TD-LTE系统中基于码本的快速波束赋形算法*

曾召华，邵 健

(西安科技大学 通信与信息工程学院,陕西 西安 7100540)

TD-LTE作为我国自主提出的3G系统(TD-SCDMA)标准的演进技术，具有以下特征：(1)提高了通信速率和频谱效率；(2)QoS(Quality of Service)保证，扩展业务的提供能力，以更低的成本、更佳的用户体验提供更多的业务；(3)系统带宽配置更灵活；(4)明确提出系统在支持高速移动的基础上，需要考虑为低速用户提供优化条件，同时改善小区边缘用户的吞吐量[1]。

多天线技术作为LTE系统关键技术之一，能够给系统带来有效的分集增益和阵列增益[2-3]。波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，其工作原理是利用空间信道的强相关性及波的干涉原理产生具有一定方向性的辐射图，使辐射方向图的主瓣自适应地指向用户，从而提高信噪比，获得明显的阵列增益。波束赋形的目的是扩大信号覆盖范围、改善边缘吞吐量及抑制干扰。目前，3GPPR10版本协议定义了9种发射模式，其中模式 7、8和 9是波束赋形[4-5]。

TDD系统具有上下行信道互异性,参考文献[6-8]研究了基于上行参数的波束赋形方法，通过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，从而实现波束赋形。但该类算法运算中涉及复杂的矩阵分解求逆等运算。参考文献[9]研究了基于对角加载奇异值分解的波束形成算法，在一定程度上降低了波束赋形复杂度，但其计算量仍然较大。由于无线信道环境往往变化迅速，因此实现系统下行波束赋形不仅要考虑赋形效果，而且还要考虑赋形的处理速度。怎样有效高效地产生波束赋形权值来匹配信道的变化，从而提高系统的吞吐量，成为衡量波束赋形算法的唯一标准。

1 系统模型

端口5是LTE协议中定义用来支持单流波束赋形，单个端口的数据可以加权映射到多个物理天线上传输[9]。基站发送端从上行探测导频(Sounding)估计出信道信息，然后根据用户信道信息计算出对应的波束赋形权值矩阵。基站在发射端对数据先加权再发送，形成窄的发射波束，将能量对准目标用户，TD-LTE系统8天线波束赋形处理流程如图1所示。

图1 TD-LTE系统8天线单流波束赋形处理流程

基站侧发射信号为s，则UE的接收信号矢量为:

其中，H为下行MIMO信道，W为波束赋形的信号加权矩阵，n为加性高斯白噪声。

根据接收功率最大化原则,对于单流波束赋形，可得到最优化的加权向量矩阵为:

其中，Wo为WHHHHW使最大化的W。

2 基于SVD分解的波束赋形基本原理

用户空间相关矩阵最大特征值对应的特征向量，也即为信道矩阵最大奇异值对应的奇异向量。因此最佳权向量可以通过对信道矩阵奇异值分解(SVD)来实现。

其中SVD分解操作如下：假设发送天线的数目为M，接收天线的数目为N，则空间矩阵H的维数为N×M，空间信道矩阵H的SVD分解为：

其中，U=[u1,u2,…,uM]是 N×N维的左奇异矩阵，V=[v1,v2,…,vM]是M×M维的右奇异矩阵，Σ是N×M维的对角阵，对角元素 σ1≥σ2≥…≥σn为奇异值，n是 M、N中的最小值。采用右奇异列向量作为波束赋形加权矢量。U和V都是酉矩阵，通常采用酉矩阵V作为波束赋形权值，且为最优。

3 基于码本的波束赋形算法

3.1 TD-LTE 8天线码本设计

其中，φk=ej2πk/16,k=0,1,…,15

i=0,1,…,15，j=0,1,…,15，码本选择一共有 16×16×16=4 096个。

3.2 TD-LTE 8天线码本搜索方法

对波束赋形权值码本进行搜索，当权值颗粒度m=1 RB，为了简化搜索空间，本文采用在 i、j、k 的 3×16 个码本中搜索:

搜索16次，得到 I1；其中,index1是 port0对应的 4天线；

搜索16次，得到 J1；其中,index2是 port1对应的 4天线；

搜索 16次，得到 K1；此时，获得权值 PMI序号 PMI1(I1,J1,K1)；

当权值颗粒度m＞1 RB，搜索时使用的信道估计取平 均 值计 算 如 式(11)。

权值码本搜索过程同上，这里不再重复。其中，H(1)为每RB上的信道估计值。

4 系统级仿真

本节中的相关仿真参数按照3GPP LTE协议进行配置。

4.1 仿真条件

TD-LTE系统单流波束赋形仿真参数如表1所示。

表1 TD-LTE系统单流波束赋形仿真参数

4.2 仿真结果及分析

在仿真过程中，各种 PMI码本组成如下：PMI32(极化内 8个值，极化间 4个值)，PMI64(极化内 16个值，极化间 4个值)，PMI128(极化内 32个值，极化间 4个 值),PMI256(极化内 16个值，极化间 16个值)，PMI512(极化内32个值，极化间 16个值)PMI1024(极化内 256个值，极化间 4个值)PMI4096(极化内 256个值，极化间 16个值)。由于PMI量化后的码本是恒模的，因此，SVD分解得到权值也采用恒模计算，仿真选取MCS5和MCS16两种条件并进行了对比，如图2、图3所示。

仿真结果分析：两图给出了基于SVD分解算法和基于码本搜索算法的性能对比曲线。传统基于SVD分解的算法能够较好地匹配用户信道，因此其性能最优。从图中可以看到 PMI的量化误差在 0.5～1 dB左右，相对于SVD算法，基于码本搜索的算法性能增益有所损失，但损失不大，能够保证波束赋形效果。而且，基于码本搜索的算法在复杂度上有一定优势。另外，随着码本数的增加，基于码本搜索的算法性能呈增长趋势。

本文基于预编码思想，提出了一种基于码本的波束赋形方法。通过设计一种适用于TD-LTE系统的8天线波束赋形权值码本，并对码本进行搜索，在波束赋形过程中无需复杂的矩阵分解运算，大大减少单流波束赋形的计算量，更易于软硬件实现。再者，基于码本的波速赋形能够减小LTE子系统间的反馈，从而降低系统复杂度。因此，其在未来无线系统中有广阔的应用前景。

图2 MCS5条件下两种波束赋形性能对比

图3 MCS16条件下两种波束赋形性能对比

[1]曾召华.LTE基本原理与关键技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,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]康绍莉，裘正定，李世鹤.TD-SCDMA系统中基于上行参数的下行波束赋形算法[J].通信学报,2002,23(8):69-71.

[7]樊迅，郭彬，曹伟，等.TD-LTE系统中基于奇异值分解的高效波束赋形方法[J].电讯技术，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]曾召华，梁文娟.基于对角加载奇异值分解的波束形成算法[J].电子技术应用，2012,38(7):107-109.

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