3D-MIMO技術在后LTE時代中的應用

張彬，溫正陽

（中國移動通信集團設計院有限公司河北分公司，河北 石家莊 050021）

3D-MIMO技術在后LTE時代中的應用

張彬，溫正陽

（中國移動通信集團設計院有限公司河北分公司，河北 石家莊 050021）

基于有源天線陣列的3D-MIMO技術是目前LTE系統中MIMO技術的演進，對空間域的利用更加充分，可進一步提升無線通信系統的性能。通過介紹3D-MIMO的技術特點及典型應用場景，提出了一種基于矩陣奇異值分解的三維動態波束賦形算法，該算法對基站天線陣列兩個維度與接收天線之間的信道矩陣的SVD分解向量進行組合得到發射端波束賦形向量，為3D-MIMO的實際應用提供參考。

3D-MIMO 動態波束賦形 奇異值分解

1 引言

眾所周知，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）和OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）是LTE系統物理層的兩大關鍵技術[1-3]，也是整個LTE系統的技術基礎。其中，MIMO技術對于提高系統的有效性（即數據傳輸速率）與可靠性、控制干擾以及提高系統容量有著關鍵作用。在3GPP LTE第一個商用版本R8中，協議定義了TM1～TM7這7種傳輸模式，包含了發射分集、空間復用、波束賦形等MIMO的典型應用，在R8版本中預編碼方式僅支持基于碼本的預編碼，解調是基于CRS（Cell-specific Reference Signals，公共參考信號），下行多用戶MIMO最多只支持2個Rank1 UE。R9是R8的完善和增強版本，該版本中增加了傳輸模式TM8，即雙流波束賦形；參考符號設計方面，在公共參考信號CRS基礎上增加了專用導頻，從而增加了波束賦形/預編碼的靈活性；預編碼反饋方面，除了基于碼本的方案外，還增加了基于信道互易性的反饋方式，對TDD進行了針對性優化；多用戶MIMO方面也有所增強，可以支持4個Rank1 UE或2個Rank2 UE[4]。

隨著通信技術的發展及用戶不斷增長的數據業務需求，對系統傳輸速率與頻譜效率的需求必然將不斷提升，因此對MIMO技術的增強與優化始終是LTE系統演進的一個重要方向。在LTE-Advanced的R10版本中，對MIMO進一步增強，增加了傳輸模式TM9，下行傳輸最多支持8個數據流，與之對應的碼本設計也進行了更新；參考信號方面增加了測量參考信號CSIRS，與專用導頻相配合，一個用來解調，一個用來測量，降低了系統的導頻開銷；R10還增加了對上行MIMO的支持，且最大可支持4個數據流，使MIMO技術的發展達到階段性的頂峰。經過3個版本的發展后，MIMO技術在R11版本中進入“冬歇期”，然而通信工程師們對技術的追求總是無止境的，在R12中閃亮登場的3D-MIMO技術又掀起了一波研究高潮。具體如圖1所示。

2 3D-MIMO技術介紹

在現有的通信系統當中，受限于傳統的基站天線構架，基站發射端波束僅能在水平維度進行調整，而在垂直維度，一旦基站開通優化后，對小區內所有用戶都是固定的下傾角，因此各種波束賦形/預編碼技術等均是基于水平維信道信息的。事實上，由于傳播信道是個三維空間，固定下傾角的方法往往不能使系統的吞吐量達到最優。如圖2所示，隨著小區用戶數的增多，用戶分布在小區內的不同區域，包括小區中心和小區邊緣，使用傳統的二維波束賦形只能根據水平維的信道信息進行水平方向上的區分，而不能在垂直維對用戶進行區分，當兩個用戶的水平分布角度相同時，就不可避免地會產生干擾。

圖1 LTE演進路線

圖2 二維波束賦形示意圖

傳統二維波束賦形的這種不足是與天線結構密切相關的。眾所周知，目前的基站天線端口對應于一個水平方向上排列的線性陣列，調整各物理天線端口的幅度相位就只能控制信號在水平維的分布。隨著AAS（Active Antenna System，有源天線系統）的發展，改變了原有天線結構，AAS陣列由多個功率相對較低且相對獨立的陣子與射頻集成模塊構成，可以通過獨立控制每個有源天線陣子而具有高效靈活的波束控制能力。目前一些設備廠商已有AAS產品，如阿爾卡特朗訊的LightRadio、諾西的LiquidRadio以及中興的BeamHop等。基于有源天線的二維天線陣列使得MIMO系統得以充分利用垂直維度的傳播空間，將2D-MIMO演進為3D-MIMO，為LTE傳輸性能提升開拓了更廣闊的空間，使進一步降低小區間干擾、提高系統吞吐量和頻譜效率成為可能[5]，受到多個廠家及研究人員的關注，成為3GPP R12的研究重點。

如前所述，3D-MIMO系統中引入了對垂直空間維度的控制，通過隨時調整天線下傾角，使波束不僅可以在水平方向進行掃描，而且還可以在垂直方向進行掃描，這種波束賦形具有“三維立體”的特點，從而能夠更好地跟蹤目標用戶，進一步提高SINR并減少對其他UE的干擾，如圖3所示：

圖3 三維波束賦形示意圖

除了三維波束賦形，3D-MIMO技術還有另外兩種應場景[6]：一種應用是如圖4所示的小區分割功能，小區分割可以利用不同水平角度及垂直角度的波束對應不同的小區，提高時頻資源的重復利用率，其實就是更高效的空分復用，比如可以用來實現對市區高層樓宇的覆蓋，同一面天線的不同波束各對應1個小區，分別指向樓宇的中低樓層和高部樓層；另一種應用就是把3D-MIMO技術和CoMP（Coordinated Multi-Point，協作多點傳輸）技術相結合，如圖5所示，比如在HetNet（Heterogeneous Network，異構網絡）[7-8]中小基站可通過實時調整下傾角改變覆蓋（服務）范圍，為宏基站分流或者降低干擾。

