MIMOMIMO技術(shù)的應(yīng)用

時間：2022-02-18 17:42:01 | 來源：信息時代

時間：2022-02-18 17:42:01 來源：信息時代

下行傳輸

LTER8/R9版本中下行引入了8種MIMO傳輸模式，其中LTEFDD常用的MIMO傳輸模式為模式1到模式6（TM1～TM6），而模式7（TM7）和模式8（TM8）主要應(yīng)用于TDLTE系統(tǒng)中，下面是不同傳輸模式的簡要說明。

–模式1：單天線端口傳輸（端口0）。

–模式2：開環(huán)發(fā)射分集。

–模式3：大延遲CDD空間復(fù)用與開環(huán)發(fā)射分集自適應(yīng)。

–模式4：閉環(huán)空間復(fù)用與開環(huán)發(fā)射分集自適應(yīng)。

–模式5：多用戶MIMO與開環(huán)發(fā)射分集自適應(yīng)。

–模式6：單層閉環(huán)空間復(fù)用與開環(huán)發(fā)射分集自適應(yīng)。

–模式7：單流波束賦形（端口5）與開環(huán)發(fā)射分集或單天線端口傳輸（端口0）自適應(yīng)。

–模式8：雙流波束賦形（端口7和端口8）或單流波束賦形（端口7或端口8）與開環(huán)發(fā)射分集或單天線端口傳輸（端口0）自適應(yīng)。

圖6所示是LTE系統(tǒng)中下行物理層處理過程，其中MIMO技術(shù)主要涉及到層映射和預(yù)編碼兩部分處理過程。層映射主要是根據(jù)傳輸?shù)拇a字（單碼字或雙碼字）和傳輸層數(shù)（取決于發(fā)射端天線數(shù)量），將數(shù)據(jù)流映射到不同的傳輸層。預(yù)編碼的主要目的是使傳輸?shù)男盘柛玫仄ヅ湫诺罈l件，以獲得更好的傳輸質(zhì)量。預(yù)編碼有基于碼本和非碼本兩種方式。LTEFDD主要使用基于碼本的預(yù)編碼方式，主要是因為LTEFDD工作時上下行鏈路使用不同的頻率，當(dāng)有較大的雙工間隔時，不能夠直接使用反向信道的測量來估計正向信道的條件，所以主要依靠終端的反饋來輔助預(yù)編碼。而TDLTE因為可以使用信道互易性，所以更容易實現(xiàn)基于非碼本的預(yù)編碼工作方式。下面對不同的傳輸技術(shù)進行簡要的介紹。

圖6LTE系統(tǒng)下行物理層的處理過程

1．開環(huán)發(fā)射分集

當(dāng)終端處于無線信號質(zhì)量較差的場景或終端移動速度較快時，及時準確地掌握下行信道的質(zhì)量狀況較為困難，這時使用開環(huán)發(fā)射分集技術(shù)可以有效對抗信道衰落，提高接收端的信噪比。

開環(huán)發(fā)射分集工作方式采用單碼字傳輸，也就是將一路數(shù)據(jù)流同時映射到2層或者4層進行傳輸，在接收端將多個發(fā)射天線的信號進行合并處理獲得額外分集增益，具體的層映射過程參見下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。

在LTE系統(tǒng)中，下行鏈路使用OFDM技術(shù)，因此為了適應(yīng)頻域信號處理的要求而采用了SFTD（SpaceFrequencyTransmitDiversity，空頻發(fā)射分集）工作方式。SFTD基于SFBC（SpaceFrequencyBlockCoding，空頻塊編碼）技術(shù)。

對于Alamouti編碼，一個缺點是當(dāng)發(fā)射天線數(shù)目大于2時，理論上證明不存在正交的可用于全速率傳輸?shù)木幋a方式，因此對于4天線開環(huán)發(fā)射分集，采用了結(jié)合SFTD和FSTD（FrequencySwitchTransmitDiversity，頻率交換發(fā)射分集）的工作方式（如圖8所示），實際上是將4個天線分為兩組，分別為第一組天線（天線端口0、2）和第二組天線（天線端口1、3），每組天線內(nèi)采用SFTD工作方式，天線組間采用FSTD工作方式。采用這種在天線間交織的工作方式，主要原因是天線端口0、1的參考信號密度較大，天線端口2、3的參考信號密度較小，使用天線分組交織的工作方式可以保證兩組SFBC碼塊有較平衡的解碼性能。開環(huán)發(fā)射分集預(yù)編碼過程具體方案可以參見下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。

