波束賦形（Beamforming，BF）是自適應(yīng)陣列智能天線的一種實(shí)現(xiàn)方式，是一種在多個(gè)陣元組成的天線陣列上實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。它利用有用信號(hào)和干擾信號(hào)在DoA（到達(dá)角）等空間信道特性上的差異，通過(guò)對(duì)天線陣列設(shè)置適當(dāng)?shù)募訖?quán)值，在空間上隔離有用信號(hào)和干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)降低用戶間干擾，提升系統(tǒng)容量的目的。

BF技術(shù)已經(jīng)在TD-LTE、WiMAX、TD-SCDMA等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。

在LTE標(biāo)準(zhǔn)R8版本中，引入了單流BF技術(shù)，對(duì)于提高小區(qū)平均吞吐量及邊緣吞吐量、降低小區(qū)間干擾有著重要作用。但是單流BF僅限于單流傳輸，其層映射和預(yù)編碼是一對(duì)一的映射，并且在標(biāo)準(zhǔn)中只定義了波束賦形所需的專用導(dǎo)頻端口，即端口5以及相應(yīng)的CQI（Channel Quality Indicator）上報(bào)機(jī)制。

在LTE標(biāo)準(zhǔn)R9版本中，將BF技術(shù)擴(kuò)展到雙流傳輸，實(shí)現(xiàn)波束賦形和空分多址的結(jié)合，進(jìn)一步增大系統(tǒng)吞吐量。為了支持雙流BF，在R9中定義了新的傳輸模式和兩個(gè)新端口（端口7和端口8），并且增加了新的控制信令。 下面將對(duì)雙流BF技術(shù)原理、應(yīng)用場(chǎng)景、仿真和實(shí)測(cè)性能分析等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

雙流BF技術(shù)原理

根據(jù)調(diào)度用戶的情況不同，雙流BF技術(shù)可以分為單用戶雙流BF技術(shù)和多用戶雙流BF技術(shù)。

單用戶雙流BF

單用戶雙流BF技術(shù)，由基站測(cè)量上行信道，得到上行信道信息后，基站根據(jù)上行信道信息計(jì)算兩個(gè)天線賦形權(quán)值，利用該賦形權(quán)值對(duì)要發(fā)射的兩個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行下行賦形。

采用單用戶雙流BF技術(shù)，使得單個(gè)用戶在某一時(shí)刻可以進(jìn)行兩個(gè)數(shù)據(jù)流傳輸，同時(shí)獲得賦形增益和空間復(fù)用增益，可以獲得比單流BF技術(shù)更大的傳輸速率，進(jìn)而提高系統(tǒng)容量。此時(shí)，根據(jù)多天線理論可知，接收天線數(shù)不能小于空間復(fù)用的數(shù)據(jù)流數(shù)，即接收端至少需要有2根天線。

多用戶雙流BF

多用戶雙流BF技術(shù)，基站根據(jù)上行信道信息或者UE反饋的結(jié)果進(jìn)行多用戶匹配。多用戶配對(duì)完成后，按照一定的準(zhǔn)則生成天線賦形權(quán)值，利用得到的天線賦形權(quán)值為每一個(gè)UE進(jìn)行賦形。

多用戶雙流BF技術(shù)，利用了智能天線的波束定向原理和空間信道的不相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)多用戶的空分多址。此時(shí)，各用戶占用相同的時(shí)頻資源，但兩個(gè)用戶接收不同的數(shù)據(jù)流。

在多用戶的雙流BF模式下，多用戶UE的配對(duì)可以是兩個(gè)RANK=1的UE配對(duì)；也可以是兩個(gè)RANK=2的UE配對(duì)；也可以是一個(gè)RANK=1和一個(gè)RANK=2的UE的配對(duì)。

后兩種情況中UE通過(guò)DM-RS端口的加擾來(lái)區(qū)別。

雙流BF技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

雙流BF技術(shù)的出現(xiàn)，不僅能夠最大限度地發(fā)揮BF在覆蓋容量上的優(yōu)勢(shì)，而且能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)的頻譜效率，適合于各類室外場(chǎng)景（如城區(qū)、郊區(qū)）的覆蓋，最大限度地滿足運(yùn)營(yíng)商對(duì)覆蓋性能和頻譜效率提升的雙重需求，同時(shí)有效降低網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的干擾。

常用的調(diào)度方法是，基站同時(shí)對(duì)2個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，每用戶各占一流。當(dāng)用戶間的空間隔離度很好的情況下，基站側(cè)可以同時(shí)對(duì)2個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，每用戶均使用兩流BF，充分利用空分特性，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的峰值流量。

