LTE空中接口技術與性能-3

LTE空中接口技術與性能(3)主講:西安郵電大學孫友偉教授2012.10.23MIMO技術簡介上行MU-MIMO的調度與解碼過程MIMO技術簡介

波束賦形技術第三章LTE的MIMO技術

多輸入多輸出（MIMO）技術是指依賴于使用多個接收發(fā)送天線的技術的通稱，包括多種數(shù)字信號處理技術。MIMO技術可用于提高系統(tǒng)性能，也可提高業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸率。MIMO是無線移動通信領域天線技術的重大突破。任何一個無線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端采用了多個天線和天線陣列，就構成一個無線MIMO系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)的組成大致可分為SISO、MISO、SIMO、MIMO、協(xié)作MIMO等幾種。SISO、MISO、SIMO結構示意圖MIMO與寫作MIMO結構示意圖MIMO信道NMBSBSMSMS單發(fā)單收MSBS發(fā)射分集BS。。。MS發(fā)射分集MIMO天線收發(fā)方式變遷下行開環(huán)發(fā)射分集空時編碼（STC），延遲分集（CDD），不同的天線輪流發(fā)射信號閉環(huán)發(fā)射分集基于上、下行信道對稱的預編碼（TDD）基于終端反饋的編碼（FDD）空分復用單用戶空間復用（SU-MIMO）多用戶空間復用（MU-MIMO/SDMA）智能天線利用上、下行DoA對稱的波束賦形（FDD）上行發(fā)射分集天線選擇、天線切換空間復用虛擬MIMOLTE系統(tǒng)所采用的MIMO方式3.1MIMO技術簡介MIMO技術所涉及的基本概念（1）碼字的起始點是Turbo編碼器的輸入端，終點在調試器的輸出端，碼字的數(shù)量則由信道編碼器的數(shù)量決定。（2）“層”的定義為一個空間數(shù)據(jù)流輸入到“虛天線”上，由NodeB高層決定的空間復用時可用的數(shù)據(jù)流的個數(shù)?！爸取笔切诺谰仃嘓的秩。秩小于等于發(fā)送天線和接收天線的最小值。3.1.1天線的種類與應用類型圖示優(yōu)勢劣勢2路工程實施最簡單，可以利用現(xiàn)有天饋線系統(tǒng)；使用單天線，運營成本低；支持多頻段；可升級到4路結構僅提供兩路處理性能4路4路處理功能；使用單個復合天線，運營成本低，有支持多頻段的潛力；可改善上行覆蓋范圍天線寬度受限，導致性能會有一定程度的影響；低頻段天線尺寸較大最佳4路處理性能；應用形式靈活可變；可以利用現(xiàn)有天潰敗線系統(tǒng)；支持多頻段；可改善上行覆蓋范圍，下行覆蓋性能看良好兩副天線，運營成本較高SDMA-MIMO天線陣列工程應用形式靈活，便于技術演進；容量較高（SDMA-MIMO）;可同時支持4G系統(tǒng)并兼容2/3G系統(tǒng)；使用單個復合天線，運營成本低；上行覆蓋性能最好單頻段陣列，低頻段天線尺寸較大3.1.2碼字與層映射1.碼字

一個碼字的起始點是Turbo編碼器的輸入端，終在調試器的輸出端，碼字的數(shù)量則由信道編碼器的數(shù)量決定。LTE系統(tǒng)可支持多碼字（MCW）與單碼字（SCW）.

在LTE中，對于2或4天線結構來說，最大碼字的數(shù)量都是2個。

單碼字的傳輸特點是：每層速率相同，僅反饋一路CQI信息，有聯(lián)合編碼增益，如圖3-1所示。

多碼字傳輸特點是：每層采用相適應的速率，每層單獨反饋CQI信息，提供串行干擾消除增益（SIC）如圖3-2所示。信道編碼加擾調制碼字碼字到層的映射信道編碼加擾調制預編碼RF映射RF映射層

