基于rank自适应的3D MIMO有限反馈传输方案

2015-06-05 15:31康绍莉
系统工程与电子技术 2015年11期
关键词:维和信道基站

胡 正,康绍莉,苏 昕

(1.北京航空航天大学电子信息工程学院,北京100191;

2.电信科学技术研究院无线移动通信国家重点实验室,北京100191)

基于rank自适应的3D MIMO有限反馈传输方案

胡 正1,康绍莉2,苏 昕2

(1.北京航空航天大学电子信息工程学院,北京100191;

2.电信科学技术研究院无线移动通信国家重点实验室,北京100191)

大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)技术能够提高频谱效率和能量效率,被认为是下一代无线通信的关键技术。随着有源天线技术的发展,基站配置二维天线阵列可在三维(threedimensional,3D)空间控制波束,这使得3D MIMO技术成为一个新的研究热点。在单用户MIMO下,本文提出了两种基于秩(rank)自适应的3D MIMO有限反馈方案。方案I在水平维采用rank自适应,垂直维支持rank 1传输;方案II在垂直维采用rank自适应,水平维支持rank 1传输。在三维城市宏小区和三维城市微小区场景下,采用系统级仿真验证了两种方案的性能。相较于水平维和垂直维都仅支持rank 1的传输方案,两种方案都取得了性能增益,同时方案I优于方案II。

三维多输入多输出;秩自适应;有限反馈;三维城市宏小区;三维城市微小区

0 引 言

多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)技术是长期演进(long term evolution,LTE)和LTE-Advanced中的一项关键技术。2010年,贝尔实验室科学家Marzetta M L提出了大规模MIMO技术[1]。大规模天线技术可以节省发射功率,提高频谱效率,因此成为一个新的研究领域而受到人们的普遍关注[2]。

实际应用中,由于基站物理空间的限制,二维(twodimensional,2D)天线阵列结构引起了人们的广泛关注。它可以在水平维和垂直维提供通信的自由度(degree of freedom,DOF)[3]。随着有源天线的应用,2D天线阵列可以在水平维度和垂直维度控制波束方向,从而提高小区吞吐量,使得3D MIMO技术成为工业界和学术界的一个研究热点[4]。

传统的2D MIMO只能区分具有不同方位角的用户,但是不能区分方位角相同而下倾角不同的用户[5]。相较于2D MIMO,3D MIMO增加了一个可以利用的维度,即垂直维度,能够自适应地调整小区的垂直维波束方向,增加波束覆盖范围,并减少小区用户之间的干扰。3D MIMO可以实现水平维和垂直维的动态赋形,也可以在水平维和竖直维上实现小区分裂,增加用户数量,从而提高系统的吞吐量[67]。

事实上,天线阵列发出的信号在传播过程中经历了3D信道。传统的2D信道模型假设信号在水平维传播,没有考虑信号在垂直维的分布情况。为了与实际信道相符,信道建模必须考虑垂直维的影响。目前,第三代合作伙伴计划(3rd generation partnership project,3GPP)已经开展了对3D MIMO的研究和评估工作[8]。3GPP定义了三维城市宏小区(3D-urban macro,3D UMa)和三维城市微小区(3D-urban micro,3D-UMi)场景并且对两种场景下的3D信道模型进行了校准[9]。

MIMO系统中,基站通过预编码预先消除数据流之间的干扰,提高系统性能。因此,信道状态信息(channel state information,CSI)的获取对于基站至关重要。时分双工(time division duplexing,TDD)系统中,可以通过信道互易性获取CSI。频分双工(frequency division duplexing,FDD)系统中,基站通过用户的有限反馈来获取CSI。实际部署中,FDD系统大量存在,尤其是当天线数目增加时,反馈开销自然增加[10]。因此,研究基于3D MIMO的有限反馈方案具有现实的意义。