圖4 小區分割示意圖

圖5 基于3D-MIMO的CoMP示意圖

值得注意的是，三維波束賦形要想從理論層面落實到協議層面，還有很多工作要做，更高空間維度的引入使得參考信號設計、信道狀態信息的測量、反饋機制及新的碼本方案等都需要更新或重新設計。下面筆者將針對三維波束賦形/預編碼的賦形矩陣計算進行分析。

3 三維波束賦形算法分析

如前所述，3D-MIMO的引入可以彌補傳統二維波束賦形不能充分利用空間自由度的缺陷，隨之而來的問題就是需要重新設計與三維信道矩陣相匹配的波束賦形/預編碼矩陣。

3.1 系統模型

假設基站側的二維天線陣列陣子數為Nh×Nv，終端的接收天線數量為Nr。每層天線陣子與終端間的水平維度信道狀態信息為Hh,i（i=1,2,…,Nv）；每列天線陣子與終端間的垂直維度信道狀態信息為Hv,j（j=1,2,…,Nh）；二維天線陣列與終端之間的三維信道矩陣定義為H，由Nr×Nh×Nv個元素組成。

3.2 基于SVD分解的波束賦形/預編碼算法

實現波束賦形/預編碼的算法有很多，本文將討論基于SVD（Singular Value Decomposition，奇異值分解）[9-10]的計算方法。對于任意一個信道矩陣H，通過SVD分解可以得到如下3個矩陣：

其中，U和V是2個酉矩陣；Σ是由H矩陣的特征值做角焦線元素的對角陣，代表了信道矩陣H的獨立路徑數量及路徑質量情況，分別對應特征值數量和特征值大小。

終端接收的信號為：

如果發射端乘以矩陣V，接收端乘以矩陣U，則接收端信號可表示為：

經過這一步處理后，接收端便可以線性求解出發送數據x，V即稱為波束賦形/預編碼矩陣（實際應用中根據數據流個數取V的前m列）。

根據這種思路，先計算天線每層水平陣子與終端間矩陣的波束賦形矩陣為：

V’h,i代表Vh,i的前m列，m為MIMO系統傳輸的數據流數，則各層組成的水平波束賦形矩陣可表示為：

同理，天線每列陣子與終端之間的波束賦形矩陣為：

V’v,j代表Vv,j的前m列，m為MIMO系統傳輸的數據流數，則各列組成的垂直波束賦形矩陣可表示為：

最后得到Nh×Nv×m維矩陣V=Vh×Vv，即為3D-MIMO系統的動態波束賦形矩陣。其中，定義Vh×Vv為2個矩陣對應元素相乘。

4 結束語

本文介紹了基于有源天線陣列的3D-MIMO技術特點和應用場景，并對3D-MIMO中的三維波束賦形算法進行了探討，相信隨著研究的不斷深入和技術的持續發展，3D-MIMO技術必將在未來移動通信系統中大放異彩。

[1] 3GPP TS 36.211. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network Physical Channels and Modulation[S]. 2009.

[2] 沈嘉,索世強,全海洋,等. 3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2008.

[3] 吳偉陵,牛凱. 移動通信原理[M]. 北京: 電子工業出版社, 2009.

[4] 許森,張光輝,曹磊. 大規模多天線系統的技術展望[J].電信技術, 2013(12): 25-28.

[5] 大唐電信集團. 大唐移動布局TD-LTE多天線技術領域，推動3D MIMO技術發展[N]. 中國電子報, 2014-05-16(3).

[6] R1-130089. Scenarios for 3D-MIMO and FD-MIMO[R]. 2013.

[7] 李軍. 異構無線網絡融合理論與技術實現[M]. 北京: 電子工業出版社, 2009.

[8] 賀昕,李斌. 異構無線網絡切換技術[M]. 北京: 北京郵電大學出版社, 2008.

[9] 曾祥金,吳華安. 矩陣分析及其應用[M]. 武漢: 武漢大學出版社, 2007.

[10] 彭雄奇. 矩陣論及其應用[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2011.★

張彬：高級工程師，博士畢業于北京郵電大學信息與通信工程學院，現任職于中國移動通信集團設計院有限公司河北分公司，主要從事WLAN/3G/LTE網絡方面的規劃設計和咨詢工作。

溫正陽：初級工程師，碩士畢業于華北電力大學電子與通信工程學院，現任職于中國移動通信集團設計院有限公司河北分公司，主要從事LTE網絡方面的規劃設計和咨詢工作。

Application of 3D-MIMO Technology in Beyond LTE Era

ZHANG Bin, WEN Zheng-yang
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Hebei Branch, Shijiazhuang 050021, China)

3D-MIMO technology based on the active antenna array is an evolution of MIMO technology in LTE systems at present. It can make full use of space domain and further improve the performance of wireless communication system. Firstly, the technical features and the typical application scenes of 3D-MIMO technology were introduced. Then, a 3D dynamic beam forming algorithm based on SVD of channel state matrix was presented. In this algorithm, the two dimensions of base station antenna array and the SVD decomposed vector of channel matrix of the receiving antenna were combined to form a beam forming vector of the transmitter. Finally, the algorithm provides useful reference to the practical application of 3D-MIMO technology.

3D-MIMO dynamic beam forming singular value decomposition

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.10.005

TN92

A

1006-1010(2015)10-0028-04

張彬,溫正陽. 3D-MIMO技術在后LTE時代中的應用[J]. 移動通信, 2015,39(10): 28-31.

2015-02-11

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn