù)用與波束賦形可

3、以提高系統(tǒng)的容量。波束賦形的基本思想是發(fā)端利用已知的信道信息，對要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼處理，使得經(jīng)過預(yù)編碼后的信號(hào)的波束方向能夠?qū)?zhǔn)接收機(jī)，從而提高接收信號(hào)的質(zhì)量。LTE在R8版本中首先引入了單流波束賦形技術(shù)，對提升小區(qū)吞吐量、降低小區(qū)間的干擾起到了重要的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前的用戶終端已經(jīng)支持2天線的配置，能夠支持2個(gè)流的數(shù)據(jù)傳輸，因此從R9版本開始采用雙流波束賦形技術(shù)來進(jìn)一步提高系統(tǒng)的傳輸速率。本文探討了波束賦形的原理以及其在LTE系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方式，并對波束賦形的性能進(jìn)行仿真分析，最后給出了波束賦形的進(jìn)一步研究方向。2波束賦形算法分析在實(shí)際系統(tǒng)中，通常采用預(yù)編碼技

4、術(shù)實(shí)現(xiàn)波束賦形。預(yù)編碼可分為線性預(yù)編碼和非線性預(yù)編碼兩類，雖然非線性預(yù)編碼的性能要優(yōu)于線性預(yù)編碼，但是實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度很高，因此目前在實(shí)際系統(tǒng)中廣泛使用的是線性預(yù)編碼。假設(shè)MIMO系統(tǒng)的發(fā)射天線數(shù)為MT，接收天線數(shù)為MR，則MIMO系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可以表示為：y=HFx+n（1）10其中，y表示接收信號(hào)，x表示發(fā)射信號(hào)，n表示噪聲，H為MR×MT維的空間信道矩陣，F(xiàn)表示預(yù)編碼矩陣。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣可以通過對H進(jìn)行SVD（SingularValueDecomposition，奇異值分解）得到：H=U∑VH（2）其中，U為MR階酉矩陣，V為MT階酉矩陣，∑=diag（

5、σ1，σ2，…，σM），σM表示矩陣H的第M個(gè)非零奇異值，M=min（MR，MT）表示層數(shù)，則預(yù)編碼矩陣F為：（3）其中，為右奇異矩陣V的前M列。對于單流波束賦形來說，取右奇異矩陣V的第一列；如果是雙流波束賦形，則取右奇異矩陣V的前兩列。由以上分析可以看出，預(yù)編碼是將MIMO系統(tǒng)分成M個(gè)獨(dú)立傳輸?shù)牟⑿锌臻g信道，MIMO的系統(tǒng)容量相當(dāng)于各個(gè)子信道容量之和。為了達(dá)到最大的信道容量，還需要根據(jù)每個(gè)子信道的信道條件進(jìn)行功率分配，即在總功率受限的條件下，通過調(diào)整每個(gè)子信道上的功率使得系統(tǒng)容量達(dá)到最大化。假設(shè)pi表示在子信道上的功率，P表示分配給用戶的總功率，σ2表示噪聲，則該問題的

6、數(shù)學(xué)模型可以表示為：（4）通過拉格朗日乘子法可以解得：（5）10式（5）的物理意義為：信道條件好的子信道分配的功率多，信道條件差的子信道分配的功率少，即所謂的注水定理，式中的λ為注水線。將功率分配的結(jié)果應(yīng)用到預(yù)編碼矩陣，可得：（6）其中，Φ為M階對角矩陣，對角線上的元素為經(jīng)過歸一化后的功率。3波束賦形在LTE系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)波束賦形的關(guān)鍵在于：eNB（evolvedNodeB，演進(jìn)型基站）需要得到信道狀態(tài)信息才能根據(jù)其對發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼；而UE（UserEquipment，用戶設(shè)備）也需要知道eNB所用的預(yù)編碼矩陣才能正確解碼。下面將從信道測量、eNB端預(yù)編碼矩陣的計(jì)

7、算以及UE端預(yù)編碼矩陣的計(jì)算這三方面來描述波束賦形技術(shù)在LTE系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)過程。3.1信道測量信道的狀態(tài)信息可以通過對導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行測量來得到。在LTE中，共有以下三種導(dǎo)頻可以用來進(jìn)行信道測量：（1）CRS：最大可以支持4天線的導(dǎo)頻信號(hào)，對應(yīng)的端口號(hào)為port0—3，其時(shí)頻資源映射如圖1所示。CRS的port0與port1分別占用8個(gè)RE（圖1（a）中的淺色部分），port2與port3分別占用4個(gè)RE（圖1（a）中的深色部分）。10（2）CSI-RS：為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量，在LTE-A系統(tǒng)中引入了8天線，因此在LTE-A中新