LTE中雙流波束賦型的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

1、2009年9月第9期現(xiàn)代電信科技ODERN SCIENCE &TECHNOLOGY OF TELECOMMUNICATIONS現(xiàn)代電信科技M····························LTE 中雙流波束賦型的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展焦慧穎工業(yè)和信息化部電信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師摘要:雙流波束賦形是3GPP R

2、AN1R9的工作項(xiàng)目,目的是將LTE R8中的單流波束賦形擴(kuò)展到雙流,要求所有增強(qiáng)的能力在網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)均后向兼容R8。介紹了雙流波束賦形的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展,并簡(jiǎn)要分析了相關(guān)的問(wèn)題。關(guān)鍵詞:LTE ,雙流波束賦形,解調(diào)導(dǎo)頻,PMI 反饋Abstract :As a 3GPP Work Item,enhanced DL transmission for support of single -user dual -layer beamforming using UE-specific RS was agreed for R9.The objective of this work item is to su

3、pport single user dual -layer beamforming using UE specific RS for both LTE-TDD and FDD,all new enhanced features and capabilities shall be backward compatible with networks and UEs compliant with LTE Release 8,and also should aim to be as an extension of the beamforming in Release 8.In this paper,t

4、he standard status of dual layer beamforming is introduced and some related problems are discussed.Key Words:LTE ,dual layer beamforming ,DM RS ,PMI feedbackLTE R8只支持單流單碼字的波束賦形,R9中將其擴(kuò)展到雙流,并考慮是否引入多用戶(hù)多輸入多輸出(M U-MIMO技術(shù)。波束賦形是應(yīng)用于小間距的天線陣列傳輸技術(shù),利用空間的強(qiáng)相關(guān)性及波的干涉原理產(chǎn)生方向性的輻射方向圖,使輻射方向圖的主瓣自適應(yīng)地指向用戶(hù)來(lái)波方向,從而提高信噪比、系統(tǒng)容量或

5、覆蓋范圍。為了獲得波束賦形增益,需要使用較多的天線單元,而目前LTE 僅僅考慮最多使用4個(gè)公用導(dǎo)頻,無(wú)法支持在超過(guò)4根天線單元的天線陣列上使用波束賦形,因此波束賦形需要使用專(zhuān)用導(dǎo)頻。RAN 第43次會(huì)議通過(guò)了單用戶(hù)雙流波束賦形的工作項(xiàng)目(WI,研究范圍如下:(1LTE-TDD 和FDD 均支持采用用戶(hù)專(zhuān)用導(dǎo)頻的單用戶(hù)雙流波束賦形。(2用戶(hù)專(zhuān)用解調(diào)導(dǎo)頻的設(shè)計(jì),滿足與LTE-A 解調(diào)導(dǎo)頻前向兼容。(3在反饋設(shè)計(jì)中考慮利用信道對(duì)稱(chēng)性的原則,也需要評(píng)估其他類(lèi)型的反饋方式。(4所有新的增強(qiáng)特性和能力在網(wǎng)絡(luò)和終端適用性上均應(yīng)后向兼容,目的是擴(kuò)展R8中的波束賦形。(5建議RAN 第44次會(huì)議上討論是否可以將

6、此WI 擴(kuò)展到MU-M IMO 技術(shù)中。1標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展及討論的主要問(wèn)題自立項(xiàng)以來(lái),雙流波束賦形得到了充分的討論。主要問(wèn)題集中在以下幾個(gè)方面:(1在TDD 系統(tǒng)中,是否可以利用信道的對(duì)稱(chēng)特性,而不需要反饋預(yù)編碼矩陣指示(PMI ,但天線校準(zhǔn)問(wèn)題對(duì)于TDD 信道對(duì)稱(chēng)性的影響較大,因此又涉及到天線校準(zhǔn)43MSTT September 2009e a t ru e s技術(shù)專(zhuān)題F···················&

7、#183;········問(wèn)題。(2碼字(code word 到層(layer 的映射問(wèn)題。(3專(zhuān)用導(dǎo)頻的設(shè)計(jì)以及秩(rank 的自適應(yīng)問(wèn)題。(4如擴(kuò)展到MU-MIMO ,是采用透明MU-MIMO 還是非透明MU-MIMO 。非透明的MU-MIMO 需要通知用戶(hù)與哪個(gè)用戶(hù)配對(duì)等,因此涉及到導(dǎo)頻設(shè)計(jì)、下行信令和干擾消除等相關(guān)問(wèn)題。針對(duì)相應(yīng)的問(wèn)題,RAN1第57次會(huì)議給出初步的結(jié)論:(1rank 1和rank 2的專(zhuān)用導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)相同,每個(gè)物理資源塊(PRB 中專(zhuān)用導(dǎo)頻的數(shù)量為12個(gè)資源粒子(RE。(2如果性能好于R8專(zhuān)用