圖7兩天線SFTD工作原理示意

圖8四天線SFTD FSTD工作原理示意

2．空間復(fù)用

當(dāng)終端處于無線信號質(zhì)量較好且存在豐富的多徑資源的場景時，則可以在MIMO系統(tǒng)的不同信道間共享高信噪比，為用戶提供并行傳輸多路數(shù)據(jù)的服務(wù)，有效提高單用戶的數(shù)據(jù)吞吐率和系統(tǒng)的吞吐量。假設(shè)MIMO系統(tǒng)中發(fā)射機有NT個發(fā)射天線，接收機有NR個接收天線，根據(jù)多天線理論可以知道，接收端的信噪比與單天線傳輸相比最大可以提高NT×NR倍，因此在功率和帶寬不受限的條件下用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率可以得到顯著提高。式（4）為單天線系統(tǒng)中的信道容量理論計算方法，當(dāng)信噪比提高NT×NR倍時，利用原有的傳輸帶寬，可以近似認為信道容量提高log2(NT×NR)倍。在實際應(yīng)用時，MIMO信道數(shù)量可能會少于發(fā)射端或接收端最少天線數(shù)目，假設(shè)為M，M≤min{NT，NR}，則實際MIMO系統(tǒng)的信道容量可以參考式5的計算方法。3GPPR8/R9版本標準中制定了3種空間復(fù)用工作方式，分別是大延遲CCD空間復(fù)用、閉環(huán)空間復(fù)用和單層閉環(huán)空間復(fù)用。下面分別進行簡單的介紹。

公式4

公式5

3．大延遲CDD空間復(fù)用

大延遲CDD空間復(fù)用技術(shù)是將CDD（CyclicDelayDiversity，循環(huán)延遲分集）技術(shù)和空間復(fù)用技術(shù)進行組合應(yīng)用。CDD技術(shù)可以認為是分集技術(shù)的一種，通過在不同的天線端口人為增加不同的時延，相當(dāng)于進行了信道無關(guān)的頻率選擇性預(yù)編碼。這樣的預(yù)編碼可以使傳輸信號和實際信道匹配得較好，從而有效提高接收端信噪比，但也有可能使傳輸信號與信道矩陣失配而降低接收端信噪比，所以CDD技術(shù)的性能和時延的選擇有直接關(guān)系。LTE系統(tǒng)中采用支持較大延遲的CDD技術(shù)，保證在一定的傳輸帶寬內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的信噪比變化，使得各層的信號能夠有相近的信道質(zhì)量，如果終端側(cè)使用MMSE接收機就能夠獲得一定增益。CDD技術(shù)的工作原理如圖9所示。

圖9兩天線CDD技術(shù)工作示意

大延遲CDD空間復(fù)用技術(shù)采用雙碼字傳輸，也就是兩路不同的數(shù)據(jù)流同時映射到2～4層進行傳輸，高信噪比保證了使用多碼字時的傳輸質(zhì)量，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。具體層映射過程參見下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。

大延遲CDD空間復(fù)用技術(shù)的預(yù)編碼過程見式（6）。其中W是基于碼本的預(yù)編碼矩陣。因為大延遲CDD空間復(fù)用是一種開環(huán)空間復(fù)用，也就是終端反饋時可以反饋CQI（ChannelQualityIndicator，信道質(zhì)量指示）和RI（RankIndicator，秩指示）信息，但不反饋PMI（PrecodingMatrixIndicator，預(yù)編碼矩陣指示）信息，因此預(yù)編碼矩陣W是由網(wǎng)絡(luò)側(cè)進行選擇的。D是延時矩陣，U是單位矩陣，通過D和U矩陣可以實現(xiàn)不同層信號間的均衡。W、D和U矩陣的具體取值參考下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。

公式6

4．閉環(huán)空間復(fù)用

閉環(huán)空間復(fù)用可以采用單碼字或雙碼字傳輸。單碼字傳輸對應(yīng)模式6，也就是單層閉環(huán)空間復(fù)用技術(shù)。雙碼字傳輸對應(yīng)模式4，也就是常說的閉環(huán)空間復(fù)用技術(shù)。對于單層閉環(huán)空間復(fù)用技術(shù)，一路數(shù)據(jù)流映射到一層傳輸，對應(yīng)于RI=1的情況，這時工作原理類似于基于小區(qū)公共參考信號的波束賦形，可以有效提高小區(qū)的覆蓋能力。對于雙層閉環(huán)空間復(fù)用技術(shù)，兩路不同的數(shù)據(jù)流同時可以映射到2～4層，用于信噪比條件較好且終端移動速度較低的場景，可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率。具體層映射過程參見下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。

