LTE空中接口技術(shù)與性能-3

LTE空中接口技術(shù)與性能(3)主講:西安郵電大學(xué)孫友偉教授2012.10.23MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介上行MU-MIMO的調(diào)度與解碼過(guò)程MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介

波束賦形技術(shù)第三章LTE的MIMO技術(shù)

多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)是指依賴(lài)于使用多個(gè)接收發(fā)送天線的技術(shù)的通稱(chēng)，包括多種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。MIMO技術(shù)可用于提高系統(tǒng)性能，也可提高業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸率。MIMO是無(wú)線移動(dòng)通信領(lǐng)域天線技術(shù)的重大突破。任何一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端采用了多個(gè)天線和天線陣列，就構(gòu)成一個(gè)無(wú)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(jié)構(gòu)示意圖MIMO與寫(xiě)作MIMO結(jié)構(gòu)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(kāi)環(huán)發(fā)射分集空時(shí)編碼（STC），延遲分集（CDD），不同的天線輪流發(fā)射信號(hào)閉環(huán)發(fā)射分集基于上、下行信道對(duì)稱(chēng)的預(yù)編碼（TDD）基于終端反饋的編碼（FDD）空分復(fù)用單用戶空間復(fù)用（SU-MIMO）多用戶空間復(fù)用（MU-MIMO/SDMA）智能天線利用上、下行DoA對(duì)稱(chēng)的波束賦形（FDD）上行發(fā)射分集天線選擇、天線切換空間復(fù)用虛擬MIMOLTE系統(tǒng)所采用的MIMO方式3.1MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介MIMO技術(shù)所涉及的基本概念（1）碼字的起始點(diǎn)是Turbo編碼器的輸入端，終點(diǎn)在調(diào)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(gè)空間數(shù)據(jù)流輸入到“虛天線”上，由NodeB高層決定的空間復(fù)用時(shí)可用的數(shù)據(jù)流的個(gè)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(lèi)與應(yīng)用類(lèi)型圖示優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)2路工程實(shí)施最簡(jiǎn)單，可以利用現(xiàn)有天饋線系統(tǒng)；使用單天線，運(yùn)營(yíng)成本低；支持多頻段；可升級(jí)到4路結(jié)構(gòu)僅提供兩路處理性能4路4路處理功能；使用單個(gè)復(fù)合天線，運(yùn)營(yíng)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(dǎo)致性能會(huì)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(yīng)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(yùn)營(yíng)成本較高SDMA-MIMO天線陣列工程應(yīng)用形式靈活，便于技術(shù)演進(jìn)；容量較高（SDMA-MIMO）;可同時(shí)支持4G系統(tǒng)并兼容2/3G系統(tǒng)；使用單個(gè)復(fù)合天線，運(yùn)營(yíng)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(gè)碼字的起始點(diǎn)是Turbo編碼器的輸入端，終在調(diào)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(duì)于2或4天線結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，最大碼字的數(shù)量都是2個(gè)。

單碼字的傳輸特點(diǎn)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(diǎn)是：每層采用相適應(yīng)的速率，每層單獨(dú)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(diào)制碼字碼字到層的映射信道編碼加擾調(diào)制預(yù)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(yīng)的技術(shù)，即發(fā)送數(shù)據(jù)流的個(gè)數(shù)與實(shí)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(guò)預(yù)編碼的方式映射到實(shí)際的物理天線。這里的每個(gè)數(shù)據(jù)流就稱(chēng)作一個(gè)“層”。碼字?jǐn)?shù)、層數(shù)及與發(fā)射天線數(shù)的關(guān)系如下：碼字?jǐn)?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(fù)用層映射和發(fā)送分集層映射。發(fā)送分集層映射：一個(gè)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(gè)碼字?？臻g復(fù)用層映射：1個(gè)或2個(gè)碼字可映射到1、2、3或4個(gè)層（虛天線）上。層對(duì)應(yīng)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(shí)發(fā)送2個(gè)碼字。“層”到天線口的映射的對(duì)應(yīng)關(guān)系介紹如下：（1）空間復(fù)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)都來(lái)自碼字。每個(gè)下行發(fā)射時(shí)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(yù)編碼權(quán)值矩陣W(大小為P*v)將層中的數(shù)據(jù)映射到每個(gè)端口上；而在發(fā)送分集模式下，所有曾德數(shù)據(jù)都來(lái)自同一個(gè)碼字，經(jīng)過(guò)SFBC編碼后映射到各個(gè)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(guò)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(fù)用層映射對(duì)于空間復(fù)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(duì)于發(fā)送分集，只有一個(gè)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(yù)編碼對(duì)于MIMO，LTE天線映射包括了層映射和預(yù)編碼兩個(gè)步驟。層映射的功能是把編碼調(diào)制完成的符號(hào)序列分配到一層或幾層上。預(yù)編碼起到改變信號(hào)所經(jīng)歷的空間信道的作用?！馤TE系統(tǒng)的預(yù)編碼過(guò)程為：（1）信號(hào)發(fā)射前，在eNodeB進(jìn)行預(yù)編碼；（2）

