LTE-Advanced下行鏈路多天線技術(shù)研究[圖]

摘要：分析了下行鏈路中的參考符號(hào)結(jié)構(gòu)，描述了碼本設(shè)計(jì)的工作原理，驗(yàn)證了下行鏈路多天線增強(qiáng)方案的系統(tǒng)性能，最后預(yù)測(cè)了LTE-Advanced R11中LTE-Advanced下行鏈路多天線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

0 前言

下行鏈路MIMO無(wú)疑是LTE R8中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)件。已經(jīng)規(guī)定了用于提供超過(guò)300Mbit/s峰值數(shù)據(jù)速率的1、2和4個(gè)eNodeB天線端口的傳輸模式。在LTE-Advanced[1-3]中，下一步自然是繼續(xù)進(jìn)行雄心勃勃的目標(biāo)設(shè)定，以確保其作為領(lǐng)先無(wú)線接入技術(shù)的地位。為了保證這一點(diǎn)，LTE-Advanced支持下行鏈路采用多達(dá)8個(gè)發(fā)射天線端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)應(yīng)于20MHz載波上的600Mbit/s，如果采用8×8天線配置和多達(dá)8層的空間復(fù)用，則峰值頻譜效率可提高到30(bit/s)/Hz。除了增加發(fā)射天線數(shù)量之外，3GPP R10強(qiáng)調(diào)改善多用戶MIMO(MU-MIMO)操作性能。多用戶MIMO是指并行流向空間上獨(dú)立的不同UE傳輸，而在單用戶MIMO(SU-MIMO)中，并行流僅傳輸給單個(gè)UE。

1 下行鏈路中的參考符號(hào)結(jié)構(gòu)

在LTE R8和R9中，MIMO操作主要基于與蜂窩有關(guān)的通用參考符號(hào)(CRS)。在天線端口和規(guī)模之間，參考符號(hào)模式是正交的，這取決于發(fā)射天線端口的配置數(shù)量。信道狀態(tài)信息(CSI)測(cè)量以及數(shù)據(jù)解調(diào)通常采用CRS來(lái)執(zhí)行。TDD波束形成傳輸模式7是例外，在這種情形中，與UE有關(guān)的參考符號(hào)(URS)用于解調(diào)。LTE-Advanced中的簡(jiǎn)單解決方案已經(jīng)為采用8根發(fā)射(TX)天線的情形定義了另一種與蜂窩有關(guān)的RS，它暗示著CSI測(cè)量和解調(diào)都可以使用CRS。但是，使用R8終端的后向兼容性會(huì)生成一個(gè)問(wèn)題，即不知道新RS的存在情況。在這些情況下，由于數(shù)據(jù)和新RSS之間的持續(xù)碰撞，會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)終端性能不可避免地變差。8-TX CRS的另一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)給定大多數(shù)終端通常無(wú)法享受8層傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)的事實(shí)后，參考符號(hào)的開銷過(guò)高。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，LTE R10決定采取另一種參考符號(hào)范式。關(guān)鍵思路是將用于CSI測(cè)量的參考信號(hào)與那些用于數(shù)據(jù)解調(diào)的參考信號(hào)脫鉤，方法如下：

a)在2/4/8發(fā)射天線的情形中，CSI(即CQI、PMI和RI)測(cè)量和報(bào)告引入信道狀態(tài)信息參考符號(hào)(CSI-RS)。

b)在多達(dá)8個(gè)空間層的支持下，與UE有關(guān)的預(yù)編碼正交參考符號(hào)用于數(shù)據(jù)解調(diào)。主要從3個(gè)方面證明這種選擇的合理性。首先，與UE有關(guān)的參考符號(hào)支持eNodeB處?kù)`活的傳輸預(yù)編碼，它可以看作是競(jìng)爭(zhēng)性下行鏈路MU-MIMO的一個(gè)引擎。其次，根據(jù)傳輸?shù)燃?jí)，參考符號(hào)開銷增加，因而一些高等級(jí)能力終端無(wú)法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行懲罰，主要是由于參考符號(hào)開銷較高，這與采用CRS的情形類似。第三，與UE有關(guān)的參考符號(hào)將從發(fā)送預(yù)編碼增益中受益，這反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致可靠的信道估計(jì)。等級(jí)為1-2的LTE R10 URS模式對(duì)應(yīng)于LTE R9中的URS模式，而等級(jí)為3-8的LTE R10 URS模式可看作是一種擴(kuò)展。

