混合波束賦形技術在4G通信系統中的性能研究范文

本站小編為你精心準備了混合波束賦形技術在4G通信系統中的性能研究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：

首先對常見的4G無線通信系統，描述了混合型的波束賦形算法，混合波束賦形技術是介于長期和短期波束賦形之間，最佳接近于Nrx＝1。對于任意一個終端而言，每個RB的瞬時信道類似于單層波束賦形中的情況，一個特征值分解能夠應用于瞬時或平均信道相關矩陣。波束賦形傳輸也能夠沿著信道最強的方向傳輸所有可獲得的功率（通過相關矩陣的顯性特征向量可實現）。接著對混合波束賦形技術做了一個軟件設計實現方案，包含上行鏈路的SRS合路器和下行鏈路的物理層設計。最后，對于不同的算法性能指標給出了詳細的仿真，得到了一些技術結論。

關鍵詞：

基于特征值的波束賦形；雙極化天線；合路器；信道實現；移動速度；鏈路層性能

1引言

在4g無線通信系統的標準中，所采用的MIMO技術主要包括波束賦形、空分復用、發送分集等。其中基于終端參考信號的波束賦形技術能夠利用4G無線通信系統中上下行信道的互易性，針對單一的用戶終端進行動態的波束賦形，以至有效地提高傳輸效率和增強邊際覆蓋的性能。混合波束賦形具有4×4低速率EVD、粗頻率分辨和2×2高速EVD、細頻率分辨的特點，它也可以取代2×2EVD的需求（具有PMI返回使用2個發射碼）。此外，盡管它有利于具有小間距的ULA，但是它仍然是針對小間距的quad－X量身定做的［1］。大多數基于特征值的混合波束賦形技術是基于奇異值分解。混合波束賦形通常具有±45°傾斜的quad－X，例如，每個極化組具有4天線元素間距。Quad－X的信道矩陣可以被表示為空間相關矩陣Hs（單極化天線）和偏振相關矩陣X（共存天線）的Kronecker產品，例如，混合波束賦形能夠設計瞬時信道估計H到特征子空間。在這種狀況下，兩個權重因子也可以是同時獲得的［2］。

2算法概述

2．1單一的長期波束賦形算法

因為基站需要獲取來自上行參考信號的下行CSI先驗信息，為了實現特征值波束賦形，信道互易性也是被強制的。如果雙極化天線陣列被用在基站上，將體現為交叉極化4＋4陣列，將天線陣列分成兩組，4個共同極化元素（1、2、3、4）和（5、6、7、8）。由于小天線間距和具有不同偏振的元素幾乎是完全不相關的，這將導致大量的共同極化元素具有相關性。可以進一步假設兩個偏振態具有相同的空間信道協方差矩陣，所以可以在兩個極化組進行取值平均，如下式所示：作為結果，平均空間協方差矩陣的主要特征向量是4×1向量。為了獲得一個8×1波束賦形向量，能夠隨機地通過一個單一的2×1向量進行預編碼出一個4×1顯性特征向量。單一的2×1向量可以從以下公式中進行選擇。所以對于第i個PRB值，ai（）＝Vi，i≤K（ai（）＝V（i－1）modK＋1）相當。否則，可以選擇固定K1＝16和K2＝4子帶的單一長期波束賦形矢量也可以通過以下式子計算得到［4］：

2．2混合波束賦形算法

類似于單一的長期波束賦形，混合波束賦形算法也是基于雙極化天線陣列，并且混合波束賦形的權重因子也能被一個2×1向量和4×1的向量Knonecker產品所代表。唯一的區別是混合波束賦形的2×1矢量并不能夠被單一向量隨機選擇，但是能被瞬時信道狀態信息計算［3］。在以上公式中，對于當前的子幀，hi，1、hi，2是兩個極化組的信道向量。U0是長期平均信道協方差矩陣的原則向量。因此，子帶混合波束賦形矢量也可以被計算為另外也能從子空間正交規劃派生出混合波束賦形。假設不同偏振態是幾乎不相關，對于每個獨立的偏振，可以規劃瞬時信道到其信號子空間。信號子空間能被定義為非零特征值所對應特征向量，即：正交規劃的目的是消除來自瞬時信道信息的噪聲（由于非理想估計），為了降低復雜性，只能選擇最強的顯性特征向量作為信號子空間，那么這個方法也類似于前面的Knonecker產品［6］。

3軟件方案設計

為了更新單一的長期波束賦形，混合波束賦形技術中要求SRS合路器計算和報告4×4協方差矩陣到數據鏈路層，其中數據鏈路層將只做4×4分解，留下Knonecker產品到下行物理層去做處理。

3．1上行鏈路

SRS合成器設計關于相關矩陣計算，混合波束賦形的權重對于每個UE的PRB值都是均等的。它的權重計算如下：假設在PRB中，被估計的信道向量各自在兩個極化天線組合中被分開描述為hi，1，hi，2，那么在當前子幀n上空間信道協方差是能夠被所有使用偽隨機位序列的兩個極化天線元素所計算得到的，對于混合波束賦形的權重計算，Wi＝1．414＊Si／∑8i＝1S槡i，Si是SRS接收機發送的一個值，這是在SRS減損和接收機校準補償后介于4個PRB之間的平均值，它在一組PRB中的4個PRB權重中有同樣的值。對于混合波束賦形的權重老化，SRS合路器將對每個UE的每個子幀中的PRB檢查它的波束賦形的老化，如果老化程度大于門限值（15是默認值），那么SRS將標記波束賦形的權重值為無效。上行SRS合路器也將發送消息到數據鏈路層，其中必須包括字段SSrsU－eReceiveRespU，它的協方差矩陣是4×4［7］。

