LTE-Advanced下行鏈路多天線技術研究

0 前言

下行鏈路MIMO無疑是LTE R8中的一個關鍵技術構件。已經(jīng)規(guī)定了用于提供超過300Mbit/s峰值數(shù)據(jù)速率的1、2和4個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)進行雄心勃勃的目標設定，以確保其作為領先無線接入技術的地位。為了保證這一點，LTE-Advanced支持下行鏈路采用多達8個發(fā)射天線端口進行數(shù)據(jù)傳輸。對應于20MHz載波上的600Mbit/s，如果采用8×8天線配置和多達8層的空間復用，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強調改善多用戶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UE。

1 下行鏈路中的參考符號結構

在LTE R8和R9中，MIMO操作主要基于與蜂窩有關的通用參考符號(CRS)。在天線端口和規(guī)模之間，參考符號模式是正交的，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)測量以及數(shù)據(jù)解調通常采用CRS來執(zhí)行。TDD波束形成傳輸模式7是例外，在這種情形中，與UE有關的參考符號(URS)用于解調。LTE-Advanced中的簡單解決方案已經(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的RS，它暗示著CSI測量和解調都可以使用CRS。但是，使用R8終端的后向兼容性會生成一個問題，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，會導致傳統(tǒng)終端性能不可避免地變差。8-TX CRS的另一個缺點是當給定大多數(shù)終端通常無法享受8層傳輸?shù)膬?yōu)勢的事實后，參考符號的開銷過高。

為了應對這些挑戰(zhàn)，LTE R10決定采取另一種參考符號范式。關鍵思路是將用于CSI測量的參考信號與那些用于數(shù)據(jù)解調的參考信號脫鉤，方法如下：

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

b)在多達8個空間層的支持下，與UE有關的預編碼正交參考符號用于數(shù)據(jù)解調。主要從3個方面證明這種選擇的合理性。首先，與UE有關的參考符號支持eNodeB處靈活的傳輸預編碼，它可以看作是競爭性下行鏈路MU-MIMO的一個引擎。其次，根據(jù)傳輸?shù)燃?，參考符號開銷增加，因而一些高等級能力終端無法對整個系統(tǒng)進行懲罰，主要是由于參考符號開銷較高，這與采用CRS的情形類似。第三，與UE有關的參考符號將從發(fā)送預編碼增益中受益，這反過來又會導致可靠的信道估計。等級為1-2的LTE R10 URS模式對應于LTE R9中的URS模式，而等級為3-8的LTE R10 URS模式可看作是一種擴展。

CSI-RS在時間和頻率上是稀疏的，因為CSI測量要求不如數(shù)據(jù)解調嚴格。通常情況下，CSI-RS采用非常低的密度(1RE/port/PRB)進行定期傳輸(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，因為下行鏈路MIMO增強方案的目標主要是低移動性場景。這意味著對傳統(tǒng)LTE R8/9終端的影響僅限于子幀，CSI-RS在這些子幀中傳輸，其他時間傳統(tǒng)終端可以進行工作，而無需受到任何懲罰。同時，CSI-RS相對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，需要相應降低MCS水平，以支持UE應對額外的干擾。

雖然引入CSI-RS的主要驅動力是對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?？傮w而言，規(guī)范非常明智，可以對CSI-RS和CRS進行獨立配置。在圖1中，分別描述了8個、4個和2個發(fā)射天線端口時的R10 CSI-RS情形。CSI-RS模式具有嵌套特性——針對少數(shù)天線端口的模式是針對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，且定義了針對正常和擴展循環(huán)前綴的獨立CSI-RS配置。對于幀結構類型1和2來說，不同模式也是可用的——也就是說，對于FDD和TDD來說，TDD中存在著細微變化，即與天線端口5的碰撞可以避免。CSI-RS的另一個主要區(qū)別也是高重用因子，例如在2個天線端口的情形中，重用因子為20。相比之下，在2個天線端口的情形中，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)絡負載情形中是非常有益的。



