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LTE空中接口技术与性能(3),MIMO技术简介 上行MU-MIMO的调度与解码过程 MIMO技术简介 波束赋形技术,第三章 LTE的MIMO技术,多输入多输出（MIMO）技术是指依赖于使用多个接收发送天线的技术的通称，包括多种数字信号处理技术。MIMO技术可用于提高系统性能，也可提高业务的数据传输率。MIMO是无线移动通信领域天线技术的重大突破。任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端采用了多个天线和天线阵列，就构成一个无线MIMO系统。MIMO系统的组成大致可分为SISO、MISO、SIMO、MIMO、协作MIMO等几种。,SISO、MISO、SIMO结构示意图,MIMO与写作MIMO结构示意图,天线收发方式变迁,LTE系统所采用的MIMO方式,3.1 MIMO技术简介,MIMO技术所涉及的基本概念（1）码字的起始点是Turbo编码器的输入端，终点在调试器的输出端，码字的数量则由信道编码器的数量决定。（2）“层”的定义为一个空间数据流输入到“虚天线”上，由Node B高层决定的空间复用时可用的数据流的个数。“秩”是信道矩阵H的秩。秩小于等于发送天线和接收天线的最小值。,天线的种类与应用,3.1.2 码字与层映射,1.码字 一个码字的起始点是Turbo编码器的输入端，终在调试器的输出端，码字的数量则由信道编码器的数量决定。LTE系统可支持多码字（MCW）与单码字（SCW）.在LTE中，对于2或4天线结构来说，最大码字的数量都是2个。单码字的传输特点是：每层速率相同，仅反馈一路CQI信息，有联合编码增益，如图3-1所示。多码字传输特点是：每层采用相适应的速率，每层单独反馈CQI信息，提供串行干扰消除增益（SIC）如图3-2所示。,MIMO发送示意图,图3-1 单码字传输方式,图3-2 多码字传输方式,2.层映射 LTE的多天线采用秩自适应的技术，即发送数据流的个数与实际发送天线数可以不相等，在这些情况下，这些数据流通过预编码的方式映射到实际的物理天线。这里的每个数据流就称作一个“层”。码字数、层数及与发射天线数的关系如下：码字数层数发射天线数 根据所选用的MIMO方式，层映射可分为空间复用层映射和发送分集层映射。发送分集层映射：一个码字映射到2或4（虚天线）上层数v等于天线端口数P，2层或4层，只发送一个码字。空间复用层映射：1个或2个码字可映射到1、2、3或4个层（虚天线）上。层对应于信道矩阵的秩，因此层数v小于等于天线端口数P。最多4层，但最多同时发送2个码字。,“层”到天线口的映射的对应关系介绍如下：（1）空间复用：层的数量小于或等于发射天线的天线端口数量。（2）发送分集：层的数量等于发射天线的天线端口数量。在LTE下行MIMO模式下，每层对应的数据都来自码字。每个下行发射时刻每层的数据都是不同的，系统根据下行信道的Rank指示（RI）确定层的具体数目，之后利用预编码权值矩阵W(大小为P*v)将层中的数据映射到每个端口上；而在发送分集模式下，所有曾德数据都来自同一个码字，经过SFBC编码后映射到各个下行端口。,层映射过程（1）单天线口发送的层映射 如果采用单天线发送，那么只有一层，即v=1。（2）空间复用层映射 对于空间复用，层数v不能大于物理层信道发送的天线口的数量。（3）发送分集的映射层 对于发送分集，只有一个码字，发射层数v等于发射天线端口P的数目。,3.1.3 预编码,对于MIMO，LTE天线映射包括了层映射和预编码两个步骤。层映射的功能是把编码调制完成的符号序列分配到一层或几层上。预编码起到改变信号所经历的空间信道的作用。LTE系统的预编码过程为：（1）信号发射前，在eNode B进行预编码；（2）eNode B和UE使用同样预先确定的码本集，并从中选取最合适的码本矩阵；（3）UE进行信道估计，同时选择最好的预编码矩阵并向eNode B反馈其索引号。,3.1.4 下行MIMO,LTE系统下行链路可用的MIMO方式如下所示。（1）控制信道的发射分集；（2）业务信道的MIMO/波束赋形方式；（3）支持E-MBMS的MIMO。,3.1.5 SU-MIMO与MU-MIMO,下行2x2 SU（单用户）-MIMO示意图,下行MU（多用户）-MIMO示意图,上行MU（多用户）-MIMO示意图,3.2 上行MU-MIMO的调度与解码过程,3.2.1 上行MU-MIMO的调度 上行MU-MIMO技术通过在同一指定的TTI中为不同的UE分配相同的资源块，提高是上行链路吞吐量。