LTE－A下行单用户MIMO增强技术研究*

林凌峰，蔡振浩，2，赵 昆

(1.上海贝尔股份有限公司，上海201206;2.上海交通大学电子工程系，上海200240)

0 引言

随着无线通信技术的飞速发展以及各种通信商用业务对通信速率、系统容量需求的急速膨胀，这种市场需求牵引，技术发展驱动的典型模式强有力的推动了各标准化组织以及设备生产商对无线通信标准的持续演进与商业产品的研发生产。

LTE－A是基于LTE基础之上进一步的演进。截止3GPP Release 12协议中定义了10种下行MIMO传输模式。LTE－A系统可以选择不同的传输模式来增加MIMO的空间复用、发送分集和波束成形增益。但是由于实际信道的复杂、快变带来了诸如频率选择特性以及快衰落等特性，严重影响了UE侧的信号接收质量。因此，实际中eNodeB如何根据CSI信息选择合适的预编码矩阵以提高传输质量是学者们广泛关注的重点和难点。

CSI的准确性会对波束成形性能产生影响，针对非码本预编码技术的研究工作，由于发送机和接收机的信道状态信息存在时延，会影响波束成形性能，文献［1］推导了接收机误比特率的闭合表达式，并通过数值仿真验证了性能分析的结论。学者在此基础上进一步针对波束成形增益指标，定量分析了当信道互异性不理想时，波束成形性能受到的影响，并提出了两点改进波束成形性能的建议［2］。而针对码本的预编码设计中，文献［3］较为全面的归纳了Release12中最新的针对双码本结构4TX的演进策略以及对MU－CSI方面的发展。

不难看出，衰落信道对用户通信质量恶劣影响的问题是eNodeB物理层开发的一个关键难点问题，如何根据协议充分利用CSI、CQI信息提高通信质量是值得做深入研究。文中的目的正是期望通过研究单用户MIMO技术特点以及演进趋势，分析技术特点和有效促进未来商用产品性能的提升。文中分析了LTE－A中非码本和码本技术演进的新特点，着重研究了LTE－A中新的双码本结构，在对信道属性匹配、码本搜索运算复杂度和UE上报载荷方面的改进。文中通过计算机链路级仿真比较了LTE－A中基于码本以及非码本预编码技术的吞吐量性能，仿真结果表明码本技术在终端移动速度较低时较非码本技术具有一定优势。文中基于该结论，分别针对不同预编码技术提出了相应的改进思路能够有效应用于指导实际产品设计。

1 数学模型以及技术分析

假设一个下行MIMO系统，eNodeB侧天线数为M根，UE有N根天线，则UE方的基带接收信号表达式为:

式中，r是N×1的接收信号;HDL是N×M的下行信道矩阵;W是M×K的预编码矩阵，K是预编码矩阵支持的层数;s是eNodeB的发送数据;n是N×1的接收噪声矢量。

预编码矢量W的生成主要有两种方式，一种是基于非码本的W设计方法，即根据上下行信道互易性原理认为HDL=HUL，eNodeB采用对信道信息矩阵进行奇异值分解的方法根据上行CSI信息计算得到W［4］。还有一种是基于码本的W选择方法，3GPP协议中分析了基于DFT和Householder变换的码本设计思想，UE侧根据估计的信道状态信息，采用吞吐量、BLER最大化等作为筛选策略从已知的预编码矩阵码本中选择合适的码本信息上报eNodeB综合利用［5］。

为了满足高数据率和高系统容量方面的需求，LTE系统物理层中采用了MIMO多天线技术，其中包括空间复用、波束赋型以及发射分集技术。当空间信道的具有弱相关性时，特别是接收信噪比较低的小区边缘用户，可以通过采用TM2、3等发射分集，结合时间/频率上的选择性，基于分集增益提高信号传输的可靠性。当空间信道呈现较强相关性时，在LTE系统中通常考虑采用波束赋型技术，利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使得辐射方向图的主瓣自适应的指向用户来波方向获得波速赋型增益，从而提高信噪比，提升eNodeB信号覆盖范围。

