LTE－A下行單用戶MIMO增強技術研究*

林凌峰，蔡振浩，2，趙 昆

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

0 引言

隨著無線通信技術的飛速發展以及各種通信商用業務對通信速率、系統容量需求的急速膨脹，這種市場需求牽引，技術發展驅動的典型模式強有力的推動了各標準化組織以及設備生產商對無線通信標準的持續演進與商業產品的研發生產。

LTE－A是基于LTE基礎之上進一步的演進。截止3GPP Release 12協議中定義了10種下行MIMO傳輸模式。LTE－A系統可以選擇不同的傳輸模式來增加MIMO的空間復用、發送分集和波束成形增益。但是由于實際信道的復雜、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側的信號接收質量。因此，實際中eNodeB如何根據CSI信息選擇合適的預編碼矩陣以提高傳輸質量是學者們廣泛關注的重點和難點。

CSI的準確性會對波束成形性能產生影響，針對非碼本預編碼技術的研究工作，由于發送機和接收機的信道狀態信息存在時延，會影響波束成形性能，文獻［1］推導了接收機誤比特率的閉合表達式，并通過數值仿真驗證了性能分析的結論。學者在此基礎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］。而針對碼本的預編碼設計中，文獻［3］較為全面的歸納了Release12中最新的針對雙碼本結構4TX的演進策略以及對MU－CSI方面的發展。

不難看出，衰落信道對用戶通信質量惡劣影響的問題是eNodeB物理層開發的一個關鍵難點問題，如何根據協議充分利用CSI、CQI信息提高通信質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技術特點以及演進趨勢，分析技術特點和有效促進未來商用產品性能的提升。文中分析了LTE－A中非碼本和碼本技術演進的新特點，著重研究了LTE－A中新的雙碼本結構，在對信道屬性匹配、碼本搜索運算復雜度和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編碼技術的吞吐量性能，仿真結果表明碼本技術在終端移動速度較低時較非碼本技術具有一定優勢。文中基于該結論，分別針對不同預編碼技術提出了相應的改進思路能夠有效應用于指導實際產品設計。

1 數學模型以及技術分析

假設一個下行MIMO系統，eNodeB側天線數為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的預編碼矩陣，K是預編碼矩陣支持的層數;s是eNodeB的發送數據;n是N×1的接收噪聲矢量。

預編碼矢量W的生成主要有兩種方式，一種是基于非碼本的W設計方法，即根據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協議中分析了基于DFT和Householder變換的碼本設計思想，UE側根據估計的信道狀態信息，采用吞吐量、BLER最大化等作為篩選策略從已知的預編碼矩陣碼本中選擇合適的碼本信息上報eNodeB綜合利用［5］。

為了滿足高數據率和高系統容量方面的需求，LTE系統物理層中采用了MIMO多天線技術，其中包括空間復用、波束賦型以及發射分集技術。當空間信道的具有弱相關性時，特別是接收信噪比較低的小區邊緣用戶，可以通過采用TM2、3等發射分集，結合時間/頻率上的選擇性，基于分集增益提高信號傳輸的可靠性。當空間信道呈現較強相關性時，在LTE系統中通常考慮采用波束賦型技術，利用波的干涉原理產生強方向性的輻射方向圖，使得輻射方向圖的主瓣自適應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天線數目增加，工程師們在預編碼設計的出發點主要是基于空間復用技術，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容量。如圖1所示，eNodeB根據UE上行的Sounding參考信號估計CSI信息選擇合適預編碼矢量獲取賦型增益，并根據UE上報的CQI信息合理選擇MCS，通過AMC技術改善鏈路質量。TM7/8中分別支持單用戶單、雙流的波速賦型技術，在LTE－A中協議新增加的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。而在非碼本預編碼技術中，如圖2所示，UE通過CSI－RS信號計算 PMI、CQI信息上報 eNodeB。eNodeB側則可以根據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側的運算能力有限，因此給予eNodeB側在預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 基于非碼本預編碼技術的部分控制信息交互示意Fig.1 Uplink ＆ downlink control information based on non－codebook mode

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

通常認為W1代表信道的方向特性，這種特性是經過長時間/寬頻段統計得到的CSI信息。W2體現相對短時/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的四根天線具有較強的相關特性，而不同組間可以認為相關性較弱或是相互獨立。W1采用塊對角化結構主要是考慮到可以采用W1表征各組內同向天線陣列的空間相關特性，而W2則體現兩組天線陣列間的相位相關特性。

圖4 交叉極化天線結構Fig.4 Cross polarization antenna

不同rank下W1，W2的配對數情況如表 1所示。采用這種雙碼本結構可以獲得的好處主要有:①充分區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定的信道指向屬性，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;這種雙碼本結構能夠有效降低碼本搜索的復雜度，可以在確定W1的基礎上經過二次匹配選擇W2，能夠有效提高運算效率;③支持rank自適應的PMI選擇策略;W1可以選擇小于rank碼本，進而搜索最優W1，W2的配對組合;④更易用支持多用戶MIMO;通過W1的選擇區分不同的UE，而通過W1，W2的配對組合具體服務不同的UE。

在LTE－A協議中W1采用如式(3)、式(4)的DFT基結構，能在滿足正交性基礎上，較好的區分空間信道的指向屬性，極好的匹配雙碼本設計宗旨。

表1 不同rank下~W1，W2的配對數目情況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矩陣的設計結果。

Rank1:

Rank2:

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

2 仿真及結果分析

根據LTE－A標準中規定的PDSCH信號發送和接收流程，信道模型采用3GPP SCM Urban Macro模型，8發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設置。

表2 仿真條件及參數設置Table 2 Simulation condition and reference setting

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

由圖5所示的仿真結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，而非碼本預編碼中采用的基于互易性的CQI沒有考慮非碼本權重。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。

在工程研究中也發現一些重要問題，由于空間物理信道總是復雜多變的，不可避免的需要根據信道統計信息進行預編碼矩陣的設計。根據信道的相關帶寬以及時間相關性選擇合理的頻譜寬度或是時間長度來統計信道狀態特性是影響系統增益以及運算復雜度的重要因素，這一點是后繼研究的工作重點。

3 結語

筆者長期從事無線通信產品的研發工作，文中針對LTE－A系統中基于碼本以及非碼本的預編碼方法，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中新的雙碼本結構，在對信道屬性匹配、碼本搜索運算復雜度和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，該結果可以作為業界分析4G產品性能提供參考。文中最后也指出了信道空間統計信息的計算策略是影響增益和運算復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系統中波束成形的性能分析［J］.通信技術，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的影響［J］.電訊技術，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，Further 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.