UE不知道其所占用的资源块与其他UE之间是有重叠的。eNode B采用基于SINR测量的MU-MIMO发射技术来判定哪两个UE可以配对应用。如果一个UE至少存在另一个可以与之配对的UE,那么这个UE将被列入候选集，否则，它将采用SIMO发射。通常，调度机制中实际可配对的UE数要小于15。在MU-MIMO实际应用中，用户配对是最重要的步骤，对系统性能影响很大，可以选择随机配对与正交配对。,随机配对：当地有个UE已经选定，就可进行随机配对，无需信道探测。正交配对：当地一个UE已经选定，通过信道哦矩阵进行正交配对，需要信道探测。这里以3GPP的标准建议中提出的随机调度算法举例。,随机调度算法举例,上行MU-MIMO方式在每个调度周期内收缩可配对的用户。假设在n时隙测量的SINR表示为SINRn，则SINRn的计算公式如下：其中K为一个时隙中的导频数量；SINRn,k为在时隙n子载波k上的SINR的测量值即：,3.2.2 上行MU-MIMO的解码,MIMO-OFDM是一种能够提高速率和增大系统容量的技术。为了提高速率，接收端需要获得精确的信道状态信息。右图为MU-MIMO解码的信令处理过程：,其中，和：分别对应于接收天线0和接受天线1在子载波k（在“移除CP+FFT模块之后”）的接受信号：和：用户0在接受天线0和接收天线1上对子载波K的信道估计：和：用户1在接受天线0和接受天线1上对子载波k的信道估计（两个用户在MU-MIMO模式下的参考信号必须是正交的）；和：在接收天线0和接收天线1的噪声变化估计。由此可得出：用户1的输出信号可表示为：,用户2的输出信号可表示为：从输出的信号可以看到，如果接收机不是工作咋MU-MIMO模式下，则等同于使用最大比合并（MRC）的SIMO接收机。,3.3 MIMO性能,MIMO技术相对于传统的接收分集等技术的特点在于发射端和接收端均采用了多副天线，利用空间维度资源让每个天线发送独立的数据流，从而在不增加发射功率和宽带的前提下，成倍提高无线通信系统的传输容量。MIMO信道的本质是提供多个并行传输通道来同时传送多路独立的数据以提高系统的吞吐率和频谱效率。1.SM-MIMO的下行自适应编码（AMC）性能如右图所示：,从上面的仿真结果可以得出以下初步结论：（1）随着运动速度的增加，性能中毒降低；（2）系统可支持350km/h的移动速度；（3）当SNR小于16dB时，MCS性能都较低2.SFBC的下行自适应编码（AMC）性能如下图所示：,从上面的仿真结果可以得出一下初步加仑：（1）SFBC与SM-MIMO相比具有更好的抗衰落想能，在EVA30衰落条件下可以和AWGN下吞吐量相当；（2）随着运动速度的增加，性能平缓降低；（3）系统可支持350km/h的移动速度；（4)当SNR小于16DB时，MCS性能都较低。,3.4 波束赋形技术,波束赋形技术有如下特点：（1）波束赋形是LTE中提高覆盖和容量的一种解决方案；（2）波束赋形使用自适应或固定发射，接收波束图实现对信号的空间选择性；（3）波束赋形算法可基于用户DOA（天线阵元的间隔为半波长）或用户空间特征实现（主要适应于NLOS场景）；（4）基于上行估计的下行链路波束赋形；该算法适用于LOS场景或角度扩散小的场景且要求天线真远的艰巨d且UE中低速；（5）基于反馈的DL波束赋形：该算法可适用于天线的任意几何形状，且对阵元间隔，直射径。散射角均无要求，且UE中低速；（6）波束赋形可以形成具有有限零点的方向波束；（7）天线阵元越多，所形成的波束越窄，波束形成增益越大，消除干扰的能力越强；（8）波束赋形包括固定和动态波束形成技术；（9）波束赋形不能很好地适用于UE高速的场景。,波束赋形算法中的两种权值产生的方法：（1）基于上行估计的下行链路波束赋形（2）基于反馈的DL波束赋形波束赋形两种反馈方式的区别：（1）码本反馈方式：信道信息通过上下行信道的对称性得到（适应于FDD和TDD系统）使用公共导频进行数据调解，开销主要为上行PMI反馈，为了减少UE反馈开销，需要对信道信息进行量化。（2）非码本反馈方式：信道信息通过上下行信道的对称性得到（适用于TDD系统），使用专用导频进行数据解调，开销主要为下行专用导频。,3.4.1 基于波束赋形的非码本反馈方式 基于波束赋形的非码本反馈方式是一种自适应波束赋形技术，每个天线阵元的权值可以通过DoA测量的方式进行调整。