MIMO發(fā)送示意圖圖3-1單碼字傳輸方式圖3-2多碼字傳輸方式2.層映射LTE的多天線采用秩自適應的技術，即發(fā)送數(shù)據(jù)流的個數(shù)與實際發(fā)送天線數(shù)可以不相等，在這些情況下，這些數(shù)據(jù)流通過預編碼的方式映射到實際的物理天線。這里的每個數(shù)據(jù)流就稱作一個“層”。碼字數(shù)、層數(shù)及與發(fā)射天線數(shù)的關系如下：碼字數(shù)≤層數(shù)≤發(fā)射天線數(shù)根據(jù)所選用的MIMO方式，層映射可分為空間復用層映射和發(fā)送分集層映射。發(fā)送分集層映射：一個碼字映射到2或4（虛天線）上層數(shù)v等于天線端口數(shù)P，2層或4層，只發(fā)送一個碼字?？臻g復用層映射：1個或2個碼字可映射到1、2、3或4個層（虛天線）上。層對應于信道矩陣的秩，因此層數(shù)v小于等于天線端口數(shù)P。最多4層，但最多同時發(fā)送2個碼字?！皩印钡教炀€口的映射的對應關系介紹如下：（1）空間復用：層的數(shù)量小于或等于發(fā)射天線的天線端口數(shù)量。（2）發(fā)送分集：層的數(shù)量等于發(fā)射天線的天線端口數(shù)量。在LTE下行MIMO模式下，每層對應的數(shù)據(jù)都來自碼字。每個下行發(fā)射時刻每層的數(shù)據(jù)都是不同的，系統(tǒng)根據(jù)下行信道的Rank指示（RI）確定層的具體數(shù)目，之后利用預編碼權值矩陣W(大小為P*v)將層中的數(shù)據(jù)映射到每個端口上；而在發(fā)送分集模式下，所有曾德數(shù)據(jù)都來自同一個碼字，經過SFBC編碼后映射到各個下行端口。層數(shù)123、4天線口數(shù)量1、2、32、44層數(shù)24天線口數(shù)量24層映射過程（1）單天線口發(fā)送的層映射如果采用單天線發(fā)送，那么只有一層，即v=1。（2）空間復用層映射對于空間復用，層數(shù)v不能大于物理層信道發(fā)送的天線口的數(shù)量。（3）發(fā)送分集的映射層對于發(fā)送分集，只有一個碼字，發(fā)射層數(shù)v等于發(fā)射天線端口P的數(shù)目。3.1.3預編碼對于MIMO，LTE天線映射包括了層映射和預編碼兩個步驟。層映射的功能是把編碼調制完成的符號序列分配到一層或幾層上。預編碼起到改變信號所經歷的空間信道的作用?！馤TE系統(tǒng)的預編碼過程為：（1）信號發(fā)射前，在eNodeB進行預編碼；（2）

eNodeB和UE使用同樣預先確定的碼本集，并從中選取最合適的碼本矩陣；（3）UE進行信道估計，同時選擇最好的預編碼矩陣并向eNodeB反饋其索引號。3.1.4下行MIMOLTE系統(tǒng)下行鏈路可用的MIMO方式如下所示。（1）控制信道的發(fā)射分集；（2）業(yè)務信道的MIMO/波束賦形方式；（3）支持E-MBMS的MIMO。3.1.5SU-MIMO與MU-MIMO下行2x2SU（單用戶）-MIMO示意圖下行MU（多用戶）-MIMO示意圖上行MU（多用戶）-MIMO示意圖3.2上行MU-MIMO的調度與解碼過程3.2.1上行MU-MIMO的調度上行MU-MIMO技術通過在同一指定的TTI中為不同的UE分配相同的資源塊，提高是上行鏈路吞吐量。UE不知道其所占用的資源塊與其他UE之間是有重疊的。eNodeB采用基于SINR測量的MU-MIMO發(fā)射技術來判定哪兩個UE可以配對應用。如果一個UE至少存在另一個可以與之配對的UE,那么這個UE將被列入候選集，否則，它將采用SIMO發(fā)射。通常，調度機制中實際可配對的UE數(shù)要小于15。在MU-MIMO實際應用中，用戶配對是最重要的步驟，對系統(tǒng)性能影響很大，可以選擇隨機配對與正交配對。隨機配對：當?shù)赜袀€UE已經選定，就可進行隨機配對，無需信道探測。正交配對：當?shù)匾粋€UE已經選定，通過信道哦矩陣進行正交配對，需要信道探測。這里以3GPP的標準建議中提出的隨機調度算法舉例。隨機調度算法舉例上行MU-MIMO方式在每個調度周期內收縮可配對的用戶。假設在n時隙測量的SINR表示為SINR[n]，則SINR[n]的計算公式如下：