CSI-RS在時(shí)間和頻率上是稀疏的，因?yàn)镃SI測(cè)量要求不如數(shù)據(jù)解調(diào)嚴(yán)格。通常情況下，CSI-RS采用非常低的密度(1RE/port/PRB)進(jìn)行定期傳輸(例如每10ms)。CSI-RS的周期是可配置的，其占空比值變化范圍為5~80ms，因?yàn)橄滦墟溌稭IMO增強(qiáng)方案的目標(biāo)主要是低移動(dòng)性場(chǎng)景。這意味著對(duì)傳統(tǒng)LTE R8/9終端的影響僅限于子幀，CSI-RS在這些子幀中傳輸，其他時(shí)間傳統(tǒng)終端可以進(jìn)行工作，而無(wú)需受到任何懲罰。同時(shí)，CSI-RS相對(duì)較低的密度考慮了在子幀中使用CSI-RS將數(shù)據(jù)傳輸給R8終端，雖然性能有所下降。但是，需要相應(yīng)降低MCS水平，以支持UE應(yīng)對(duì)額外的干擾。

雖然引入CSI-RS的主要驅(qū)動(dòng)力是對(duì)eNodeB處8根發(fā)射天線的支持，但是也為其他天線配置定義了CSI-RS模式。總體而言，規(guī)范非常明智，可以對(duì)CSI-RS和CRS進(jìn)行獨(dú)立配置。在圖1中，分別描述了8個(gè)、4個(gè)和2個(gè)發(fā)射天線端口時(shí)的R10 CSI-RS情形。CSI-RS模式具有嵌套特性——針對(duì)少數(shù)天線端口的模式是針對(duì)大量天線端口模式的子集。除了圖1中的模式，還支持其他可能的配置，且定義了針對(duì)正常和擴(kuò)展循環(huán)前綴的獨(dú)立CSI-RS配置。對(duì)于幀結(jié)構(gòu)類型1和2來(lái)說(shuō)，不同模式也是可用的——也就是說(shuō)，對(duì)于FDD和TDD來(lái)說(shuō)，TDD中存在著細(xì)微變化，即與天線端口5的碰撞可以避免。CSI-RS的另一個(gè)主要區(qū)別也是高重用因子，例如在2個(gè)天線端口的情形中，重用因子為20。相比之下，在2個(gè)天線端口的情形中，CRS重用因子為3。較高的重用因子使得網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃更加容易，且從CSI-RS到CSI-RS的碰撞在很大程度上可以避免，這在局部網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情形中是非常有益的。

在圖2中，給出了URS配置的2個(gè)實(shí)例。該規(guī)范支持使用12/24個(gè)資源元素(RE)，它可用于URS，這取決于傳輸?shù)燃?jí)。例如，與R9中的情形一樣，1層和2層可以采用12個(gè)資源元素和長(zhǎng)度為2的疊加正交碼(OCC)進(jìn)行工作，而24個(gè)資源元素和長(zhǎng)度為4的疊加正交碼可用于3-8層。采用頻分復(fù)用加上可變長(zhǎng)度的OCC，支持根據(jù)傳輸?shù)燃?jí)，對(duì)RS開銷進(jìn)行有效擴(kuò)展。我們注意到通過(guò)采用天線虛擬化(如降至某個(gè)CRS端口)，CSI-RS為高效地降低CRS開銷提供了機(jī)會(huì)，如圖2的右半部分所示，而UE仍然能夠通過(guò)CSI-RS接入多達(dá)8個(gè)天線端口。

采用CSI-RS的系統(tǒng)操作基本原理如圖3所示。終端基于CSI-RS來(lái)對(duì)CSI進(jìn)行估計(jì)，并將CSI反饋傳輸給eNodeB，而eNodeB反過(guò)來(lái)可以在為數(shù)據(jù)選擇預(yù)編碼器和調(diào)制與編碼方案(MCS)用CSI。數(shù)據(jù)可以和與用戶有關(guān)(專用)的解調(diào)參考符號(hào)(URS，也稱為DM-RS)一同傳輸，與數(shù)據(jù)一樣，對(duì)同一物理資源塊進(jìn)行擴(kuò)展。相同的傳輸預(yù)編碼可用于數(shù)據(jù)層及相關(guān)的DM-RS端口。與LTE R8中的情形相反，它考慮了eNodeB使用任何預(yù)編碼的情況，因?yàn)槭褂玫念A(yù)編碼對(duì)于終端來(lái)說(shuō)仍然是透明的，且不需要傳輸給用戶。

