LTE－A下行單用戶MIMO增強技術(shù)研究*

林凌峰，蔡振浩，2，趙 昆

(1.上海貝爾股份有限公司，上海201206;2.上海交通大學(xué)電子工程系，上海200240)

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及各種通信商用業(yè)務(wù)對通信速率、系統(tǒng)容量需求的急速膨脹，這種市場需求牽引，技術(shù)發(fā)展驅(qū)動的典型模式強有力的推動了各標準化組織以及設(shè)備生產(chǎn)商對無線通信標準的持續(xù)演進與商業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)。

LTE－A是基于LTE基礎(chǔ)之上進一步的演進。截止3GPP Release 12協(xié)議中定義了10種下行MIMO傳輸模式。LTE－A系統(tǒng)可以選擇不同的傳輸模式來增加MIMO的空間復(fù)用、發(fā)送分集和波束成形增益。但是由于實際信道的復(fù)雜、快變帶來了諸如頻率選擇特性以及快衰落等特性，嚴重影響了UE側(cè)的信號接收質(zhì)量。因此，實際中eNodeB如何根據(jù)CSI信息選擇合適的預(yù)編碼矩陣以提高傳輸質(zhì)量是學(xué)者們廣泛關(guān)注的重點和難點。

CSI的準確性會對波束成形性能產(chǎn)生影響，針對非碼本預(yù)編碼技術(shù)的研究工作，由于發(fā)送機和接收機的信道狀態(tài)信息存在時延，會影響波束成形性能，文獻［1］推導(dǎo)了接收機誤比特率的閉合表達式，并通過數(shù)值仿真驗證了性能分析的結(jié)論。學(xué)者在此基礎(chǔ)上進一步針對波束成形增益指標，定量分析了當信道互異性不理想時，波束成形性能受到的影響，并提出了兩點改進波束成形性能的建議［2］。而針對碼本的預(yù)編碼設(shè)計中，文獻［3］較為全面的歸納了Release12中最新的針對雙碼本結(jié)構(gòu)4TX的演進策略以及對MU－CSI方面的發(fā)展。

不難看出，衰落信道對用戶通信質(zhì)量惡劣影響的問題是eNodeB物理層開發(fā)的一個關(guān)鍵難點問題，如何根據(jù)協(xié)議充分利用CSI、CQI信息提高通信質(zhì)量是值得做深入研究。文中的目的正是期望通過研究單用戶MIMO技術(shù)特點以及演進趨勢，分析技術(shù)特點和有效促進未來商用產(chǎn)品性能的提升。文中分析了LTE－A中非碼本和碼本技術(shù)演進的新特點，著重研究了LTE－A中新的雙碼本結(jié)構(gòu)，在對信道屬性匹配、碼本搜索運算復(fù)雜度和UE上報載荷方面的改進。文中通過計算機鏈路級仿真比較了LTE－A中基于碼本以及非碼本預(yù)編碼技術(shù)的吞吐量性能，仿真結(jié)果表明碼本技術(shù)在終端移動速度較低時較非碼本技術(shù)具有一定優(yōu)勢。文中基于該結(jié)論，分別針對不同預(yù)編碼技術(shù)提出了相應(yīng)的改進思路能夠有效應(yīng)用于指導(dǎo)實際產(chǎn)品設(shè)計。

1 數(shù)學(xué)模型以及技術(shù)分析

假設(shè)一個下行MIMO系統(tǒng)，eNodeB側(cè)天線數(shù)為M根，UE有N根天線，則UE方的基帶接收信號表達式為:

式中，r是N×1的接收信號;HDL是N×M的下行信道矩陣;W是M×K的預(yù)編碼矩陣，K是預(yù)編碼矩陣支持的層數(shù);s是eNodeB的發(fā)送數(shù)據(jù);n是N×1的接收噪聲矢量。

預(yù)編碼矢量W的生成主要有兩種方式，一種是基于非碼本的W設(shè)計方法，即根據(jù)上下行信道互易性原理認為HDL=HUL，eNodeB采用對信道信息矩陣進行奇異值分解的方法根據(jù)上行CSI信息計算得到W［4］。還有一種是基于碼本的W選擇方法，3GPP協(xié)議中分析了基于DFT和Householder變換的碼本設(shè)計思想，UE側(cè)根據(jù)估計的信道狀態(tài)信息，采用吞吐量、BLER最大化等作為篩選策略從已知的預(yù)編碼矩陣碼本中選擇合適的碼本信息上報eNodeB綜合利用［5］。

為了滿足高數(shù)據(jù)率和高系統(tǒng)容量方面的需求，LTE系統(tǒng)物理層中采用了MIMO多天線技術(shù)，其中包括空間復(fù)用、波束賦型以及發(fā)射分集技術(shù)。當空間信道的具有弱相關(guān)性時，特別是接收信噪比較低的小區(qū)邊緣用戶，可以通過采用TM2、3等發(fā)射分集，結(jié)合時間/頻率上的選擇性，基于分集增益提高信號傳輸?shù)目煽啃?。當空間信道呈現(xiàn)較強相關(guān)性時，在LTE系統(tǒng)中通?？紤]采用波束賦型技術(shù)，利用波的干涉原理產(chǎn)生強方向性的輻射方向圖，使得輻射方向圖的主瓣自適應(yīng)的指向用戶來波方向獲得波速賦型增益，從而提高信噪比，提升eNodeB信號覆蓋范圍。