其中K為一個時隙中的導頻數(shù)量；SINR[n,k]為在時隙n子載波k上的SINR的測量值即：

3.2.2上行MU-MIMO的解碼MIMO-OFDM是一種能夠提高速率和增大系統(tǒng)容量的技術。為了提高速率，接收端需要獲得精確的信道狀態(tài)信息。右圖為MU-MIMO解碼的信令處理過程：其中，和：分別對應于接收天線0和接受天線1在子載波k（在“移除CP+FFT模塊之后”）的接受信號：和：用戶0在接受天線0和接收天線1上對子載波K的信道估計：和：用戶1在接受天線0和接受天線1上對子載波k的信道估計（兩個用戶在MU-MIMO模式下的參考信號必須是正交的）；和：在接收天線0和接收天線1的噪聲變化估計。由此可得出：用戶1的輸出信號可表示為：用戶2的輸出信號可表示為：

從輸出的信號可以看到，如果接收機不是工作咋MU-MIMO模式下，則等同于使用最大比合并（MRC）的SIMO接收機。3.3MIMO性能MIMO技術相對于傳統(tǒng)的接收分集等技術的特點在于發(fā)射端和接收端均采用了多副天線，利用空間維度資源讓每個天線發(fā)送獨立的數(shù)據(jù)流，從而在不增加發(fā)射功率和寬帶的前提下，成倍提高無線通信系統(tǒng)的傳輸容量。MIMO信道的本質是提供多個并行傳輸通道來同時傳送多路獨立的數(shù)據(jù)以提高系統(tǒng)的吞吐率和頻譜效率。1.SM-MIMO的下行自適應編碼（AMC）性能如右圖所示：從上面的仿真結果可以得出以下初步結論：（1）隨著運動速度的增加，性能中毒降低；（2）系統(tǒng)可支持350km/h的移動速度；（3）當SNR小于16dB時，MCS性能都較低2.SFBC的下行自適應編碼（AMC）性能如下圖所示：從上面的仿真結果可以得出一下初步加侖：（1）SFBC與SM-MIMO相比具有更好的抗衰落想能，在EVA30衰落條件下可以和AWGN下吞吐量相當；（2）隨著運動速度的增加，性能平緩降低；（3）系統(tǒng)可支持350km/h的移動速度；（4)當SNR小于16DB時，MCS性能都較低。3.4波束賦形技術波束賦形技術有如下特點：（1）波束賦形是LTE中提高覆蓋和容量的一種解決方案；（2）波束賦形使用自適應或固定發(fā)射，接收波束圖實現(xiàn)對信號的空間選擇性；（3）波束賦形算法可基于用戶DOA（天線陣元的間隔為半波長）或用戶空間特征實現(xiàn)（主要適應于NLOS場景）；（4）基于上行估計的下行鏈路波束賦形；該算法適用于LOS場景或角度擴散小的場景且要求天線真遠的艱巨d≤且UE中低速；（5）基于反饋的DL波束賦形：該算法可適用于天線的任意幾何形狀，且對陣元間隔，直射徑。散射角均無要求，且UE中低速；（6）波束賦形可以形成具有有限零點的方向波束；（7）天線陣元越多，所形成的波束越窄，波束形成增益越大，消除干擾的能力越強；（8）波束賦形包括固定和動態(tài)波束形成技術；（9）波束賦形不能很好地適用于UE高速的場景。波束賦形算法中的兩種權值產生的方法：（1）基于上行估計的下行鏈路波束賦形（2）基于反饋的DL波束賦形波束賦形兩種反饋方式的區(qū)別：（1）碼本反饋方式：信道信息通過上下行信道的對稱性得到（適應于FDD和TDD系統(tǒng)）使用公共導頻進行數(shù)據(jù)調解，開銷主要為上行PMI反饋，為了減少UE反饋開銷，需要對信道信息進行量化。（2）非碼本反饋方式：信道信息通過上下行信道的對稱性得到（適用于TDD系統(tǒng)），使用專用導頻進行數(shù)據(jù)解調，開銷主要為下行專用導頻。3.4.1基于波束賦形的非碼本反饋方式基于波束賦形的非碼本反饋方式是一種自適應波束賦形技術，每個天線陣元的權值可以通過DoA測量的方式進行調整。這種類型的BF在實際應用中是最適宜的，可以采用Wiener模型來得以實現(xiàn)。下圖是基于波束賦形的非碼本反饋方式的一個應用實例。從圖中可以看出，賦形后的波束都指向格子的UE所處的方向，UE位于波束主瓣中間。參照現(xiàn)行的LTE標準，采用基于波束賦行的非碼本反饋方式有以下一些問題：（1）基于波束賦行的非碼本反饋方式可以改善PDSCH的覆蓋范圍，但它無法同時適用于PDCCH、PBCH、PMCH等公共信道；（2）當天線陣元較多時，波束寬度是非常窄的在多經及散射較多的環(huán)境下尤其是密集區(qū)域，將會導致DoA估計產生偏差，致使性能下降；（3）如果所有的基站都使用自適應波束賦行方式，波束方向需要逐個子幀的由一個UE切換到另一個UE，這樣就很難得到相對精確的干擾測量結果，這將導致SINR波動很大，不利于UE進行MCS的確定；（4）為了準確估算DoA，包括基站射頻前端在內的天線陣列系統(tǒng)在幅度和相位兩方面都必須進行測量校正，增加了系統(tǒng)復雜性；