2 碼本設(shè)計(jì)

為了支持下行鏈路MIMO操作，8個(gè)發(fā)射天線端口的引入需要一個(gè)新碼本。同時(shí)，與用戶有關(guān)的DM-RS支持在eNodeB處?kù)`活選擇預(yù)編碼器。為了實(shí)現(xiàn)這種潛在優(yōu)勢(shì)和增益，需要為eNodeB提供非常精確的CSI。在TDD的情形中，信道互易和探測(cè)參考信號(hào)在一定程度上可用于通過(guò)對(duì)來(lái)自于上行鏈路傳輸?shù)南嚓P(guān)信息進(jìn)行估計(jì)，來(lái)獲取CSI。但是，在FDD的情形中，除了長(zhǎng)期DoA(到達(dá)方向)波束形成之外，實(shí)際上不可能使用短期CSI，因而需要在3GPP中指定更為詳細(xì)的CSI反饋機(jī)制。簡(jiǎn)單解決方案是簡(jiǎn)單規(guī)定一個(gè)包含更多元素因而具有更高精度的新碼本。遺憾的是，無(wú)論是從上行鏈路信令開銷，還是從UE處PMI選擇復(fù)雜性的角度來(lái)看，這種解決方案都是不切實(shí)際的。

碼本設(shè)計(jì)的一種自然方法是把重點(diǎn)放在感興趣場(chǎng)景與天線配置選擇上。在用例方面，LTE R10 CSI反饋應(yīng)當(dāng)既支持下行鏈路SU-MIMO，又支持下行鏈路MU-MIMO，其中SU-MIMO主要用于信道方位(即角)擴(kuò)散較大的不太相關(guān)場(chǎng)景，而MU-MIMO通常用于信道方位角擴(kuò)散較小的高度相關(guān)場(chǎng)景。因此，對(duì)于SU-MIMO/MU-MIMO來(lái)說(shuō)，最佳工作點(diǎn)與部署場(chǎng)景密切相關(guān)。另一方面，流量條件和可用多用戶分集也會(huì)隨著TTI的不同而發(fā)生變化，需要強(qiáng)制規(guī)定SU-MIMO和MU-MIMO之間的動(dòng)態(tài)切換概率。從后者可以清晰得出，eNodeB需要擁有可用的SU-MIMO和MU-MIMO CSI反饋，以執(zhí)行無(wú)縫傳輸模式選擇。天線配置和相關(guān)信道建模在碼本設(shè)計(jì)中發(fā)揮了主要作用。

對(duì)于eNodeB處配置8根天線的情形，通過(guò)關(guān)注窄距交叉極化(XP)陣列、窄距均勻線性陣列(ULA)和寬距交叉極化(XP)陣列，3GPP為最實(shí)用的天線配置賦予了優(yōu)先級(jí)。前2種配置意味著更高的空間相關(guān)性，因而支持低等級(jí)SU-MIMO/MU-MIMO傳輸，由于較大元素間距導(dǎo)致的較低空間相關(guān)性，因而第三種配置更多用于高等級(jí)SU-MIMO。為eNodeB傳輸陣列處具有較低角擴(kuò)散、較小元素間距的場(chǎng)景分配優(yōu)先級(jí)表明，UE反饋主要針對(duì)低等級(jí)SU-MIMO和MU-MIMO操作，以實(shí)現(xiàn)：

a)采用精細(xì)空間粒度和建立在長(zhǎng)期信道寬帶相關(guān)特性的空域內(nèi)UE分離，對(duì)支持MU-MIMO的反饋進(jìn)行優(yōu)化。

b)支持SU-MIMO的反饋側(cè)重于短期窄帶信道特性。

長(zhǎng)期信道特性不會(huì)從一個(gè)CSI測(cè)量實(shí)例快速變化到另一個(gè)CSI測(cè)量實(shí)例。因此，將信道狀態(tài)特性分離為長(zhǎng)期和/或?qū)拵Р糠质切械猛ǖ�，這說(shuō)明從長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光來(lái)看，信道狀態(tài)特性是相對(duì)穩(wěn)定的(例如等級(jí)和寬帶波束方向)，且短期和/或窄帶部分主要針對(duì)非相關(guān)信道規(guī)劃(例如2種不同的極化)上的波束選擇和共相位。

