LTE-Advanced MIMO增强技术研究

张 翔，李文宇，宋丽娜，李 星

（工业和信息化部电信研究院通信标准研究所 北京100191）

1 引言

随着移动互联网的发展，人们更加重视无线数据业务的体验，运营商对无线网络的关注重点逐渐从语音覆盖转向数据频谱效率。国内的3家运营商采用3种不同的3G移动通信制式，其中以中国联通采用的宽带码分多址接入（WCDMA）技术传输速率最高，下行峰值速率高达42 Mbit/s。但因为大数据多媒体业务对数据传输的要求越来越高，3G网络已经不能满足运营商的需求。从2009年建造第一个长期演进（LTE）网络开始，韩国、日本和美国等国家已经全面商用4G系统[1]。2013年12月4日，工业和信息化部向中国移动、中国联通和中国电信同时颁发时分双工LTE（TD-LTE）的运营牌照[2]。TD-LTE作 为4G技术的重要分支，不需要成对的频谱资源，能够适应不对称的上下行业务特性，且时分双工方式可以充分利用信道传播的上下行互异性，采用波束成形技术获得分集增益和阵列增益，提升网络频谱效率和边缘覆盖[3]。TD-LTE的下行峰值速率能达到110 Mbit/s。

LTE-Advanced从3GPP R10版本协议开始，形成了载波聚合（CA）、多点协作（CoMP）、中继（relay）、增强的小区间干扰协调（eICIC）和MIMO增强5个关键技术。由于物理层基本传输技术并没有改变，相比从CDMA到LTE的“革命”，LTE到LTE-Advanced的发展可以认为是平滑“演进”。

载波聚合通过使用多个载波段的时频资源，能够成倍地提升系统的传输速率，特别是在频谱资源日益紧张的今天，通过将一些频谱碎片聚合，有效地利用这些频谱传输数据。为了增加LTE系统的覆盖半径，改善小区边缘用户的使用体验，3GPP从R10版本开始引入CoMP技术，并在R11版本进行了完善。CoMP技术将多个基站的天线进行联合处理，在上行和下行获得多天线增益。但经过国际国内运营商和设备商的多轮研究和讨论，目前CoMP最适合使用的场景是上行基站天线较少的场景。为了增强覆盖，中继技术在LTE基站和终端之间引入了新的节点，通过对基站和终端传输信号的转发增强，提升接收端有用信号的接收功率。随着网络拓扑的日益复杂，同一片区域内可能有宏小区、小小区、微小区等，同频组网时小区间的干扰变得异常严重，eICIC技术可以优化终端移动性和协调相邻小区间的传输资源，减少同频小区间干扰。

LTE-Advanced对MIMO的增强主要体现在针对上行和下行分别增加1种传输模式，下行最大支持4流传输，上行最大支持2流传输。目前韩国运营商的发展最为迅速，2014年已经率先把LTE网络升级到LTE-Advanced，支持两载波聚合技术，下载峰值速率提升至150 Mbit/s，通过实际商用网络展示了LTE-Advanced系统的巨大优势。

2 下行MIMO增强

2.1 LTE下行MIMO技术对比

LTE阶段定义了8种下行多天线MIMO传输模式（transmission mode，TM）：单天线发送（TM1）；发射分集（TM2）；循环时延分集（TM3）；闭环空间复用（TM4）；多用户MIMO（TM5）；单层闭环空间复用（TM6）；单流波束成形（TM7）；双流波束成形（TM8）。发展历程如图1所示。

图1 下行MIMO传输模式发展历程

其中，TDD实际网络中使用最多的是TM2、TM3、TM7和TM8这4个模式。对于R8版本的LTE网络，一般配置为TM2/TM3/TM7自适应；而对于R9版本的LTE网络，一般配置为TM2/TM3/TM8自适应。信道条件较好的终端，网络配置为TM3双流复用传输，获得下行传输峰值速率。

作为LTE R9版本引入的新传输模式，TM8通过对上行信道估计进行奇异值分解获得下行预编码，采用波束成形技术传输双流。因为TM8需要更多的控制和参考信号，峰值速率会略低于TM3，但在信噪比区间中段，TM8的传输速率高于TM3。当终端移动到信道条件较差的环境中时，双流传输的流间干扰会引入较大的误块率（BLER），所以基站会把下行传输从双流降至单流，传输模式从TM3或TM8变为TM2或TM7。在有直射径、终端运动速度较慢的场景，因为波束成形增益，TM7的性能优于TM2。当终端与基站间存在较多遮挡或终端的运动速率较快、多普勒频移较大时，分集增益大于波束成形增益，TM2的性能优于TM7。