閉環(huán)空間復(fù)用和開環(huán)空間復(fù)用的主要區(qū)別是閉環(huán)空間復(fù)用需要終端反饋PMI信息，PMI信息的內(nèi)容是終端從給定的預(yù)編碼矩陣中選擇的一個合適的W矩陣。網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)終端反饋的PMI信息選擇合適的預(yù)編碼矩陣W（可以與終端反饋的不同），這樣可以提高預(yù)編碼的準確程度，帶來一定的增益。但是在終端移動速度較快時，反饋的延時可能造成反饋的信息相對滯后，反而會影響網(wǎng)絡(luò)的性能。閉環(huán)空間復(fù)用的預(yù)編碼過程見式7，具體的W矩陣取值參見下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。

公式7

5．多用戶MIMO

空間復(fù)用技術(shù)的另一種應(yīng)用方式就是在小區(qū)內(nèi)的多個用戶間實現(xiàn)高信噪比的共享，也就是所謂的MU-MIMO（Multi-UserMIMO，多用戶MIMO）技術(shù)。MU-MIMO的工作原理是網(wǎng)絡(luò)側(cè)使用相同的時頻資源同時向不同的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，通過空間來分隔這些用戶，也就是類似于SDMA（SpatialDivisionMultipleAccess，空分多址）接入技術(shù)。如圖8所示，左側(cè)是單用戶MIMO工作方式，兩路數(shù)據(jù)同時發(fā)送給某一個用戶，顯著提高該用戶的峰值吞吐量；右側(cè)是MU-MIMO工作方式，兩路數(shù)據(jù)分別發(fā)送給不同的用戶，有助于提高小區(qū)平均吞吐量。處于MU-MIMO工作方式的用戶間信道有較大的相關(guān)性，因此需要保證配對用戶間有較好的空間隔離度，需要通過較窄的傳輸波束對準不同的終端來降低對其他用戶的干擾。因為這時信道間的相關(guān)性很強，也可以認為是RI=1波束賦形。對于MU-MIMO技術(shù)，最關(guān)鍵的是如何找到合適的配對終端，這些終端間需要有非常好的空間隔離性，以及同時發(fā)送數(shù)據(jù)的請求，這不僅對基站側(cè)的調(diào)度器提出了很高的要求，同時也需要小區(qū)內(nèi)有較多的用戶時才可能滿足MU-MIMO工作方式的場景。

3GPPR8/R9版本標準中定義的模式5工作方式是一種基于小區(qū)參考信號的MU-MIMO工作方式，同時基于碼本傳輸，具體的預(yù)編碼過程、碼本選擇和閉環(huán)空間復(fù)用過程一致，每個配對用戶占用一層進行數(shù)據(jù)傳輸，總共可以同時傳輸兩層數(shù)據(jù)，也就是有兩個配對用戶。

圖10多用戶MIMO工作示意

6．波束賦形

波束賦形是TD-LTE系統(tǒng)中常用的多天線傳輸方式，需要基站配置天線陣元間距較小的陣列天線。波束賦形的操作和線性預(yù)編碼過程非常相似，但工作原理有一定區(qū)別，波束賦形主要依靠信道間的強相關(guān)性以及電磁波的干涉原理，在天線陣列發(fā)射端的不同天線陣子處合理控制發(fā)射信號的幅度和相位來實現(xiàn)具有特定輻射方向的發(fā)射波形，這樣有助于提高覆蓋范圍和特定用戶的信噪比，同時也可以減小對其他用戶的干擾。

3GPPR8/R9版本標準中定義的模式7和模式8分別對應(yīng)單層波束賦形和雙層波束賦形操作。波束賦形操作不需要終端進行特別的反饋，系統(tǒng)可以通過對終端的上行鏈路進行測量來確定下行鏈路發(fā)射信號的波束賦形參數(shù)，但是需要發(fā)射特定的基于終端信息的專用導(dǎo)頻信號，使用專用導(dǎo)頻信號可以減少公共導(dǎo)頻信號的占用，保證在更多天線數(shù)目（如大于4個）情況下能夠使用波束賦形技術(shù)。