eNodeB和UE使用同樣預(yù)先確定的碼本集，并從中選取最合適的碼本矩陣；（3）UE進(jìn)行信道估計(jì)，同時(shí)選擇最好的預(yù)編碼矩陣并向eNodeB反饋其索引號(hào)。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(wù)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(diào)度與解碼過(guò)程3.2.1上行MU-MIMO的調(diào)度上行MU-MIMO技術(shù)通過(guò)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(cè)量的MU-MIMO發(fā)射技術(shù)來(lái)判定哪兩個(gè)UE可以配對(duì)應(yīng)用。如果一個(gè)UE至少存在另一個(gè)可以與之配對(duì)的UE,那么這個(gè)UE將被列入候選集，否則，它將采用SIMO發(fā)射。通常，調(diào)度機(jī)制中實(shí)際可配對(duì)的UE數(shù)要小于15。在MU-MIMO實(shí)際應(yīng)用中，用戶配對(duì)是最重要的步驟，對(duì)系統(tǒng)性能影響很大，可以選擇隨機(jī)配對(duì)與正交配對(duì)。隨機(jī)配對(duì)：當(dāng)?shù)赜袀€(gè)UE已經(jīng)選定，就可進(jìn)行隨機(jī)配對(duì)，無(wú)需信道探測(cè)。正交配對(duì)：當(dāng)?shù)匾粋€(gè)UE已經(jīng)選定，通過(guò)信道哦矩陣進(jìn)行正交配對(duì)，需要信道探測(cè)。這里以3GPP的標(biāo)準(zhǔn)建議中提出的隨機(jī)調(diào)度算法舉例。隨機(jī)調(diào)度算法舉例上行MU-MIMO方式在每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)收縮可配對(duì)的用戶。假設(shè)在n時(shí)隙測(cè)量的SINR表示為SINR[n]，則SINR[n]的計(jì)算公式如下：

其中K為一個(gè)時(shí)隙中的導(dǎo)頻數(shù)量；SINR[n,k]為在時(shí)隙n子載波k上的SINR的測(cè)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(shù)。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(guò)程：其中，和：分別對(duì)應(yīng)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(hào)：和：用戶0在接受天線0和接收天線1上對(duì)子載波K的信道估計(jì)：和：用戶1在接受天線0和接受天線1上對(duì)子載波k的信道估計(jì)（兩個(gè)用戶在MU-MIMO模式下的參考信號(hào)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(jì)。由此可得出：用戶1的輸出信號(hào)可表示為：用戶2的輸出信號(hào)可表示為：