隨著eNodeB和UE天線數(shù)目增加，工程師們在預(yù)編碼設(shè)計的出發(fā)點主要是基于空間復(fù)用技術(shù)，通過多流之間的合作在獲得賦型增益的同時進一步提升系統(tǒng)容量。如圖1所示，eNodeB根據(jù)UE上行的Sounding參考信號估計CSI信息選擇合適預(yù)編碼矢量獲取賦型增益，并根據(jù)UE上報的CQI信息合理選擇MCS，通過AMC技術(shù)改善鏈路質(zhì)量。TM7/8中分別支持單用戶單、雙流的波速賦型技術(shù)，在LTE－A中協(xié)議新增加的TM9，10最多可支持單用戶8流或是每個用戶最多4個流的MU－MIMO傳輸。而在非碼本預(yù)編碼技術(shù)中，如圖2所示，UE通過CSI－RS信號計算 PMI、CQI信息上報 eNodeB。eNodeB側(cè)則可以根據(jù)UE上報的CQI、PMI、RI等信息綜合考慮選擇合適的碼本進行傳輸。可以認為這種做法更多是考慮到目前UE側(cè)的運算能力有限，因此給予eNodeB側(cè)在預(yù)編碼矩陣選擇上給予更多的自由度，以確保性能。LTE－A中為了增強CSI的估計能力也對參考信號做了進一步完善，如圖3所示，其中R0是CRS，①是 PORT 7＆8的UE指定參考信號，②、③、④、⑤是 port 15 ～22 CSI－RS。

圖1 基于非碼本預(yù)編碼技術(shù)的部分控制信息交互示意Fig.1 Uplink ＆ downlink control information based on non－codebook mode

圖2 基于碼本預(yù)編碼技術(shù)的部分控制信息交互示意Fig.2 Uplink ＆ downlink control information based on codebook mode

圖3 CSI－RS參考信號示意Fig.3 CSI－ RS reference signals

LTE－A中基于碼本的預(yù)編碼矩陣設(shè)計也得到增強，與LTE相比其支持8port的碼本，可以認為這種增強不僅體現(xiàn)在所支持天線數(shù)目的增加，亦體現(xiàn)在碼本設(shè)計思想的前進。針對雙極化天線陣列以及同向極化天線陣列協(xié)議中提出了如式(2)所示的雙矩陣乘積預(yù)編碼矩陣設(shè)計形式:

通常認為W1代表信道的方向特性，這種特性是經(jīng)過長時間/寬頻段統(tǒng)計得到的CSI信息。W2體現(xiàn)相對短時/頻率選擇特性的CSI信息。以圖4雙極化天線陣列為例，通常認為同一極化方向內(nèi)的四根天線具有較強的相關(guān)特性，而不同組間可以認為相關(guān)性較弱或是相互獨立。W1采用塊對角化結(jié)構(gòu)主要是考慮到可以采用W1表征各組內(nèi)同向天線陣列的空間相關(guān)特性，而W2則體現(xiàn)兩組天線陣列間的相位相關(guān)特性。

圖4 交叉極化天線結(jié)構(gòu)Fig.4 Cross polarization antenna

不同rank下W1，W2的配對數(shù)情況如表 1所示。采用這種雙碼本結(jié)構(gòu)可以獲得的好處主要有:①充分區(qū)分空間信道的寬頻段以及各子帶的信道屬性;可以認為W1是采用較粗的時頻顆粒度計算得到的較穩(wěn)定的信道指向?qū)傩?，而W2則能夠提供更精確實時的信道特性;②提高PMI選擇效率;這種雙碼本結(jié)構(gòu)能夠有效降低碼本搜索的復(fù)雜度，可以在確定W1的基礎(chǔ)上經(jīng)過二次匹配選擇W2，能夠有效提高運算效率;③支持rank自適應(yīng)的PMI選擇策略;W1可以選擇小于rank碼本，進而搜索最優(yōu)W1，W2的配對組合;④更易用支持多用戶MIMO;通過W1的選擇區(qū)分不同的UE，而通過W1，W2的配對組合具體服務(wù)不同的UE。

在LTE－A協(xié)議中W1采用如式(3)、式(4)的DFT基結(jié)構(gòu)，能在滿足正交性基礎(chǔ)上，較好的區(qū)分空間信道的指向?qū)傩裕瑯O好的匹配雙碼本設(shè)計宗旨。

表1 不同rank下~W1，W2的配對數(shù)目情況Table 1 Number of~W1，W2for each layer numbers

在式(5)、式(6)中，分別以秩為1和2為例給出了W2矩陣的設(shè)計結(jié)果。

Rank1:

Rank2:

容易看出，在LTE－A系統(tǒng)中，無論是非碼本還是碼本技術(shù)都得到了改進。非碼本的增強體現(xiàn)在上行sounding RS和下行支持的層數(shù)，而碼本技術(shù)則側(cè)重改進了CQI和PMI的準確性。