利用這些事實(shí)，通過(guò)將長(zhǎng)期和短期CSI構(gòu)件分離開來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)高效的反饋信令壓縮，且輔以目標(biāo)場(chǎng)景中非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的性能。這將導(dǎo)致3GPP在LTE R10 CSI反饋中采用雙碼本結(jié)構(gòu)，以支持使用8根發(fā)射天線的下行鏈路MIMO。主要原理是子帶的預(yù)編碼器W是由2個(gè)矩陣構(gòu)成的，這2個(gè)矩陣屬于2個(gè)不同的碼本：W1針對(duì)長(zhǎng)期寬帶信道特性，而W2適用于短期頻率選擇性CSI。由此形成的每個(gè)子帶預(yù)編碼器W是由2個(gè)矩陣W1和W2相乘得到的，即W=W1×W2。其原理如圖4所示�？紤]到最低上行鏈路信令開銷，W1和W2的反饋速率可能是不同的。碼本元素本身是基于固定波束族(GoB)構(gòu)件的。眾所周知，這些構(gòu)件能夠?yàn)镸U-MIMO提供良好性能，而對(duì)于SU-MIMO來(lái)說(shuō)，通過(guò)支持子帶級(jí)的波束選擇，可以維持頻率選擇性預(yù)編碼。對(duì)于8×8下行鏈路單用戶MIMO來(lái)說(shuō)，當(dāng)考慮使用8個(gè)空間層時(shí)，對(duì)于較低傳輸?shù)燃?jí)(即第1-2級(jí)，一定程度上也適用于第3-4級(jí))來(lái)說(shuō)，雙碼本概念就具有較大的吸引力，這取決于空間相關(guān)性。

圖4示出的是LTE R10中的雙碼本反饋操作原理。預(yù)編碼器由W1和W2 2個(gè)部分構(gòu)成：W1針對(duì)長(zhǎng)期/寬帶信道特性，W2提供了深度完善方案以及關(guān)于信道的短期/窄帶性能的信息。

R10引入對(duì)2、4和8個(gè)CSI-RS天線端口的靈活支持，而URS用于解調(diào)。在這種環(huán)境中，僅有包含8根發(fā)射天線的碼本是新近定義的。對(duì)于2根和4根發(fā)射天線來(lái)說(shuō)，LTE R10碼本仍保持不變，且是LTE R8中的對(duì)應(yīng)碼本，因?yàn)檫@些碼本被證明具有足夠的競(jìng)爭(zhēng)力。

3 下行鏈路多天線增強(qiáng)方案的系統(tǒng)性能

與R8相比，R10提供的主要容量?jī)?yōu)勢(shì)是與UE有關(guān)的RS以及CSI-RS上的多用戶MIMO，主要是在4根發(fā)射天線的情形中，即4×2和4×4。當(dāng)采用2×2天線配置時(shí)，R10解決方案并未帶來(lái)真正益處，因?yàn)閭鬏斁幋a增益非常有限，不會(huì)補(bǔ)償與UE有關(guān)的RS開銷。在一般情況下，通過(guò)采用天線虛擬化的方法，可以降低CRS開銷本身。在實(shí)踐中，人們通常會(huì)在eNodeB發(fā)射陣列每個(gè)極化方向上配置1個(gè)CRS端口。

圖5給出了下行鏈路平均頻譜效率。假定eNodeB處使用的是均勻線性陣列，與采用2×2天線配置的R8相比，采用4×2天線配置的R10 MU-MIMO能夠?qū)⑷萘刻岣?0%。與R8相比，采用4×4天線配置的MU-MIMO能夠?qū)⑷萘刻岣?00%。使用4根發(fā)射天線的交叉極化陣列，增益數(shù)值略有減小。MU-MIMO對(duì)蜂窩邊緣數(shù)據(jù)速率的好處甚至要高于對(duì)平均數(shù)據(jù)速率的好處，如圖6所示：與采用2×2天線配置的R8相比，4×4天線配置能夠?qū)⒎涓C邊緣數(shù)據(jù)速率提高150%。但是，需要注意的是，蜂窩邊緣吞吐量、峰值吞吐量和平均吞吐量數(shù)值可能會(huì)相互折衷，這取決于調(diào)度和多用戶配對(duì)策略。已經(jīng)證實(shí)，通過(guò)在第二空間層采用比例公平頻域調(diào)度，選擇保持公平性會(huì)導(dǎo)致覆蓋性能顯著提高。另一方面，選擇針對(duì)第二個(gè)用戶的頻域調(diào)度的最大C/I類型將會(huì)提升峰值吞吐量，從而以犧牲覆蓋范圍為代價(jià)，提高了平均吞吐量增益。