随着eNodeB和UE天线数目增加，工程师们在预编码设计的出发点主要是基于空间复用技术，通过多流之间的合作在获得赋型增益的同时进一步提升系统容量。如图1所示，eNodeB根据UE上行的Sounding参考信号估计CSI信息选择合适预编码矢量获取赋型增益，并根据UE上报的CQI信息合理选择MCS，通过AMC技术改善链路质量。TM7/8中分别支持单用户单、双流的波速赋型技术，在LTE－A中协议新增加的TM9，10最多可支持单用户8流或是每个用户最多4个流的MU－MIMO传输。而在非码本预编码技术中，如图2所示，UE通过CSI－RS信号计算 PMI、CQI信息上报 eNodeB。eNodeB侧则可以根据UE上报的CQI、PMI、RI等信息综合考虑选择合适的码本进行传输。可以认为这种做法更多是考虑到目前UE侧的运算能力有限，因此给予eNodeB侧在预编码矩阵选择上给予更多的自由度，以确保性能。LTE－A中为了增强CSI的估计能力也对参考信号做了进一步完善，如图3所示，其中R0是CRS，①是 PORT 7＆8的UE指定参考信号，②、③、④、⑤是 port 15 ～22 CSI－RS。

图1 基于非码本预编码技术的部分控制信息交互示意Fig.1 Uplink ＆ downlink control information based on non－codebook mode

图2 基于码本预编码技术的部分控制信息交互示意Fig.2 Uplink ＆ downlink control information based on codebook mode

图3 CSI－RS参考信号示意Fig.3 CSI－ RS reference signals

LTE－A中基于码本的预编码矩阵设计也得到增强，与LTE相比其支持8port的码本，可以认为这种增强不仅体现在所支持天线数目的增加，亦体现在码本设计思想的前进。针对双极化天线阵列以及同向极化天线阵列协议中提出了如式(2)所示的双矩阵乘积预编码矩阵设计形式:

通常认为W1代表信道的方向特性，这种特性是经过长时间/宽频段统计得到的CSI信息。W2体现相对短时/频率选择特性的CSI信息。以图4双极化天线阵列为例，通常认为同一极化方向内的四根天线具有较强的相关特性，而不同组间可以认为相关性较弱或是相互独立。W1采用块对角化结构主要是考虑到可以采用W1表征各组内同向天线阵列的空间相关特性，而W2则体现两组天线阵列间的相位相关特性。

图4 交叉极化天线结构Fig.4 Cross polarization antenna

不同rank下W1，W2的配对数情况如表 1所示。采用这种双码本结构可以获得的好处主要有:①充分区分空间信道的宽频段以及各子带的信道属性;可以认为W1是采用较粗的时频颗粒度计算得到的较稳定的信道指向属性，而W2则能够提供更精确实时的信道特性;②提高PMI选择效率;这种双码本结构能够有效降低码本搜索的复杂度，可以在确定W1的基础上经过二次匹配选择W2，能够有效提高运算效率;③支持rank自适应的PMI选择策略;W1可以选择小于rank码本，进而搜索最优W1，W2的配对组合;④更易用支持多用户MIMO;通过W1的选择区分不同的UE，而通过W1，W2的配对组合具体服务不同的UE。

在LTE－A协议中W1采用如式(3)、式(4)的DFT基结构，能在满足正交性基础上，较好的区分空间信道的指向属性，极好的匹配双码本设计宗旨。

表1 不同rank下~W1，W2的配对数目情况Table 1 Number of~W1，W2for each layer numbers

在式(5)、式(6)中，分别以秩为1和2为例给出了W2矩阵的设计结果。

Rank1:

Rank2:

容易看出，在LTE－A系统中，无论是非码本还是码本技术都得到了改进。非码本的增强体现在上行sounding RS和下行支持的层数，而码本技术则侧重改进了CQI和PMI的准确性。

2 仿真及结果分析

根据LTE－A标准中规定的PDSCH信号发送和接收流程，信道模型采用3GPP SCM Urban Macro模型，8发2收的情况下分别对3 km/h、30 km/h、120 km/h对TM9的吞吐量进行仿真分析和比较。表2中给出的是仿真条件以及参数设置。