2 仿真及結(jié)果分析

根據(jù)LTE－A標準中規(guī)定的PDSCH信號發(fā)送和接收流程，信道模型采用3GPP SCM Urban Macro模型，8發(fā)2收的情況下分別對3 km/h、30 km/h、120 km/h對TM9的吞吐量進行仿真分析和比較。表2中給出的是仿真條件以及參數(shù)設(shè)置。

表2 仿真條件及參數(shù)設(shè)置Table 2 Simulation condition and reference setting

仿真中，非碼本方法權(quán)重的產(chǎn)生采用文獻［4］所述，在基站側(cè)對CSI矩陣HDL進行SVD分解后獲得的右奇異矩陣作為預(yù)編碼矩陣。而基于碼本的權(quán)重選擇策略則是在UE側(cè)獲得理想CSI估計值基礎(chǔ)上以接收SINR最大化為目標函數(shù)，由表1中遍歷搜索獲得相應(yīng)的~W1，W2。

由圖5所示的仿真結(jié)果可以看出在低移動速度3 km/h時，隨著信噪比的提高，基于碼本的預(yù)編碼方法較非碼本的方法約有1 dB的吞吐量性能提高。而在終端處于較高移動速度的場合，碼本與非碼本與編碼方法的性能基本接近，隨著信噪比的提升，吞吐量性能改善不明顯。

圖5 TM9碼本與非碼本仿真吞吐量比較Fig.5 TM9 through based on codebook and non － codebook

對于該仿真結(jié)果，我們分析由于LTE－A中在CSI信息估計中，碼本采用8port CSI－RS估計信道信息，而非碼本可以采用2port sounding RS信號估計信道信息，因此，可以認為二者在CSI信息獲取上可以獲得相近的性能。但是影響鏈路性能的除了權(quán)重本身的準確還有CQI，也就是基于碼本DL CSIRS的CQI計算會包含PMI的因素，而非碼本預(yù)編碼中采用的基于互易性的CQI沒有考慮非碼本權(quán)重。這使得在圖1、圖2的控制信息交互示意圖中，非碼本方法由于CQI信息更準確，其鏈路自適應(yīng)中選擇的MCS能獲得更大的吞吐量增益。而在移動速度較高、信道質(zhì)量惡化時，eNodeB只能選擇越來越低 MCS，最終使得二者在 AMC上的增益趨于一致。

在工程研究中也發(fā)現(xiàn)一些重要問題，由于空間物理信道總是復(fù)雜多變的，不可避免的需要根據(jù)信道統(tǒng)計信息進行預(yù)編碼矩陣的設(shè)計。根據(jù)信道的相關(guān)帶寬以及時間相關(guān)性選擇合理的頻譜寬度或是時間長度來統(tǒng)計信道狀態(tài)特性是影響系統(tǒng)增益以及運算復(fù)雜度的重要因素，這一點是后繼研究的工作重點。

3 結(jié)語

筆者長期從事無線通信產(chǎn)品的研發(fā)工作，文中針對LTE－A系統(tǒng)中基于碼本以及非碼本的預(yù)編碼方法，研究了下行單用戶MIMO的增益特點以及演進趨勢，深入比較了LTE－A中新的雙碼本結(jié)構(gòu)，在對信道屬性匹配、碼本搜索運算復(fù)雜度和UE上報載荷方面的改進。文中通過計算機鏈路級仿真定量評估了SCME信道下碼本和非碼本的吞吐量能力，該結(jié)果可以作為業(yè)界分析4G產(chǎn)品性能提供參考。文中最后也指出了信道空間統(tǒng)計信息的計算策略是影響增益和運算復(fù)雜度的一種重要因素，值得深入研究，這個工作將在后繼研究工作重點開展。

［1］趙昆，李亞麟，胡波，等.TDD MISO系統(tǒng)中波束成形的性能分析［J］.通信技術(shù)，2009，42(08):204－208.ZHAO Kun，LI Y L，HU B，et al.Performance Analysis on Beamforming in TDD MISO Systems［J］.Communication Engineering，2009，42(08):204 －208.

［2］趙昆，蔣智寧.不理想的信道互易性對波束成形技術(shù)的影響［J］.電訊技術(shù)，2013，35(01):60－62.ZHAO Kun，JIANG Z.N.，Impact of Non－ideal Channel Reciprocity on Beam Forming［J］.Telecommunication Engineering，2013，35(01):60 －62.

［3］ZHANG Min.RP －131252，F(xiàn)urther Downlink MIMO Enhancement for LTE －Advanced［R］.Porto Portugal:Alcatel－ Lucent，September 2013.

［4］PAPADIASC H H，VENKATESAN S，MIMO Communication for Cellular Networks［M］.USA:Springer New York Press，2011:122 －160.

［5］LINY H，CHEN Y H，CHU C Y，et al，Dual－Mode Low －Complexity Codebook Searching Algorithm and VLSI Architecture for LTE/LTE －Advanced Systems［J］.IEEE Transaction on Signal Processing，2013，61(14):3545 －3562.