波束賦形（Beamforming，BF）是自適應陣列智能天線的一種實現方式，是一種在多個陣元組成的天線陣列上實現的數字信號處理技術。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，通過對天線陣列設置適當的加權值，在空間上隔離有用信號和干擾信號，實現降低用戶間干擾，提升系統容量的目的。

BF技術已經在TD-LTE、WiMAX、TD-SCDMA等無線網絡中得到了廣泛的應用。

在LTE標準R8版本中，引入了單流BF技術，對于提高小區平均吞吐量及邊緣吞吐量、降低小區間干擾有著重要作用。但是單流BF僅限于單流傳輸，其層映射和預編碼是一對一的映射，并且在標準中只定義了波束賦形所需的專用導頻端口，即端口5以及相應的CQI（Channel Quality Indicator）上報機制。

在LTE標準R9版本中，將BF技術擴展到雙流傳輸，實現波束賦形和空分多址的結合，進一步增大系統吞吐量。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技術原理、應用場景、仿真和實測性能分析等內容進行詳細說明。

雙流BF技術原理

根據調度用戶的情況不同，雙流BF技術可以分為單用戶雙流BF技術和多用戶雙流BF技術。

單用戶雙流BF

單用戶雙流BF技術，由基站測量上行信道，得到上行信道信息后，基站根據上行信道信息計算兩個天線賦形權值，利用該賦形權值對要發射的兩個數據流進行下行賦形。

采用單用戶雙流BF技術，使得單個用戶在某一時刻可以進行兩個數據流傳輸，同時獲得賦形增益和空間復用增益，可以獲得比單流BF技術更大的傳輸速率，進而提高系統容量。此時，根據多天線理論可知，接收天線數不能小于空間復用的數據流數，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，基站根據上行信道信息或者UE反饋的結果進行多用戶匹配。多用戶配對完成后，按照一定的準則生成天線賦形權值，利用得到的天線賦形權值為每一個UE進行賦形。

多用戶雙流BF技術，利用了智能天線的波束定向原理和空間信道的不相關性，實現多用戶的空分多址。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據流。

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端口的加擾來區別。

雙流BF技術應用場景

雙流BF技術的出現，不僅能夠最大限度地發揮BF在覆蓋容量上的優勢，而且能夠進一步提升系統的頻譜效率，適合于各類室外場景（如城區、郊區）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，同時有效降低網絡內的干擾。

常用的調度方法是，基站同時對2個用戶發送數據，每用戶各占一流。當用戶間的空間隔離度很好的情況下，基站側可以同時對2個用戶發送數據，每用戶均使用兩流BF，充分利用空分特性，進一步提高系統的峰值流量。

在低負載的情況下，可配對用戶較少，所以可采用SU-MIMO（單用戶MIMO）使系統獲得更高數據峰值流量。MU-MIMO（多用戶MIMO）可在高負載時增加同時調度的用戶數，同樣可提高系統峰值流量。

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，我們進行了詳細的系統仿真來評估其性能。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 定義的宏小區仿真場景，仿真條件如表1所示。仿真時只在中心小區進行均勻撒點，所有用戶使用相同的傳輸機制。同時假設干擾小區僅進行單流傳輸，從而計算其對中心小區用戶的干擾。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，而且小區邊緣頻譜效率并沒有損失。

此外，相對于基于PMI（預編碼矩陣指示）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）的小區吞吐量。

系統關鍵參數設置如表3所示。

基站在不同傳輸模式下，小區平均吞吐量結果如表4所示。

從表4的測試結果看，空擾下的吞吐量TM3和TM3/7自適應基本相同，加擾下TM3/7自適應比TM3略高，而TM8的流量要高于TM3/7自適應。主要是由于TM8和TM3/7自適應相比，TM8為雙流BF，在信道質量好的測試點和信道質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的切換是模式內切換，切換能夠及時進行。而TM3/7自適應的雙流和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。

從測試結果看，雙流BF在定點的小區吞吐量測試中，在空擾和加擾的情況下，TM8優于TM3、TM3/7，比TM7模式更優，因此雙流BF可以提高小區吞吐量。

隨著無線通信系統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據傳輸速率的方法極大地制約運營商無線網絡的發展。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。

從理論和實測結果看，雙流BF技術不僅能夠最大限度地發揮BF在覆蓋容量上的優勢，而且能夠進一步提升系統的頻譜效率，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）