这种类型的BF在实际应用中是最适宜的，可以采用Wiener模型来得以实现。下图是基于波束赋形的非码本反馈方式的一个应用实例。从图中可以看出，赋形后的波束都指向格子的UE所处的方向，UE位于波束主瓣中间。,参照现行的LTE标准，采用基于波束赋行的非码本反馈方式有以下一些问题：（1）基于波束赋行的非码本反馈方式可以改善PDSCH的覆盖范围，但它无法同时适用于PDCCH、PBCH、PMCH等公共信道；（2）当天线阵元较多时，波束宽度是非常窄的在多经及散射较多的环境下尤其是密集区域，将会导致DoA估计产生偏差，致使性能下降；（3）如果所有的基站都使用自适应波束赋行方式，波束方向需要逐个子帧的由一个UE切换到另一个UE，这样就很难得到相对精确的干扰测量结果，这将导致SINR波动很大，不利于UE进行MCS的确定；（4）为了准确估算DoA，包括基站射频前端在内的天线阵列系统在幅度和相位两方面都必须进行测量校正，增加了系统复杂性；（5）为了保证性能，需要增加专用参考信号来辅助进行信道估计；（6）该种方式对广播和组播的业务性能没有改善。,3.4.2 基于波束赋形的码本反馈方式 与基于波束赋形的非码本反馈方式相比，基于波束赋形的码本反馈方式是一种相对简单的固定波束赋形技术。通过分别为每个UE选择最佳波束来获得良好的性能，这种方式可用于增加同时传输的用户数。这时要求每个波束需要有一个相互正交的下行参考信号加以区分。使用这种方式时，采用预编码的单个数据流（SU-MIMO方式）可以认为是最多支持4个发射天线的基于波束赋形的码本反馈方式来实现的，因为使用的码本已知，波束方向是固定的，不需要任何特定的导频来区分用户。基于波束赋形的码本反馈方式可以采用基于DFT发射权值来形成赋形波束。,下图是基于波束赋形的码本反馈方式的一个应用实例。从中可以看后的波束方向固定，系统UE根据所处的方向分配相应的波束，UE位于该波束的任意位置。,参照现行的LTE标准，采用基于波束赋行的码本反馈方式有以下一些问题：（1）基于波束赋行的码本反馈方式可以改善PDSCH的覆盖范围，但它无法同时兼顾PDCCH、PBCH、PMCH等公共信道；（2）当天线阵元较多时，波束宽度是非常窄的，在多经及散射较多的环境下，尤其是密集区域，将会导致DoA估计产生偏差，致使性能下降；（3）如果所有的基站都使用自适应波束赋行方式，波束方向需要逐个子帧的由一个UE切换到另一个UE，这样就很难得到相对精确的干扰测量结果，这将导致SINR波动很大，不利于UE进行MCS的确定；（4）这种方式需要针对不同场景重新设计码本；（5）该种方式对广播和组播的业务性能没有改善,3.4.3 BF和MIMO的结合 在这种方案中，天线振子采用交叉极化的方式，如下图所示。天线内部每个交叉极化的阵元间距是波长的二分之一，同样通过阵元间信号相关性形成波束。而两组交叉极化天线阵元可用于MIMO传送，如SFBC、SM等方式。,对于现行LTE系统设计来讲，为了对其MIMO标准要求修改最少，比如增加UE专用的参考信号等，可以在BF-MIMO方案种采用固定波束方案。事实上如果固定波束，并将每个天线组看成是一个天线口，就可以支持现行LTE标准。由上图可以看出振子的波束方向固定，用户可以分配到不同极化方向的不同波束。综上所述，LTE中应用的BF-MIMO技术需要在现有LTE规范下不进行较大的变更或修改。这里给出以下几点建议（1）天线形式采用BF和MIMO结合的方案；（2）为保证每扇区没有雨覆盖盲点，波束宽度不应过窄。最适当的波束数量是根据天线振子的数量确定的；（3）该种方式无需引入额外的专用参考信号。每个波束可以认为是一个扇区，因此每个波束只要具备公共的参考信号应该是足够的，这不会影响到LTE中已经采用的通用参考信号结构。,通过上述几种波束赋行技术方案，包括基于DoA测量的波束赋行的非码本反馈方式，基于波束赋行的码本反馈方式和BF与MIMO结合方案，经过研究，前两种方案都存在一些问题。相比之下，当天线阵元数量大于4时，采用固定波束的BF与MIMO结合方案，不但能够解决前两种方案面临的诸如公共信道的覆盖等问题，也无需改变现有体制。这些优点对UE来讲也是显而易见的。因此我们建议当天线阵元数量大于4时，采用固定波束的BF与MIMO结合方案，因为该方案既增加了BF增益，且对现有技术体制的影响最小。,通信新技术新业务层出不穷,需要我们不断地学习和研究,一方面准确的把握市场,另一方面熟练的驾驭技术,才能在百变的环境下利于不败之地,