（5）為了保證性能，需要增加專用參考信號來輔助進行信道估計；（6）該種方式對廣播和組播的業(yè)務性能沒有改善。3.4.2基于波束賦形的碼本反饋方式與基于波束賦形的非碼本反饋方式相比，基于波束賦形的碼本反饋方式是一種相對簡單的固定波束賦形技術。通過分別為每個UE選擇最佳波束來獲得良好的性能，這種方式可用于增加同時傳輸?shù)挠脩魯?shù)。這時要求每個波束需要有一個相互正交的下行參考信號加以區(qū)分。使用這種方式時，采用預編碼的單個數(shù)據(jù)流（SU-MIMO方式）可以認為是最多支持4個發(fā)射天線的基于波束賦形的碼本反饋方式來實現(xiàn)的，因為使用的碼本已知，波束方向是固定的，不需要任何特定的導頻來區(qū)分用戶?；诓ㄊx形的碼本反饋方式可以采用基于DFT發(fā)射權值來形成賦形波束。下圖是基于波束賦形的碼本反饋方式的一個應用實例。從中可以看后的波束方向固定，系統(tǒng)UE根據(jù)所處的方向分配相應的波束，UE位于該波束的任意位置。

參照現(xiàn)行的LTE標準，采用基于波束賦行的碼本反饋方式有以下一些問題：（1）基于波束賦行的碼本反饋方式可以改善PDSCH的覆蓋范圍，但它無法同時兼顧PDCCH、PBCH、PMCH等公共信道；（2）當天線陣元較多時，波束寬度是非常窄的，在多經及散射較多的環(huán)境下，尤其是密集區(qū)域，將會導致DoA估計產生偏差，致使性能下降；（3）如果所有的基站都使用自適應波束賦行方式，波束方向需要逐個子幀的由一個UE切換到另一個UE，這樣就很難得到相對精確的干擾測量結果，這將導致SINR波動很大，不利于UE進行MCS的確定；

（4）這種方式需要針對不同場景重新設計碼本；（5）該種方式對廣播和組播的業(yè)務性能沒有改善3.4.3BF和MIMO的結合在這種方案中，天線振子采用交叉極化的方式，如下圖所示。天線內部每個交叉極化的陣元間距是波長的二分之一，同樣通過陣元間信號相關性形成波束。而兩組交叉極化天線陣元可用于MIMO傳送，如SFBC、SM等方式。對于