8、導(dǎo)頻或與其相當(dāng),導(dǎo)頻設(shè)計(jì)與R10前向兼容。(3支持動(dòng)態(tài)快速的rank 自適應(yīng)。(4FDD 采用反饋PM I 方式,TDD 方式需要進(jìn)一步研究。(5進(jìn)一步研究是否需要終端校準(zhǔn)。(6使用R8中的層映射方法作為基準(zhǔn)。2關(guān)于解調(diào)導(dǎo)頻的設(shè)計(jì)由于LTE R8支持解調(diào)導(dǎo)頻,因此存在專(zhuān)用導(dǎo)頻是否需要后向兼容R8的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)討論和仿真證明,大部分公司同意專(zhuān)用導(dǎo)頻前向兼容R10,需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于要求一個(gè)資源塊(RB 中有12個(gè)RE 作為導(dǎo)頻,因此有三種導(dǎo)頻的復(fù)用方法,即時(shí)分復(fù)用(TDM 、頻分復(fù)用(FDM 和碼分復(fù)用(CDM ,各種復(fù)用方案分別有自己的優(yōu)缺點(diǎn),簡(jiǎn)單分析如下:(1TDM 圖案。時(shí)間域上完全的功

9、率使用很難實(shí)現(xiàn),這將降低TDM 圖案的性能。(2FDM 圖案。功率增強(qiáng)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn),但是需要控制信令通知終端專(zhuān)用導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)之間的功率偏置。不同的rank 每layer 需要不同的導(dǎo)頻信號(hào)(RS 密度,引入功率分配和天線端口分配的復(fù)雜度,在MU-MIMO 的情況下將更為復(fù)雜。因?yàn)槿绻贛U-MIMO 和多點(diǎn)協(xié)作傳輸(CoM P 中使用FDM ,用戶(hù)需要知道另外一個(gè)配對(duì)用戶(hù)的專(zhuān)用導(dǎo)頻所在的位置,增加了下行信令開(kāi)銷(xiāo),而且如果用戶(hù)配對(duì)失敗,未使用的專(zhuān)用導(dǎo)頻資源將會(huì)被浪費(fèi)掉。(3CDM 圖案。功率增強(qiáng)不需要信令通知,M U-M IMO/CoM P 的設(shè)計(jì)也較為靈活。但由于CDM 圖案中的正交性對(duì)于信道變

10、化較為敏感,在高速移動(dòng)環(huán)境中的魯棒性較差。3TDD 系統(tǒng)利用信道互易性的校準(zhǔn)問(wèn)題基站和終端側(cè)的射頻非理想性帶來(lái)發(fā)送和接收的不匹配,影響TDD 系統(tǒng)上下行信道的互易性,以下是簡(jiǎn)單的公式推導(dǎo):設(shè)上下行的接收信號(hào)為y u 和y D ,H 為基站到終端的信道響應(yīng),基站的發(fā)送響應(yīng)和接收響應(yīng)為T(mén) B S 和R B S ,終端的發(fā)送響應(yīng)和接收響應(yīng)為T(mén) U E 和R U E ,則下行接收信號(hào)y D 和上行接收信號(hào)y u 可以表示如下:y D =H D ×V ×X D +N 0其中H D =R U E ×H ×T B S y U =H U ×X U +N 0其中

11、H U =R B S ×H T ×T U E得到H T U =T T U E ×H ×R T B S ,即H =(T T U E -1×H T U ×(R T B S -1從而H D =R U E ×(T T B S -1×H T U ×(R T B S -1×T B S如果不能得到R U E ×(T T B S -1=I 以及(R T B S -1×T B S=I ,上下行的有效信道將是不同的。如果使用探測(cè)導(dǎo)頻(SRS估計(jì)的上行信道來(lái)選擇下行預(yù)編碼矩陣將影響性能。經(jīng)證明,在

12、終端側(cè)校準(zhǔn)誤差的相位對(duì)系統(tǒng)的預(yù)編碼矩陣沒(méi)有影響,但終端側(cè)校準(zhǔn)誤差的幅度影響較大,另外在基站側(cè)的校準(zhǔn)誤差對(duì)信道互易性的影響也比較大。4反饋方式TDD 系統(tǒng)中是否需要反饋PM I ,兩種觀點(diǎn)各執(zhí)一詞。支持TDD 系統(tǒng)中需要反饋PM I 的公司認(rèn)為,由于信道估計(jì)誤差和校準(zhǔn)誤差的存在,限制了短時(shí)波束賦形算法的性能。雙流波束賦形的典型配置場(chǎng)景中,需要采用長(zhǎng)時(shí)波束賦形算法用來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的性能,如果終端收發(fā)鏈路非對(duì)稱(chēng),性能會(huì)進(jìn)一步降低。因此當(dāng)長(zhǎng)時(shí)波束賦形和雙極化天線組合時(shí),需要終端反饋來(lái)優(yōu)化性能。支持TDD 系統(tǒng)中無(wú)需反饋PMI 的公司認(rèn)為,TDD 系統(tǒng)中采用基于特征值的波束賦形(EBB 可以442009年9

13、月第9期現(xiàn)代電信科技ODERN SCIENCE &TECHNOLOGY OF TELECOMMUNICATIONS現(xiàn)代電信科技M····························使用探測(cè)導(dǎo)頻(SRS 進(jìn)行信道估計(jì)來(lái)產(chǎn)生波束賦形向量。而FDD 系統(tǒng)由于采用基于長(zhǎng)時(shí)信道信息的帶有PM I 反饋的網(wǎng)格波束賦形(