从预编码方式区分，TM2和TM3采用基于码本的方式，TM7和TM8采用基于非码本的方式。不同于TM4，这4种传输模式都不需要终端反馈预编码序号。TM2和TM3使用小区公共参考信号（CRS）进行信道测量和数据解调，但CRS不经过波束成形预编码，所以在TM7和TM8波束成形场景，CRS传输增益明显小于数据部分，不能作为终端解调数据的依据。因此，引入经过波束成形预编码的用户专用参考信号（DRS），用于TM7和TM8的数据解调。LTE阶段的终端能力等级分为5级，最高支持下行4层并行传输，LTE阶段MIMO的传输端口数最大为4。目前绝大多数基带芯片仅支持能力等级3，少数芯片支持能力等级4，所以现有LTE基带芯片的MIMO传输模式最大仅支持2端口。

2.2 LTE-Advanced下行MIMO技术增强

LTE-Advanced阶段，3GPP在下行引入了一种新型的MIMO传输模式——TM9。TM9可以采用基于非码本和码本两种预编码方式。

·基于非码本的TM9，使用与TM8相同的波束成形技术，即利用TDD系统上下行信道的互异性，通过上行信道估计得到下行预编码，无需UE反馈预编码矩阵。在下行2层和4层传输的配置下，TM9和TM8的性能完全相同。但作为LTE-Advanced新增的MIMO模式，TM9支持最大8层传输（能力等级8），峰值速率远高于TM8。

·基于码本的TM9，与TM4类似，通过测量下行参考信号，终端侧从协议规定的码本中选择预编码增益最大的码本，然后反馈给基站。TM4测量的参考信号为CRS，CRS跟天线端口相关，当天线数增加时，用于承载CRS的RE数量也要增加。

4 天线情况下，每168个资源元素（resource element，RE）（每个物理资源块（PRB）内资源元素的总数）中要有24个用作CRS。在LTE-Advanced系统中，若仍使用CRS进行信道探测，8天线的导频开销升至每个物理资源块内占用48个RE，占用资源高达28.5%，所以CRS的方式在LTE-Advanced中是不可取的，需要设计新的导频以支持更高阶的MIMO。在3GPP RANI#55次会议上，各公司分享了高阶MIMO情况下的下行参考信号设计方案，一致同意在LTE-Advanced R10版本协议中增加一种新的参考信号——信道状态指示参考信号 （CSI-RS）。类似于CRS，CSI-RS也是全带宽周期性发送，但发送密度要远远低于CRS，每个天线端口下每个PRB内只占用1个RE的资源。

不同于TM4，基于码本的TM9因为要支持8个天线端口，使用CSI-RS进行下行信道测量并计算预编码。当基站配置为2天线或4天线端口时，基于码本的TM9相比TM4并没有性能增益，并且由于TM9需要下行发送CSI-RS而占用了物理资源，TM9的下行平均吞吐量甚至可能低于TM4。当基站天线端口数增加到8根时，基于码本的TM9支持CSI-RS 8天线端口测量，可以计算并反馈比TM4更精细的8天线码本，因此基于码本的TM9的平均吞吐量优于TM4。

3 链路级仿真

3.1 仿真假设

为了更好地评估新引入的下行TM9的传输性能，根据3GPP协议规范[3～5]，搭建链路级仿真平台，评估基于码本和非码本的TM9在扩展空间信道模型（SCME）下的平均吞吐量。2013年12月4日工业和信息化部发布4G牌照，中国移动获得频段39和频段40的全部频谱资源以及频段41（190 MHz）中的60 MHz（2 575～2 635 MHz）[6]。其中，频段40因为与其他系统存在干扰，仅在室内使用；频段39的部分频谱资源已经用于3G网络，即时分双工—码分多址接入（TD-SCDMA）系统。因此室外覆盖主要使用频段41，仿真中假设系统的中心频点为频段41的2 600 MHz，系统带宽为20 MHz。

为了复用TD-SCDMA系统的8天线阵列，基站配置8根天线，在采用基于非码本的TM9时，天线端口数为2；在采用基于码本的TM9时，天线端口数为8。终端因为设备体积和成本，上行采用单天线发送。基于非码本的TM9需要利用上行8×1的信道冲激响应，根据参考文献[7]提出的方法映射为下行8×2的信道，然后对此信道进行矩阵奇异值分解，得到下行波束成形预编码矢量。仿真中假设上下行配置1，特殊子帧配置7，即上下行子帧比例为2∶2。基站下行发送数据使用自适应编码调制技术，根据当前的信道质量选择相应的调制编码方式，提升频谱效率。如果物理层传输出现错误，使用混合自动重传应答请求（HARQ）中的Chase合并（CC）方式对传输错误的数据分组进行重传和合并。终端侧采用线性最小均方误差算法估计下行信道冲激响应，并利用估计出的信道通过经典的最小均方误差（MMSE）算法检测有用信号、消除干扰并抑制噪声。