從輸出的信號(hào)可以看到，如果接收機(jī)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(jī)。3.3MIMO性能MIMO技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的接收分集等技術(shù)的特點(diǎn)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(gè)天線發(fā)送獨(dú)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(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸容量。MIMO信道的本質(zhì)是提供多個(gè)并行傳輸通道來(lái)同時(shí)傳送多路獨(dú)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(yīng)編碼（AMC）性能如右圖所示：從上面的仿真結(jié)果可以得出以下初步結(jié)論：（1）隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，性能中毒降低；（2）系統(tǒng)可支持350km/h的移動(dòng)速度；（3）當(dāng)SNR小于16dB時(shí)，MCS性能都較低2.SFBC的下行自適應(yīng)編碼（AMC）性能如下圖所示：從上面的仿真結(jié)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(dāng)；（2）隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，性能平緩降低；（3）系統(tǒng)可支持350km/h的移動(dòng)速度；（4)當(dāng)SNR小于16DB時(shí)，MCS性能都較低。3.4波束賦形技術(shù)波束賦形技術(shù)有如下特點(diǎn)：（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(yīng)或固定發(fā)射，接收波束圖實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)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(zhǎng)）或用戶空間特征實(shí)現(xiàn)（主要適應(yīng)于NLOS場(chǎng)景）；（4）基于上行估計(jì)的下行鏈路波束賦形；該算法適用于LOS場(chǎng)景或角度擴(kuò)散小的場(chǎng)景且要求天線真遠(yuǎn)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(duì)陣元間隔，直射徑。散射角均無(wú)要求，且UE中低速；（6）波束賦形可以形成具有有限零點(diǎn)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(qiáng)；（8）波束賦形包括固定和動(dòng)態(tài)波束形成技術(shù)；（9）波束賦形不能很好地適用于UE高速的場(chǎng)景。波束賦形算法中的兩種權(quán)值產(chǎn)生的方法：（1）基于上行估計(jì)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(guò)上下行信道的對(duì)稱(chēng)性得到（適應(yīng)于FDD和TDD系統(tǒng)）使用公共導(dǎo)頻進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)解，開(kāi)銷(xiāo)主要為上行PMI反饋，為了減少UE反饋開(kāi)銷(xiāo)，需要對(duì)信道信息進(jìn)行量化。（2）非碼本反饋方式：信道信息通過(guò)上下行信道的對(duì)稱(chēng)性得到（適用于TDD系統(tǒng)），使用專(zhuān)用導(dǎo)頻進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)，開(kāi)銷(xiāo)主要為下行專(zhuān)用導(dǎo)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(yīng)波束賦形技術(shù)，每個(gè)天線陣元的權(quán)值可以通過(guò)DoA測(cè)量的方式進(jìn)行調(diào)整。這種類(lèi)型的BF在實(shí)際應(yīng)用中是最適宜的，可以采用Wiener模型來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。下圖是基于波束賦形的非碼本反饋方式的一個(gè)應(yīng)用實(shí)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(biāo)準(zhǔn)，采用基于波束賦行的非碼本反饋方式有以下一些問(wèn)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(wú)法同時(shí)適用于PDCCH、PBCH、PMCH等公共信道；（2）當(dāng)天線陣元較多時(shí)，波束寬度是非常窄的在多經(jīng)及散射較多的環(huán)境下尤其是密集區(qū)域，將會(huì)導(dǎo)致DoA估計(jì)產(chǎn)生偏差，致使性能下降；（3）如果所有的基站都使用自適應(yīng)波束賦行方式，波束方向需要逐個(gè)子幀的由一個(gè)UE切換到另一個(gè)UE，這樣就很難得到相對(duì)精確的干擾測(cè)量結(jié)果，這將導(dǎo)致SINR波動(dòng)很大，不利于UE進(jìn)行MCS的確定；（4）為了準(zhǔn)確估算DoA，包括基站射頻前端在內(nèi)的天線陣列系統(tǒng)在幅度和相位兩方面都必須進(jìn)行測(cè)量校正，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性；

（5）為了保證性能，需要增加專(zhuān)用參考信號(hào)來(lái)輔助進(jìn)行信道估計(jì)；（6）該種方式對(duì)廣播和組播的業(yè)務(wù)性能沒(méi)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(duì)簡(jiǎn)單的固定波束賦形技術(shù)。通過(guò)分別為每個(gè)UE選擇最佳波束來(lái)獲得良好的性能，這種方式可用于增加同時(shí)傳輸?shù)挠脩魯?shù)。這時(shí)要求每個(gè)波束需要有一個(gè)相互正交的下行參考信號(hào)加以區(qū)分。使用這種方式時(shí)，采用預(yù)編碼的單個(gè)數(shù)據(jù)流（SU-MIMO方式）可以認(rèn)為是最多支持4個(gè)發(fā)射天線的基于波束賦形的碼本反饋方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槭褂玫拇a本已知，波束方向是固定的，不需要任何特定的導(dǎo)頻來(lái)區(qū)分用戶。基于波束賦形的碼本反饋方式可以采用基于DFT發(fā)射權(quán)值來(lái)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(gè)應(yīng)用實(shí)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(yīng)的波束，UE位于該波束的任意位置。

參照現(xiàn)行的LTE標(biāo)準(zhǔn)，采用基于波束賦行的碼本反饋方式有以下一些問(wèn)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(wú)法同時(shí)兼顧PDCCH、PBCH、PMCH等公共信道；（2）當(dāng)天線陣元較多時(shí)，波束寬度是非常窄的，在多經(jīng)及散射較多的環(huán)境下，尤其是密集區(qū)域，將會(huì)導(dǎo)致DoA估計(jì)產(chǎn)生偏差，致使性能下降；（3）如果所有的基站都使用自適應(yīng)波束賦行方式，波束方向需要逐個(gè)子幀的由一個(gè)UE切換到另一個(gè)UE，這樣就很難得到相對(duì)精確的干擾測(cè)量結(jié)果，這將導(dǎo)致SINR波動(dòng)很大，不利于UE進(jìn)行MCS的確定；

（4）這種方式需要針對(duì)不同場(chǎng)景重新設(shè)計(jì)碼本；（5）該種方式對(duì)廣播和組播的業(yè)務(wù)性能沒(méi)有改善3.4.3BF和MIMO的結(jié)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(nèi)部每個(gè)交叉極化的陣元間距是波長(zhǎng)的二分之一，同樣通過(guò)陣元間信號(hào)相關(guān)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(duì)于