lte系统中双流波束赋形技术探究

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1、LTE系统中双流波束赋形技术探究　　【摘要】通过详细分析波束赋形算法及其在LTE系统中的实现方式，对波束赋形性能以及发射天线数对波束赋形系统性能的影响进行了仿真，仿真结果表明：双流波束赋形适用于小区中心区域SINR高的区域；增加发射天线的数量能够改善波束赋形系统的SINR性能，从而提升系统的容量。最后指出了波束赋形技术进一步的研究方向。【关键词】LTEMIMO波束赋形预编码中图分类号：TN929.53文献标识码：A文章编号：1006-1010（2013）-23-0067-051引言第三代移动通信系统（3G）所提供的丰富多彩的数据业务激发了人们对高速率无线通信的渴望，推动着

2、3G朝着更高速率的第四代移动通信系统（4G）方向演进。3GPP对4G（LTE系统）的速率要求是能够在20MHz带宽内提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率[1]，因此LTE系统的设计目标是在有限的频谱范围内提供更高的传输速率。由于MIMO（MultipleInputMultiple10Output，多输入多输出）技术能够充分利用多天线传输所形成的空间资源，在不增加频谱带宽的前提下有效地提高系统容量，所以被3GPP采用作为LTE物理层的核心技术。LTE中使用的MIMO技术包括传输分集、空间复用、波束赋形等形式，传输分集可以提高系统的可靠性，而空间复用与波束赋形可

3、以提高系统的容量。波束赋形的基本思想是发端利用已知的信道信息，对要发送的数据进行预编码处理，使得经过预编码后的信号的波束方向能够对准接收机，从而提高接收信号的质量。LTE在R8版本中首先引入了单流波束赋形技术，对提升小区吞吐量、降低小区间的干扰起到了重要的作用。随着技术的发展，目前的用户终端已经支持2天线的配置，能够支持2个流的数据传输，因此从R9版本开始采用双流波束赋形技术来进一步提高系统的传输速率。本文探讨了波束赋形的原理以及其在LTE系统中的实现方式，并对波束赋形的性能进行仿真分析，最后给出了波束赋形的进一步研究方向。2波束赋形算法分析在实际系统中，通常采用预编码技

4、术实现波束赋形。预编码可分为线性预编码和非线性预编码两类，虽然非线性预编码的性能要优于线性预编码，但是实现的复杂度很高，因此目前在实际系统中广泛使用的是线性预编码。假设MIMO系统的发射天线数为MT，接收天线数为MR，则MIMO系统数学模型可以表示为：y=HFx+n（1）10其中，y表示接收信号，x表示发射信号，n表示噪声，H为MR×MT维的空间信道矩阵，F表示预编码矩阵。根据文献[2]，最优的预编码矩阵可以通过对H进行SVD（SingularValueDecomposition，奇异值分解）得到：H=U∑VH（2）其中，U为MR阶酉矩阵，V为MT阶酉矩阵，∑=diag（

5、σ1，σ2，…，σM），σM表示矩阵H的第M个非零奇异值，M=min（MR，MT）表示层数，则预编码矩阵F为：（3）其中，为右奇异矩阵V的前M列。对于单流波束赋形来说，取右奇异矩阵V的第一列；如果是双流波束赋形，则取右奇异矩阵V的前两列。由以上分析可以看出，预编码是将MIMO系统分成M个独立传输的并行空间信道，MIMO的系统容量相当于各个子信道容量之和。为了达到最大的信道容量，还需要根据每个子信道的信道条件进行功率分配，即在总功率受限的条件下，通过调整每个子信道上的功率使得系统容量达到最大化。假设pi表示在子信道上的功率，P表示分配给用户的总功率，σ2表示噪声，则该问题的

6、数学模型可以表示为：（4）通过拉格朗日乘子法可以解得：（5）10式（5）的物理意义为：信道条件好的子信道分配的功率多，信道条件差的子信道分配的功率少，即所谓的注水定理，式中的λ为注水线。将功率分配的结果应用到预编码矩阵，可得：（6）其中，Φ为M阶对角矩阵，对角线上的元素为经过归一化后的功率。3波束赋形在LTE系统中的实现实现波束赋形的关键在于：eNB（evolvedNodeB，演进型基站）需要得到信道状态信息才能根据其对发送的信号进行预编码；而UE（UserEquipment，用户设备）也需要知道eNB所用的预编码矩阵才能正确解码。下面将从信道测量、eNB端预编码矩阵的计

7、算以及UE端预编码矩阵的计算这三方面来描述波束赋形技术在LTE系统中的实现过程。3.1信道测量信道的状态信息可以通过对导频信号进行测量来得到。在LTE中，共有以下三种导频可以用来进行信道测量：（1）CRS：最大可以支持4天线的导频信号，对应的端口号为port0—3，其时频资源映射如图1所示。CRS的port0与port1分别占用8个RE（图1（a）中的浅色部分），port2与port3分别占用4个RE（图1（a）中的深色部分）。10（2）CSI-RS：为了进一步提高系统容量，在LTE-A系统中引入了8天线，因此在LTE-A中新