仿真场景选择参考文献[8]定义的城市宏小区场景，空间传播模型服从SCME非视距（NLoS）信道和增强国际移动通信（IMT-Advanced）技术视距（LoS）信道定义的概率分布。SCME信道一共存在6个主径，每个主径包含3个中径，20条子径按照一定顺序分布在这些中径中。IMT-Advanced LoS信道增加了直射路径，适用于与发射端和接收端之间没有遮挡的情况。两种信道模型的每条子径都建模了快速衰落，能够体现无线信号空间传播过程中的时间相干性、频率相关性和空间相关性。具体的仿真参数见表1。

表1 LTE-Advanced链路级仿真参数

3.2 仿真结果

SCME信道模型和IMT-Advanced信道模型TM9平均下行吞吐量仿真如图2和图3所示。可以看出，在低速（3 km/h）时，高信噪比区间基于非码本TM9的吞吐量明显高于基于码本TM9的吞吐量。这是因为使用波束成形技术的非码本TM9基站根据上行信道冲激响应，计算得到最适合的下行预编码向量，多天线增益高于基于码本TM9。随着运动速度的上升，两种预编码之间的差异变小，在高速（120 km/h）时，SCME NLoS信道下的两种预编码方式的吞吐量基本一致，IMT-Advanced LoS信道下基于非码本TM9的吞吐量甚至会低于基于码本TM9。

图2 SCME信道模型TM9下行平均吞吐量

图3 IMT-Advanced信道模型TM9下行平均吞吐量

高速对基于非码本TM9的性能影响较大，速度越快，多普勒效应越大，致使基站上行信道估计与下行传输之间信道冲激响应的变化越显著，所以基于非码本TM9的天线成形方向不准确，下行传输平均吞吐量明显下降。因为IMT-Advanced LoS信道发送端和接收端之间存在直射路径，两种TM9预编码方式的传输性能都高于SCME NLoS信道模型。在低信噪比区间，不同的基于码本TM9和基于非码本TM9都会降低为单流传输，采用空频块码，下行平均吞吐量趋于一致。

4 结束语

首先简要介绍了LTE-Advanced阶段相对LTE阶段的技术增强，回顾LTE下行8种MIMO模式的编码原理和适用场景，选择LTE-Advanced中的关键技术——下行MIMO增强TM9进行了详细研究。搭建了链路级仿真平台，针对TM9两种预编码方式在SCME NLoS和IMT-Advanced LoS两种信道模型下进行了仿真评估，对比分析了不同速度时的TM9下行平均吞吐量。仿真结果表明，TM9在高信噪比区间增益明显，并且因为可以重用TD-SCDMA的8端口天线和射频设备，能够更好地兼容载波聚合、CoMP等新特性，在时分双工LTE-Advanced阶段有十分重要的意义。

1 Evolution to LTE Report.GSM/3G Market/Technology Update.http://www.gsacom.com/,Nov 2012

2 http://www.lte-tdd.org/,2013

3 The 3rd Generation Partnership Project(3GPP)TS 36.211.Technical Specification Group Radio Access Network,Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation.ftp://ftp.3gpp.org/Specs/,Mar 2011

4 The 3rd Generation Partnership Project(3GPP)TS 36.212.Technical Specification Group Radio Access Network,Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Multiplexing and Channel Coding.ftp://ftp.3gpp.org/Specs/,Mar 2011

5 The 3rd Generation Partnership Project(3GPP)TS 36.213.Technical Specification Group Radio Access Network,Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedure.ftp://ftp.3gpp.org/Specs/,Mar 2011

6 GTI News.4G TD-LTE licenses officially issued by MIIT.http://www.lte-tdd.org/news/,Dec 2013

7 The 3rd Generation Partnership Project(3GPP)R1-092848.Dual Layer Beamforming Based on Partial Channel Information.http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/wg1_rl1/TSGR1_57b/Docs/,Jun 2009

8 The 3rd Generation Partnership Project(3GPP)TR 25.996.Spatial Channel Model for Multiple Input Multiple Output(MIMO)Simulations.ftp://ftp.3gpp.org/Specs/,Dec 2008