14、GOB 算法,波束賦形向量不能很好的適配信道狀態(tài)信息,會(huì)引入性能損失。另外,因?yàn)镽8TDD 單流波束賦形不需要反饋PM I ,為滿足rank 自適應(yīng)假設(shè),對(duì)雙流波束賦形簡(jiǎn)化到單流較為靈活。5多用戶(hù)雙流波束賦形中的透明和非透明傳輸5.1單用戶(hù)雙流波束賦形設(shè)用戶(hù)的接收向量為Y ,信道向量為H ,預(yù)編碼矩陣為V ,發(fā)送的信號(hào)向量為X ,白噪聲向量為N ,則可得Y =HVX +NR8中的專(zhuān)用導(dǎo)頻為每個(gè)RB 上占用12個(gè)RE ,可以估計(jì)出HV 向量,進(jìn)行最小均方差(MM SE 處理及信號(hào)的解調(diào)。如果rank 為2,要求兩個(gè)rank 的導(dǎo)頻正交。5.2多用戶(hù)雙流波束賦形設(shè)用戶(hù)1的接收信號(hào)為Y 1,用戶(hù)2的

15、接收信號(hào)為Y 2,預(yù)編碼矩陣為V ,雙流的發(fā)送向量分別為X 1和X 2,發(fā)送天線到兩個(gè)用戶(hù)的接收天線之間的向量則可得Y 1Y 2!"=H 1H 2!"VY 1Y 2!"+Y 1Y 2!"如果是透明的多用戶(hù)雙流波束賦形,被調(diào)度的用戶(hù)不知道是否存在另外一個(gè)用戶(hù)和自己配對(duì),根據(jù)專(zhuān)用導(dǎo)頻進(jìn)行解調(diào),將另外一個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)當(dāng)作干擾進(jìn)行最大似然合并(MRC 處理。如果是非透明的多用戶(hù)雙流波束賦形,使用正交的專(zhuān)用導(dǎo)頻來(lái)避免兩個(gè)用戶(hù)解調(diào)導(dǎo)頻之間的干擾,可以使用MM SE 處理來(lái)消除兩個(gè)Layer 之間的干擾。6雙流波束賦形的最新標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展3GPP RAN1第58次會(huì)議對(duì)雙流

16、波束賦形達(dá)成了一致意見(jiàn),對(duì)上述問(wèn)題均有了一定的結(jié)論:(1R9雙流波束賦形采用單獨(dú)的傳輸模式,并基于下行控制指示2A (DCI format 2A 設(shè)計(jì)下行控制信道(PDCCH。(2專(zhuān)用導(dǎo)頻圖案在兩個(gè)layer 采用CDM 復(fù)用方式作為基準(zhǔn);R10中的rank 1和rank 2采用相同的專(zhuān)用導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)(包括RE ,擴(kuò)頻和加擾;下行導(dǎo)頻時(shí)隙(DwPTS 的專(zhuān)用導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)與普通子幀的專(zhuān)用導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)是不同的。(3在rank 1傳輸情況下動(dòng)態(tài)指示專(zhuān)用導(dǎo)頻端口,為了能調(diào)度兩個(gè)rank 1傳輸?shù)腢E ,在相同的下行數(shù)據(jù)信道(PDSCH 資源上使用不同的正交專(zhuān)用導(dǎo)頻端口。(4單用戶(hù)/多用戶(hù)假設(shè),在rank 1傳輸情

17、況下,不需詳細(xì)的信令指示用戶(hù)處于多用戶(hù)還是單用戶(hù)的傳輸模式。·(5TDD 和FDD 均支持基于發(fā)送分集(TxD 和PMI 反饋的模式,將TDD 和FDD 不反饋PMI 作為基準(zhǔn),但TDD 和FDD 也支持基于PM I 的反饋,并盡量重用R8中的反饋模式。經(jīng)過(guò)3GPP RAN1的激烈討論,在第58次深圳會(huì)議上,雙流波束賦形取得了階段性的進(jìn)展,主要體現(xiàn)在將DM RS 采用CDM 的復(fù)用方式作為基準(zhǔn);多用戶(hù)配對(duì)時(shí),不需信令指示用戶(hù)是否處于M U-MI-M O 狀態(tài)下,TDD 和FDD 均支持基于發(fā)送分集和PMI 反饋的模式等。參考文獻(xiàn)1R1-092363LTE-A downlink DM-

18、RS pattern design.Huawei Tech-nologies2R1-092734Downlink demodulation RS design for Rel-9and beyond.Ericsson,ST-Ericsson3R1-092552Reporting of CQI/PMI/RI for LTE TDD Dual-layer beam-forming Nokia.Nokia Siemens Networks4R1-092772Feedback mechanism analysis of dual layer beamforming for TDD system.CATT5R1-091752Performance study on Tx/Rx mismatch in LTE TDD Du-al-layer beam