在低負(fù)載的情況下，可配對(duì)用戶較少，所以可采用SU-MIMO（單用戶MIMO）使系統(tǒng)獲得更高數(shù)據(jù)峰值流量。MU-MIMO（多用戶MIMO）可在高負(fù)載時(shí)增加同時(shí)調(diào)度的用戶數(shù)，同樣可提高系統(tǒng)峰值流量。

雙流BF的性能分析

為了比較雙流BF與單流BF之間的頻譜效率提升差異，我們進(jìn)行了詳細(xì)的系統(tǒng)仿真來(lái)評(píng)估其性能。為了進(jìn)一步驗(yàn)證雙流BF與其他傳輸模式間的性能差異，選擇在某TD-LTE外場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)分析。

仿真性能分析

仿真使用3GPP 定義的宏小區(qū)仿真場(chǎng)景，仿真條件如表1所示。仿真時(shí)只在中心小區(qū)進(jìn)行均勻撒點(diǎn)，所有用戶使用相同的傳輸機(jī)制。同時(shí)假設(shè)干擾小區(qū)僅進(jìn)行單流傳輸，從而計(jì)算其對(duì)中心小區(qū)用戶的干擾。此外用戶端基于最小均方誤差（MMSE）估計(jì)算法計(jì)算SINR，得到吞吐量。

雙流BF的頻譜效率CDF曲線如圖1所示。單流BF與雙流BF仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

從圖1和表2中可以看出，相對(duì)于單流BF，雙流BF形大約有16%的平均頻譜效率提升，而且小區(qū)邊緣頻譜效率并沒(méi)有損失。

此外，相對(duì)于基于PMI（預(yù)編碼矩陣指示）反饋模式的雙流BF，非基于PMI反饋模式的雙流BF可獲得更高的頻譜效率，更能提高小區(qū)吞吐量。

外場(chǎng)性能分析

在某TD-LTE外場(chǎng)中，對(duì)雙流BF（TM8）的性能進(jìn)行驗(yàn)證。

在一個(gè)主測(cè)小區(qū)中選擇10個(gè)測(cè)試點(diǎn)（近點(diǎn)、中點(diǎn)、遠(yuǎn)點(diǎn)），每個(gè)測(cè)試點(diǎn)兩部終端，分別記錄鄰接小區(qū)空擾和加擾情況下，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)采用不同傳輸模式（TM3、TM7、TM8、自適應(yīng)）的小區(qū)吞吐量。

系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如表3所示。

基站在不同傳輸模式下，小區(qū)平均吞吐量結(jié)果如表4所示。

從表4的測(cè)試結(jié)果看，空擾下的吞吐量TM3和TM3/7自適應(yīng)基本相同，加擾下TM3/7自適應(yīng)比TM3略高，而TM8的流量要高于TM3/7自適應(yīng)。主要是由于TM8和TM3/7自適應(yīng)相比，TM8為雙流BF，在信道質(zhì)量好的測(cè)試點(diǎn)和信道質(zhì)量一般的測(cè)試點(diǎn)能帶來(lái)一定的雙流BF增益。另外TM8中雙流BF和單流BF的切換是模式內(nèi)切換，切換能夠及時(shí)進(jìn)行。而TM3/7自適應(yīng)的雙流和BF單流切換為模式間切換，切換周期長(zhǎng)，而且在切換的過(guò)程中需要空口信令交互，對(duì)流量會(huì)造成一定的損失。

從測(cè)試結(jié)果看，雙流BF在定點(diǎn)的小區(qū)吞吐量測(cè)試中，在空擾和加擾的情況下，TM8優(yōu)于TM3、TM3/7，比TM7模式更優(yōu)，因此雙流BF可以提高小區(qū)吞吐量。

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的頻率資源趨于飽和，頻譜資源越來(lái)越寶貴，靠增加空口帶寬來(lái)提升空口數(shù)據(jù)傳輸速率的方法極大地制約運(yùn)營(yíng)商無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。因此在頻譜資源有限的情況下，如何解決有效提升頻譜效率是眾多無(wú)線運(yùn)營(yíng)商面臨的難題。

從理論和實(shí)測(cè)結(jié)果看，雙流BF技術(shù)不僅能夠最大限度地發(fā)揮BF在覆蓋容量上的優(yōu)勢(shì)，而且能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)的頻譜效率，適合于各類室外場(chǎng)景的覆蓋。因此，雙流BF最大限度地滿足運(yùn)營(yíng)商對(duì)覆蓋性能和頻譜效率提升的雙重需求。

作者：董宏偉，張守霞（中興通訊）