在圖2中，給出了URS配置的2個實例。該規(guī)范支持使用12/24個資源元素(RE)，它可用于URS，這取決于傳輸?shù)燃墶＠?，與R9中的情形一樣，1層和2層可以采用12個資源元素和長度為2的疊加正交碼(OCC)進行工作，而24個資源元素和長度為4的疊加正交碼可用于3-8層。采用頻分復用加上可變長度的OCC，支持根據(jù)傳輸?shù)燃墸瑢S開銷進行有效擴展。我們注意到通過采用天線虛擬化(如降至某個CRS端口)，CSI-RS為高效地降低CRS開銷提供了機會，如圖2的右半部分所示，而UE仍然能夠通過CSI-RS接入多達8個天線端口。



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來對CSI進行估計，并將CSI反饋傳輸給eNodeB，而eNodeB反過來可以在為數(shù)據(jù)選擇預編碼器和調制與編碼方案(MCS)用CSI。數(shù)據(jù)可以和與用戶有關(專用)的解調參考符號(URS，也稱為DM-RS)一同傳輸，與數(shù)據(jù)一樣，對同一物理資源塊進行擴展。相同的傳輸預編碼可用于數(shù)據(jù)層及相關的DM-RS端口。與LTE R8中的情形相反，它考慮了eNodeB使用任何預編碼的情況，因為使用的預編碼對于終端來說仍然是透明的，且不需要傳輸給用戶。



2 碼本設計

為了支持下行鏈路MIMO操作，8個發(fā)射天線端口的引入需要一個新碼本。同時，與用戶有關的DM-RS支持在eNodeB處靈活選擇預編碼器。為了實現(xiàn)這種潛在優(yōu)勢和增益，需要為eNodeB提供非常精確的CSI。在TDD的情形中，信道互易和探測參考信號在一定程度上可用于通過對來自于上行鏈路傳輸?shù)南嚓P信息進行估計，來獲取CSI。但是，在FDD的情形中，除了長期DoA(到達方向)波束形成之外，實際上不可能使用短期CSI，因而需要在3GPP中指定更為詳細的CSI反饋機制。簡單解決方案是簡單規(guī)定一個包含更多元素因而具有更高精度的新碼本。遺憾的是，無論是從上行鏈路信令開銷，還是從UE處PMI選擇復雜性的角度來看，這種解決方案都是不切實際的。

碼本設計的一種自然方法是把重點放在感興趣場景與天線配置選擇上。在用例方面，LTE R10 CSI反饋應當既支持下行鏈路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)擴散較大的不太相關場景，而MU-MIMO通常用于信道方位角擴散較小的高度相關場景。因此，對于SU-MIMO/MU-MIMO來說，最佳工作點與部署場景密切相關。另一方面，流量條件和可用多用戶分集也會隨著TTI的不同而發(fā)生變化，需要強制規(guī)定SU-MIMO和MU-MIMO之間的動態(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)行無縫傳輸模式選擇。天線配置和相關信道建模在碼本設計中發(fā)揮了主要作用。

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

a)采用精細空間粒度和建立在長期信道寬帶相關特性的空域內(nèi)UE分離，對支持MU-MIMO的反饋進行優(yōu)化。
b)支持SU-MIMO的反饋側重于短期窄帶信道特性。

長期信道特性不會從一個CSI測量實例快速變化到另一個CSI測量實例。因此，將信道狀態(tài)特性分離為長期和/或寬帶部分是行得通的，這說明從長遠的眼光來看，信道狀態(tài)特性是相對穩(wěn)定的(例如等級和寬帶波束方向)，且短期和/或窄帶部分主要針對非相關信道規(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，通過將長期和短期CSI構件分離開來，可以實現(xiàn)高效的反饋信令壓縮，且輔以目標場景中非常具有競爭力的性能。這將導致3GPP在LTE R10 CSI反饋中采用雙碼本結構，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編碼器W是由2個矩陣構成的，這2個矩陣屬于2個不同的碼本：W1針對長期寬帶信道特性，而W2適用于短期頻率選擇性CSI。由此形成的每個子帶預編碼器W是由2個矩陣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)構件的。眾所周知，這些構件能夠為MU-MIMO提供良好性能，而對于SU-MIMO來說，通過支持子帶級的波束選擇，可以維持頻率選擇性預編碼。對于8×8下行鏈路單用戶MIMO來說，當考慮使用8個空間層時，對于較低傳輸?shù)燃?即第1-2級，一定程度上也適用于第3-4級)來說，雙碼本概念就具有較大的吸引力，這取決于空間相關性。