3．2下行鏈路的物理層設計

SRS帶寬并不涵蓋所有的PRB，也就是意味著不是每個PRB都能得到一個混合波束賦形的權重，一個快速的解決方案是對那些沒有混合波束賦形權重的PRB，讓它們用長期波束賦形來進行代替。不同的波束賦形技術對于在Core1中的存儲方式也不盡相同［8］。對于在Core1上的單一長期波束賦形，存貯a（i）到本地的緩沖區，緩沖區的大小是2個字節，總計需要2×64×4＝512字節。在下行物理層core1中，可以使最終權重表達式為如下方程＝a（k）U＊0，k＝imod64，i＝1，2，NPRB（8）對于在Core1中的混合波束賦形，下行物理層將直接讀取來自上行物理層的混合波束賦形的權重值，對于那些沒有標記權重值和沒有混合波束賦形的PRB值，那么也可以用單一的長期波束賦形來代替。對于其他的PRB值，需要首先計算下列的方程式

4性能仿真和分析

對于混合波束賦形的可行性算法迭代仿真研究，假定它是一個單用戶，且具有以下條件：在低速移動下，只有PDSCH信道，沒有PBCH信號，沒有控制信道和同步信號。在這個基準前提下，使用單發單收的SISO模型和單發雙收的SIMO模型（MRC）進行仿真假設［10］。如上節所提到的，混合波束賦形的延遲擴展和角度傳播應當服從一些其他類型的隨機分布，其中的RMS值應當是修復值。但對于每條下降曲線，信道實現卻是隨機值且與邊界種子相關，如圖1所示，每個點是每一個下降曲線的值（不同的邊界種子），整條曲線代表了平均性能。從圖中可以得出結論，具有不同邊界種子的曲線，混合波束賦形具有完全不同的性能。因此為了避免邊界種子的影響，需要運行多條曲線來得到性能平均值［9］。

4．1不同角度傳播下混合波束賦形性能

首先，仿真實驗離線地選擇一些具有角度5°和15°邊界種子來建立種子池。接著，對于每條下降曲線，它從種子池獲取具有各自角度5°和15°的邊界種子。如圖2所示，可以得出結論，混合波束賦形技術能在具有兩根接收天線的UE上提供5～7．3dB的增益，在具有一根接收天線的UE上提供7．5～10．7dB的增益。對于SRS的噪聲干擾，在具有兩根接收天線的UE上，混合波束賦形技術幾乎沒有任何損耗。但在具有一根接收天線的UE上對于SRS的噪聲干擾，卻是極其敏感并且衰減量很大。相對而言，混合波束賦形在小角度范圍的傳播上比其他類別的波束賦形技術有更好的性能。

4．2不同移動速度下混合波束賦形的性能

如圖3所示，相對于短期波束賦形而言，混合波束賦形在UE的低速移動中是性能指標更加優越。但在120km／h的大移動速度上，它的性能指標比3km／h的低速SIMO更加優越。對于3km／h速度的靜態信道，短期波束賦形是最好的選擇，但是當速度達到30km／h時，必須回退到TxDiv模式。當考慮普通30km／h的速度和SRS躍變時，在波束賦形類別中，長期波束賦形具有最壞的性能指標，而混合波束賦形是最優化的解決方案。當SRS躍變時，由于遭到來自SRS信道不平衡所引起的干擾，8根發送天線的波束賦形性能比4根發送天線的波束賦形性能要差。與帶寬相比，沒有高性能損耗的最小SRS帶寬是12個PRB。

5結論

通過實驗仿真分析，結合短期和長期波束賦形，可以達到最優的具有整體最佳性能的混合波束賦形，它能實時地根據信道條件自適應的在短期和長期波束賦形中進行切換。如果終端側的天線開關沒有開啟，智能的波束賦形算法和混合波束賦形算法都是相對較好的雙層波束賦形算法。在低移動速度情況下，智能的波束賦形算法更是最佳的選擇。隨著移動速度的增加，混合波束賦形算法性能將逐漸超越智能波束賦形算法。在SRS躍變中，對于不同的PRB值，權重因子在兩個流之間的切換將明顯有助于改善性能。

參考文獻

［2］謝蕾．移動WiMAX的安全性分析與改進［J］．通信技術，2009（2）：73－75．

［3］羅冠洲，葛春宇，吳喆．TETRA系統端到端加密方式中的密鑰管理［J］．信息安全與通信保密，2008（8）：54－55．

［5］張琳．TD—LTE從技術走向商用［J］．通信世界，2010（8）：43－45．

［7］劉麗，劉世忠，郭燕飛．4G通信系統核心技術MIMO－OFDM研究［J］．移動通信，2009（2）：132－136．

［8］白力軍，張冠宇，蘇志強，等．任意頻點雙混頻時差測量方法及儀器的研究［J］．電子測量與儀器學報，2014（5）：31－33．

［9］吳德會，游德海，柳振涼，等．交流漏磁檢測法趨膚深度的機理與實驗研究［J］．儀器儀表學報，2014（2）：21－23．

［10］宿紀民，汪普宏．一種超寬帶相參雷達目標模擬器設計［J］．國外電子測量技術，2014（1）：43－44

作者：徐嘯濤 陳麗琴 周巧軍 單位：浙江機電職業技術學院 諾基亞通信技術有限公司浙江分公司