《電子技術(shù)應(yīng)用》
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TD-LTE系統(tǒng)中基于碼本的快速波束賦形算法
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2014年第4期
曾召華， 邵 健
(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 陜西 西安 7100540)
摘要： 為解決時(shí)分雙工長期演進(jìn)（TD-LTE）系統(tǒng)中下行單流波束賦形算法計(jì)算復(fù)雜度高的問題，在基于有效功率最大化準(zhǔn)則和信道平均思想的基礎(chǔ)上，提出了一種基于碼本的波束賦形算法。該算法通過構(gòu)建下行波束賦形權(quán)值碼本，并根據(jù)信道估計(jì)信息對預(yù)設(shè)碼進(jìn)行搜索，從而實(shí)現(xiàn)快速單流波束賦形。仿真結(jié)果表明，該算法使單流波束賦形的復(fù)雜度大大降低，并且誤塊率性能較最優(yōu)的奇異值分解算法損失不大。
中圖分類號(hào): TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)04-0113-03
Codebook selected beamforming algorithm for TD-LTE systems
Zeng Zhaohua, Shao Jian
Department of Communication and Information Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054, China
Abstract： To solve the problems of high computational complexity in single-stream beamforming algorithm for time division duplex (TDD) long term evolution (LTE)，a new beamforming algorithm based on codebook is presented by using the idea of channel average and maximizes effective power of transmitted signals．The algorithm makes single-stream beamforming more efficient by constructing a weights codebook and searching it according to the channel estimation information. Simulations show that the algorithm reduces the computational complexity of single-stream beamforming enormously and performance loss is very small.
Key words : TD-LTE；Beamforming；SVD；Codebook；BLER

    TD-LTE作為我國自主提出的3G系統(tǒng)(TD-SCDMA)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)技術(shù)，具有以下特征：(1)提高了通信速率和頻譜效率；(2)QoS(Quality of Service)保證，擴(kuò)展業(yè)務(wù)的提供能力，以更低的成本、更佳的用戶體驗(yàn)提供更多的業(yè)務(wù)；(3)系統(tǒng)帶寬配置更靈活；(4)明確提出系統(tǒng)在支持高速移動(dòng)的基礎(chǔ)上，需要考慮為低速用戶提供優(yōu)化條件，同時(shí)改善小區(qū)邊緣用戶的吞吐量[1]。
   多天線技術(shù)作為LTE系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠給系統(tǒng)帶來有效的分集增益和陣列增益[2-3]。波束賦形是一種基于天線陣列的信號(hào)預(yù)處理技術(shù)，其工作原理是利用空間信道的強(qiáng)相關(guān)性及波的干涉原理產(chǎn)生具有一定方向性的輻射圖，使輻射方向圖的主瓣自適應(yīng)地指向用戶，從而提高信噪比，獲得明顯的陣列增益。波束賦形的目的是擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍、改善邊緣吞吐量及抑制干擾。目前，3GPPR10版本協(xié)議定義了9種發(fā)射模式，其中模式7、8和9是波束賦形[4-5]。
   TDD系統(tǒng)具有上下行信道互異性,參考文獻(xiàn)[6-8]研究了基于上行參數(shù)的波束賦形方法，通過對用戶空間相關(guān)矩陣進(jìn)行特征分解， 以找到最大特征值對應(yīng)的特征向量作為權(quán)矢量，從而實(shí)現(xiàn)波束賦形。但該類算法運(yùn)算中涉及復(fù)雜的矩陣分解求逆等運(yùn)算。參考文獻(xiàn)[9]研究了基于對角加載奇異值分解的波束形成算法，在一定程度上降低了波束賦形復(fù)雜度，但其計(jì)算量仍然較大。由于無線信道環(huán)境往往變化迅速，因此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)下行波束賦形不僅要考慮賦形效果，而且還要考慮賦形的處理速度。怎樣有效高效地產(chǎn)生波束賦形權(quán)值來匹配信道的變化，從而提高系統(tǒng)的吞吐量，成為衡量波束賦形算法的唯一標(biāo)準(zhǔn)。
1 系統(tǒng)模型
   端口5是LTE協(xié)議中定義用來支持單流波束賦形，單個(gè)端口的數(shù)據(jù)可以加權(quán)映射到多個(gè)物理天線上傳輸[9]?；景l(fā)送端從上行探測導(dǎo)頻(Sounding)估計(jì)出信道信息，然后根據(jù)用戶信道信息計(jì)算出對應(yīng)的波束賦形權(quán)值矩陣?；驹诎l(fā)射端對數(shù)據(jù)先加權(quán)再發(fā)送，形成窄的發(fā)射波束，將能量對準(zhǔn)目標(biāo)用戶，TD-LTE系統(tǒng)8天線波束賦形處理流程如圖1所示。

3.2 TD-LTE 8天線碼本搜索方法
　    對波束賦形權(quán)值碼本進(jìn)行搜索， 當(dāng)權(quán)值顆粒度m=1 RB，為了簡化搜索空間，本文采用在i、j、k的3×16個(gè)碼本中搜索:

 


4.2 仿真結(jié)果及分析
    在仿真過程中，各種PMI碼本組成如下：PMI32(極化內(nèi)8個(gè)值，極化間4個(gè)值)，PMI64(極化內(nèi)16個(gè)值，極化間4個(gè)值)，PMI128(極化內(nèi)32個(gè)值，極化間4個(gè) 值),PMI256(極化內(nèi)16個(gè)值，極化間16個(gè)值)，PMI512(極化內(nèi)32個(gè)值，極化間16個(gè)值)PMI1024(極化內(nèi)256個(gè)值，極化間4個(gè)值)PMI4096(極化內(nèi)256個(gè)值，極化間16個(gè)值)。由于PMI量化后的碼本是恒模的，因此，SVD分解得到權(quán)值也采用恒模計(jì)算，仿真選取MCS5和MCS16兩種條件并進(jìn)行了對比，如圖2、圖3所示。

    仿真結(jié)果分析：兩圖給出了基于SVD分解算法和基于碼本搜索算法的性能對比曲線。傳統(tǒng)基于SVD分解的算法能夠較好地匹配用戶信道，因此其性能最優(yōu)。從圖中可以看到PMI的量化誤差在0.5~1 dB左右，相對于SVD算法，基于碼本搜索的算法性能增益有所損失，但損失不大，能夠保證波束賦形效果。而且，基于碼本搜索的算法在復(fù)雜度上有一定優(yōu)勢。另外，隨著碼本數(shù)的增加，基于碼本搜索的算法性能呈增長趨勢。
    本文基于預(yù)編碼思想，提出了一種基于碼本的波束賦形方法。通過設(shè)計(jì)一種適用于TD-LTE系統(tǒng)的8天線波束賦形權(quán)值碼本，并對碼本進(jìn)行搜索，在波束賦形過程中無需復(fù)雜的矩陣分解運(yùn)算，大大減少單流波束賦形的計(jì)算量，更易于軟硬件實(shí)現(xiàn)。再者，基于碼本的波速賦形能夠減小LTE子系統(tǒng)間的反饋，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜度。因此，其在未來無線系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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