本文基于3GPP校准的3D信道模型[9],在3D-UMa和3D-UMi场景下,针对3D MIMO的特点,提出了两种基于秩(rank)自适应的有限反馈方案:方案I在水平维采用rank自适应进行传输,垂直维支持rank 1传输;方法II在垂直维采用rank自适应进行传输,水平维支持rank 1传输。为了保持兼容性,在垂直维和水平维上采用现有的LTE-Advanced码本。与单流传输方案相比,两种方案提高了频谱效率。

1 系统模型

1.1 天线模型

本文的天线模型参照3GPP天线模型,式(1)和式(2)分别表示天线阵元在水平维和垂直维的方向图[9]:

式中,φ是用户的水平方位角;θ是用户的仰角;Am是天线最大衰减;SLAv是旁瓣衰减;φ3dB和θ3dB是水平维和垂直维的3 dB波束宽度。

3D天线阵元的方向图为

1.2 天线模型

2D天线阵列接收和发送的信号在空间中经历3D信道。传统的2D信道模型如空间信道模型(spatial channel model,SCM)没有考虑信号在垂直维的传播。本文使用了经过3GPP校准的3D信道模型[9]。信道建模过程大体包括仿真场景的选择,用户参数的确定和信道系数的生成。其中信道系数包括大尺度信道系数和小尺度信道系数。

大尺度信道系数包括3D距离的定义,直射(line-ofsight,LOS)概率的定义,以及路损的计算等,具体内容可以参考文献[9]。

3D信道的小尺度信道系数包含N个簇,每个簇包含M个子径。图1中,定义了3D MIMO的坐标系统。θZOD/ZOA即垂直发射角/垂直到达角(zenith of departure/arrival,ZOD/ZOA)表示Z轴正方向与多径方向的夹角。φAOD/AOA即水平发射角/水平到达角(azimuth of departure/arrival,AOD/AOA)为水平角度。为单位向量,定义θZOD/ZOA=0°时指向z轴顶点;θZOD/ZOA=90°时,位于水平面上。式(4)表示在非直射(non-line-of-sight,NLOS)径的条件下,发送天线s到接收天线u的第n个簇对应的信道系数。式(5)表示存在LOS径的情况下的信道系数。

图1 3D MIMO坐标系统

对于NLOS径(不存在LOS径)的条件下

存在LOS径的条件下

2 基于rank自适应的反馈方案

文献[11]中,基于3D MIMO信道相关矩阵可以分解为水平维与垂直维相关矩阵Kronecker积的理论,提出了一种在水平维和垂直维分别反馈的方案,从而可以避免采用统一的3D码本反馈时,因发射天线数目增加,导致码本过大的问题。本文基于水平维和垂直维分别反馈的方法,提出了两种基于rank自适应的3D MIMO有限反馈方案。使用文献[9]中提出的3D信道,本文方案I在水平维实施rank自适应,垂直维支持rank 1,方案II在垂直维实施rank自适应,水平维支持rank 1。为了便于描述,本文提出的方案支持的最高rank是2。

3D MIMO有限反馈如图2表示,假设用户k的天线数是Nr。归属基站j配置2D天线阵列,天线布局如图1所示。水平方向的天线数目是Nh,竖直方向的天线数目是Nv,天线总数目是N=Nh×Nv。

图2 3D MIMO有限反馈示意图

假设用户k根据下行导频可以获取理想信道。用户k和归属基站j之间的下行信道矩阵为

用户k和归属基站j的信道矩阵也可以写为

有限反馈方案I的步骤具体如下:

步骤1确定垂直维支持rank 1的预编码向量

式中,根据Wk计算相应的信干噪比(signal to interference and noise ratio,SINR),确定对应的调制编码方式(modulation and coding scheme,MCS)等级,再映射出对应的传输块大小(transport block size,TBS)[12],设为Tb1。如果SINR比最小MCS等级对应的信噪比还要小,则令Tb1=0,确定该用户的秩指示(rank indication,RI)RI=1,计算停止,不必运行步骤4与步骤5;否则,接着运行至步骤4和步骤5。