表2 仿真条件及参数设置Table 2 Simulation condition and reference setting

仿真中，非码本方法权重的产生采用文献［4］所述，在基站侧对CSI矩阵HDL进行SVD分解后获得的右奇异矩阵作为预编码矩阵。而基于码本的权重选择策略则是在UE侧获得理想CSI估计值基础上以接收SINR最大化为目标函数，由表1中遍历搜索获得相应的~W1，W2。

由图5所示的仿真结果可以看出在低移动速度3 km/h时，随着信噪比的提高，基于码本的预编码方法较非码本的方法约有1 dB的吞吐量性能提高。而在终端处于较高移动速度的场合，码本与非码本与编码方法的性能基本接近，随着信噪比的提升，吞吐量性能改善不明显。

图5 TM9码本与非码本仿真吞吐量比较Fig.5 TM9 through based on codebook and non － codebook

对于该仿真结果，我们分析由于LTE－A中在CSI信息估计中，码本采用8port CSI－RS估计信道信息，而非码本可以采用2port sounding RS信号估计信道信息，因此，可以认为二者在CSI信息获取上可以获得相近的性能。但是影响链路性能的除了权重本身的准确还有CQI，也就是基于码本DL CSIRS的CQI计算会包含PMI的因素，而非码本预编码中采用的基于互易性的CQI没有考虑非码本权重。这使得在图1、图2的控制信息交互示意图中，非码本方法由于CQI信息更准确，其链路自适应中选择的MCS能获得更大的吞吐量增益。而在移动速度较高、信道质量恶化时，eNodeB只能选择越来越低 MCS，最终使得二者在 AMC上的增益趋于一致。

在工程研究中也发现一些重要问题，由于空间物理信道总是复杂多变的，不可避免的需要根据信道统计信息进行预编码矩阵的设计。根据信道的相关带宽以及时间相关性选择合理的频谱宽度或是时间长度来统计信道状态特性是影响系统增益以及运算复杂度的重要因素，这一点是后继研究的工作重点。

3 结语

笔者长期从事无线通信产品的研发工作，文中针对LTE－A系统中基于码本以及非码本的预编码方法，研究了下行单用户MIMO的增益特点以及演进趋势，深入比较了LTE－A中新的双码本结构，在对信道属性匹配、码本搜索运算复杂度和UE上报载荷方面的改进。文中通过计算机链路级仿真定量评估了SCME信道下码本和非码本的吞吐量能力，该结果可以作为业界分析4G产品性能提供参考。文中最后也指出了信道空间统计信息的计算策略是影响增益和运算复杂度的一种重要因素，值得深入研究，这个工作将在后继研究工作重点开展。

［1］赵昆，李亚麟，胡波，等.TDD MISO系统中波束成形的性能分析［J］.通信技术，2009，42(08):204－208.ZHAO Kun，LI Y L，HU B，et al.Performance Analysis on Beamforming in TDD MISO Systems［J］.Communication Engineering，2009，42(08):204 －208.

［2］赵昆，蒋智宁.不理想的信道互易性对波束成形技术的影响［J］.电讯技术，2013，35(01):60－62.ZHAO Kun，JIANG Z.N.，Impact of Non－ideal Channel Reciprocity on Beam Forming［J］.Telecommunication Engineering，2013，35(01):60 －62.

［3］ZHANG Min.RP －131252，Further Downlink MIMO Enhancement for LTE －Advanced［R］.Porto Portugal:Alcatel－ Lucent，September 2013.

［4］PAPADIASC H H，VENKATESAN S，MIMO Communication for Cellular Networks［M］.USA:Springer New York Press，2011:122 －160.

［5］LINY H，CHEN Y H，CHU C Y，et al，Dual－Mode Low －Complexity Codebook Searching Algorithm and VLSI Architecture for LTE/LTE －Advanced Systems［J］.IEEE Transaction on Signal Processing，2013，61(14):3545 －3562.