波束賦形（Beamforming，BF）是自適應(yīng)陣列智能天線的一種實現(xiàn)方式，是一種在多個陣元組成的天線陣列上實現(xiàn)的數(shù)字信號處理技術(shù)。它利用有用信號和干擾信號在DoA（到達角）等空間信道特性上的差異，通過對天線陣列設(shè)置適當(dāng)?shù)募訖?quán)值，在空間上隔離有用信號和干擾信號，實現(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）上報機制。

在LTE標(biāo)準(zhǔn)R9版本中，將BF技術(shù)擴展到雙流傳輸，實現(xiàn)波束賦形和空分多址的結(jié)合，進一步增大系統(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。 下面將對雙流BF技術(shù)原理、應(yīng)用場景、仿真和實測性能分析等內(nèi)容進行詳細(xì)說明。

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)上行信道信息計算兩個天線賦形權(quán)值，利用該賦形權(quán)值對要發(fā)射的兩個數(shù)據(jù)流進行下行賦形。

采用單用戶雙流BF技術(shù)，使得單個用戶在某一時刻可以進行兩個數(shù)據(jù)流傳輸，同時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，進而提高系統(tǒng)容量。此時，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)果進行多用戶匹配。多用戶配對完成后，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UE進行賦形。

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，實現(xiàn)多用戶的空分多址。此時，各用戶占用相同的時頻資源，但兩個用戶接收不同的數(shù)據(jù)流。

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

后兩種情況中UE通過DM-RS端口的加擾來區(qū)別。

雙流BF技術(shù)應(yīng)用場景

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，而且能夠進一步提升系統(tǒng)的頻譜效率，適合于各類室外場景（如城區(qū)、郊區(qū)）的覆蓋，最大限度地滿足運營商對覆蓋性能和頻譜效率提升的雙重需求，同時有效降低網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的干擾。

常用的調(diào)度方法是，基站同時對2個用戶發(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)可以同時對2個用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，每用戶均使用兩流BF，充分利用空分特性，進一步提高系統(tǒng)的峰值流量。

在低負(fù)載的情況下，可配對用戶較少，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)載時增加同時調(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，我們進行了詳細(xì)的系統(tǒng)仿真來評估其性能。為了進一步驗證雙流BF與其他傳輸模式間的性能差異，選擇在某TD-LTE外場進行實測分析。

仿真性能分析

仿真使用3GPP 定義的宏小區(qū)仿真場景，仿真條件如表1所示。仿真時只在中心小區(qū)進行均勻撒點，所有用戶使用相同的傳輸機制。同時假設(shè)干擾小區(qū)僅進行單流傳輸，從而計算其對中心小區(qū)用戶的干擾。此外用戶端基于最小均方誤差（MMSE）估計算法計算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)果對比見表2。

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

此外，相對于基于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。

外場性能分析

在某TD-LTE外場中，對雙流BF（TM8）的性能進行驗證。

在一個主測小區(qū)中選擇10個測試點（近點、中點、遠點），每個測試點兩部終端，分別記錄鄰接小區(qū)空擾和加擾情況下，每個測試點采用不同傳輸模式（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)量好的測試點和信道質(zhì)量一般的測試點能帶來一定的雙流BF增益。另外TM8中雙流BF和單流BF的切換是模式內(nèi)切換，切換能夠及時進行。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，而且在切換的過程中需要空口信令交互，對流量會造成一定的損失。

從測試結(jié)果看，雙流BF在定點的小區(qū)吞吐量測試中，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。

隨著無線通信系統(tǒng)的頻率資源趨于飽和，頻譜資源越來越寶貴，靠增加空口帶寬來提升空口數(shù)據(jù)傳輸速率的方法極大地制約運營商無線網(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線運營商面臨的難題。

從理論和實測結(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，而且能夠進一步提升系統(tǒng)的頻譜效率，適合于各類室外場景的覆蓋。因此，雙流BF最大限度地滿足運營商對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）