上行傳輸

對于R8/R9的LTE終端，主要配置為雙天線，但是采用單發(fā)雙收的工作模式。上行鏈路MIMO的工作方式主要包括以下幾種：

–單天線傳輸：采用上行單天線傳輸方式，使用固定天線發(fā)送（端口0）。

–開環(huán)發(fā)送天線選擇分集：采用上行單天線傳輸方式，終端選擇天線進行上行傳輸。

–閉環(huán)發(fā)送天線選擇分集：網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過下行物理控制信道上承載的下行控制信息通知終端采用特定天線進行上行傳輸。

–上行MU-MIMO：網(wǎng)絡(luò)側(cè)能夠根據(jù)信道條件變化自適應(yīng)地選擇多個終端共享相同的時頻資源進行上行傳輸。

在3GPPR8/R9版本中，上行未使用空間復(fù)用技術(shù)，主要是考慮到射頻實現(xiàn)復(fù)雜度高、MIMO信道非相關(guān)性實現(xiàn)較難、天線數(shù)量越多終端耗電越大、與其他無線通信系統(tǒng)（如GPS，藍牙等）的干擾問題嚴重等因素。以射頻實現(xiàn)為例，若要保證終端上行可以實現(xiàn)空間復(fù)用技術(shù)，一般情況下要求天線間至少要保證半個波長的空間隔離。假如此時上行傳輸使用2.6GHz的載波，空間隔離約為5cm，同市面的手持終端尺寸可比擬，相對容易實現(xiàn)；但是當(dāng)載波低到1GHz以下，如700MHz時，半波長超過10cm，大于目前市面銷售的一般手持終端的尺寸，所以對于1GHz以下的頻率，實現(xiàn)手持終端的上行MIMO工作方式難度相對較大。

1．天線選擇傳輸

采用單天線傳輸時，只能使用固定天線，但在實際情況下兩個天線上傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量不完全相同，如果能夠選擇傳輸信號質(zhì)量較好的天線，則可能獲得一定的天線分集增益。目前天線選擇有開環(huán)和閉環(huán)兩種方式，具體使用哪種方式由網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置。

–當(dāng)終端不具備天線選擇功能或網(wǎng)絡(luò)側(cè)未配置使用天線選擇功能時，則終端使用單天線傳輸方式。

–當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置終端使用開環(huán)天線選擇工作方式時，具體使用哪個天線傳輸由終端來決定。LTEFDD系統(tǒng)中一種可行的實現(xiàn)方式是終端交替使用不同的天線進行傳輸，以獲得一定的天線分集增益；而TDLTE系統(tǒng)可以利用信道互易性獲得上行信道質(zhì)量的信息進而選擇合適的天線進行傳輸。

–當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置終端使用閉環(huán)天線選擇工作方式時，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制終端使用哪個天線進行傳輸，終端按照網(wǎng)絡(luò)側(cè)最近下發(fā)的DCIFormat0信息獲知具體的發(fā)射天線端口，具體過程見表1，通過特定的天線選擇掩碼對DCIFormat0信息后面增加的CRC校驗比特進行加擾。

表1終端發(fā)射天線選擇掩碼

終端發(fā)射天線選擇

天線選擇掩碼（xAS,0，xAS,1，…，xAS,15）

終端天線端口0

<0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0>

終端天線端口1

<0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1>

2．多用戶MIMO

R8/R9LTE終端在上行只支持單發(fā)雙收工作方式，不可能實現(xiàn)上行單用戶MIMO，因此在上行鏈路傳輸中，一種特殊的被稱為虛擬MIMO的技術(shù)得到應(yīng)用。當(dāng)終端1與eNodeB間的空間信道和終端2與eNodeB間的空間信道不相關(guān)時，基站調(diào)度器可以為兩個終端分配相同的時頻資源，同時進行上行傳輸，也就是上行MU-MIMO。當(dāng)小區(qū)有較多用戶（例如有較多的VoIP用戶）且基站有較多的接收天線時，上行MU-MIMO更容易實現(xiàn)，同時可以提高小區(qū)的平均吞吐量。工作于上行MU-MIMO工作模式下的終端采用相互正交的參考信號圖案，以簡化基站的處理難度。從終端的角度看，上行MU-MIMO與單天線傳輸?shù)牟煌帲瑑H僅在于參考信號圖案的使用必須與其他終端配對。但從基站的角度看，確實是一個2×2的MIMO系統(tǒng)，接收機可以對這兩個終端發(fā)送的信號進行聯(lián)合檢測。由于MU-MIMO的終端間使用相同的時間和頻率資源，且空間信道之間很難完全不相關(guān)，所以可能會帶來一定程度的用戶間干擾，基站使用MMSE接收機可以有效減小這種干擾的影響。