圖4示出的是LTE R10中的雙碼本反饋操作原理。預編碼器由W1和W2 2個部分構成：W1針對長期/寬帶信道特性，W2提供了深度完善方案以及關于信道的短期/窄帶性能的信息。

R10引入對2、4和8個CSI-RS天線端口的靈活支持，而URS用于解調。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。對于2根和4根發(fā)射天線來說，LTE R10碼本仍保持不變，且是LTE R8中的對應碼本，因為這些碼本被證明具有足夠的競爭力。

3 下行鏈路多天線增強方案的系統(tǒng)性能

與R8相比，R10提供的主要容量優(yōu)勢是與UE有關的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。當采用2×2天線配置時，R10解決方案并未帶來真正益處，因為傳輸編碼增益非常有限，不會補償與UE有關的RS開銷。在一般情況下，通過采用天線虛擬化的方法，可以降低CRS開銷本身。在實踐中，人們通常會在eNodeB發(fā)射陣列每個極化方向上配置1個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能夠將容量提高40%。與R8相比，采用4×4天線配置的MU-MIMO能夠將容量提高100%。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對蜂窩邊緣數(shù)據(jù)速率的好處甚至要高于對平均數(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天線配置能夠將蜂窩邊緣數(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)值可能會相互折衷，這取決于調度和多用戶配對策略。已經(jīng)證實，通過在第二空間層采用比例公平頻域調度，選擇保持公平性會導致覆蓋性能顯著提高。另一方面，選擇針對第二個用戶的頻域調度的最大C/I類型將會提升峰值吞吐量，從而以犧牲覆蓋范圍為代價，提高了平均吞吐量增益。





4 結論

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

目前已知的LTE-Advanced研究主題包括：

a)載波聚合，預計研究焦點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)多天線增強方案，已經(jīng)達到共識，下一步研究工作將圍繞協(xié)同多點(CoMP)傳輸展開，它將成為一個獨立的研究項目。CoMP理想的根本目標是將干擾信號變?yōu)榻邮招盘柕挠杏梅至?，或者采用空間維度以確保干擾最小化的方式來引導信號。CoMP方案可以采用不同方法進行劃分，此處選擇的分類方法將方案分為：

(a)聯(lián)合調度/波束形成，在這種方案中，實際傳輸僅來自于單個蜂窩/扇區(qū)，且性能優(yōu)勢是通過與其他蜂窩進行協(xié)同得到的。在協(xié)同波束形成的情形中，目標是采用某種方式來引導在重疊時間/頻率資源調度的波束。在這種方式中，能夠進行數(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，該信息支持eNodeB處的智能決策。



(b)聯(lián)合處理CoMP是基于從多個蜂窩進行傳輸，并在接收端主動消除干擾的理念。此處面臨的挑戰(zhàn)取決于選擇的具體方法，但大多與處理站點間操作以及由此形成的回程要求和接收機復雜性時，需要支持來自于多個eNodeB的實時聯(lián)合編碼和調度決策有關。從性能的角度來看，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量結果的現(xiàn)實精度，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進一步增強方案(eMBMS)，遵循R9中的基本框架(并在R10中略有增強)。
b)基于R10工作項目或研究項目，繼續(xù)在諸如自組織網(wǎng)絡(SON)、驅動測試最小化(MDT)、機器對機器(M2M)連接優(yōu)化等主題上開展研究。

參考文獻：

[1]Harri Holma，Antti Toskala. UMTS中的LTE：向LTE-Advanced的演進[M].2版.郎為民，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2011.
[2]Harri Holma，Antti Toskala. UMTS中的LTE：基于OFDMA和SC-FDMA的無線接入[M].郎為民，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2010.
[3]何玉申，宮芳.下一代無線移動通信LTE及LTE-Advanced的研究[J].信息技術，2010(11)：15-21.