4 結(jié)論

在R11中，將繼續(xù)開展被認(rèn)為是LTE-Advanced研究部分內(nèi)容的主題，以及除了R10之外的其他主題。預(yù)計(jì)3GPP R11將在2012年底定稿，即在2011年年中凍結(jié)R10后的18個(gè)月推出。

目前已知的LTE-Advanced研究主題包括：

a)載波聚合，預(yù)計(jì)研究焦點(diǎn)在增加新的下行鏈路頻段組合，研究多頻段上行鏈路情形支持的上行鏈路載波聚合。

b)多天線增強(qiáng)方案，已經(jīng)達(dá)到共識(shí)，下一步研究工作將圍繞協(xié)同多點(diǎn)(CoMP)傳輸展開，它將成為一個(gè)獨(dú)立的研究項(xiàng)目。CoMP理想的根本目標(biāo)是將干擾信號(hào)變?yōu)榻邮招盘?hào)的有用分量，或者采用空間維度以確保干擾最小化的方式來(lái)引導(dǎo)信號(hào)。CoMP方案可以采用不同方法進(jìn)行劃分，此處選擇的分類方法將方案分為：

(a)聯(lián)合調(diào)度/波束形成，在這種方案中，實(shí)際傳輸僅來(lái)自于單個(gè)蜂窩/扇區(qū)，且性能優(yōu)勢(shì)是通過(guò)與其他蜂窩進(jìn)行協(xié)同得到的。在協(xié)同波束形成的情形中，目標(biāo)是采用某種方式來(lái)引導(dǎo)在重疊時(shí)間/頻率資源調(diào)度的波束。在這種方式中，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且可以避免空域內(nèi)的干擾，如圖7所示。此處面臨的挑戰(zhàn)與精確環(huán)境信息的可用性有關(guān)，該信息支持eNodeB處的智能決策。

(b)聯(lián)合處理CoMP是基于從多個(gè)蜂窩進(jìn)行傳輸，并在接收端主動(dòng)消除干擾的理念。此處面臨的挑戰(zhàn)取決于選擇的具體方法，但大多與處理站點(diǎn)間操作以及由此形成的回程要求和接收機(jī)復(fù)雜性時(shí)，需要支持來(lái)自于多個(gè)eNodeB的實(shí)時(shí)聯(lián)合編碼和調(diào)度決策有關(guān)。從性能的角度來(lái)看，挑戰(zhàn)將是獲得不同參與元素之間足夠快的連接以及所需測(cè)量結(jié)果的現(xiàn)實(shí)精度，以有利于CoMP操作的開展。

與R10一樣，R11將涉及許多與LTE-Advanced沒(méi)有直接聯(lián)系的主題。目前，3GPP討論的其他已知主題包括：

a)LTE MBMS進(jìn)一步增強(qiáng)方案(eMBMS)，遵循R9中的基本框架(并在R10中略有增強(qiáng))。

b)基于R10工作項(xiàng)目或研究項(xiàng)目，繼續(xù)在諸如自組織網(wǎng)絡(luò)(SON)、驅(qū)動(dòng)測(cè)試最小化(MDT)、機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)連接優(yōu)化等主題上開展研究。

參考文獻(xiàn)：

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[2] Harri Holma，Antti Toskala. UMTS中的LTE：基于OFDMA和SC-FDMA的無(wú)線接入[M].郎為民，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3] 何玉申，宮芳.下一代無(wú)線移動(dòng)通信LTE及LTE-Advanced的研究[J].信息技術(shù)，2010(11)：15-21.

作者：郎為民 楊德鵬 李虎生 來(lái)源：郵電設(shè)計(jì)技術(shù)

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