根据Wk计算相应的SINR,确定相应的MCS等级,再映射出对应的TBS,设为Tb2。

步骤5如果Tb2>Tb1×ratio,则RI=2,否则RI=1,ratio为大于1的比例因子。

有限反馈方案II的步骤具体如下:

步骤1确定水平维支持rank 1的预编码向量

根据Wk计算相应的SINR,确定相应的MCS等级,再映射出对应的TBS,设为Tb2。

步骤5如果Tb2>Tb1×ratio,则RI=2,否则RI=1。

用户采用方案I或方案II确定RI后,向基站反馈RI以及与之对应的水平维预编码向量(矩阵)和垂直维预编码向量(矩阵)。基站端采用Kronecker积(式(11),式(12)或式(16))合成用户k的预编码向量(矩阵)。

3 用户接收信号

本文考虑单用户MIMO(single-user MIMO,SU-MIMO)系统,下行链路中,用户k接收到的信号为

4 仿真评估

本文采用系统级仿真对反馈方案进行验证。在仿真中,小区布局采用wrap-round技术。下行传输多小区布局如图3所示,共有19个站址,每一个站址又分为3个小区,即一共有57个小区。每小区内用户数为10。基站配置2D单极化天线阵列,水平方向天线数目Nh=8,竖直方向天线数目Nv=8,即基站端天线的个数N=64。用户端的天线数Nr=2。水平维码本CH和垂直维码本CV都采用LTEAdvanced中的8发射天线码本[12]。

图3 多小区网络结构

4.1 仿真结果

3D-UMa和3D-UMi场景下3D信道的大尺度和小尺度信道系数的生成参考文献[9]。表1列举了系统级仿真的参数配置。

表1 3D-MIMO系统级仿真参数配置

仿真中使用了文献[9]提出的3D信道及二维天线阵列模型。本节中的基准方案采用了文献[11]中的方法,分别根据式(8)~式(10)计算垂直维和水平维的预编码向量,通过式(11)合成用户的最终预编码向量。其中,基准方案在水平维与垂直维均支持rank 1。

图4和图5是3D-UMa和3D-UMi场景下小区边缘用户频谱效率和小区平均频谱效率的仿真结果。从图4和图5中可以看出,两种rank自适应方案的小区平均频谱效率性能都优于基准方案,小区边缘用户频谱效率相差不大。同时,也可以看出,方案I性能优于方案II的性能,即在水平维实施rank自适应的方案性能优于在垂直维实施rank自适应的方案性能。

图4 方案I和方案II在两种场景下的小区边缘用户频谱效率

4.2 性能分析

相较于基准方案,方案I在水平维支持rank自适应,垂直维支持rank 1,方案II在垂直维支持rank自适应,水平维支持rank 1,而基准方案在水平维和垂直维都仅支持rank 1。由于本文提出的支持rank自适应的3D-MIMO传输方案能够使发送的数据流数更好地匹配3D-MIMO信道的传输能力,因此方案I和方案II的性能优于基准方案。本节通过信道参数的统计分布来分析方案I优于方案II的原因。

图5 方案I和方案II在两种场景下的小区平均频谱效率

在3D-UMa和3D-UMi场景下,统计基站和用户之间下行信道的水平发射角的角度扩展(azimuth spread of departure angle,ASD)和垂直发射角的角度扩展(zenith spread of departure angle,ZSD)的分布。图6表示两种场景下3D信道ASD和ZSD的累计分布函数(cumulative distribution function,CDF)曲线。

图6 两种场景下的3D信道角度扩展分布统计

统计3D信道水平维和垂直维的相关矩阵的条件数,即信道发送相关矩阵最大特征值与最小特征值之比。基站端设置如下两种天线配置生成3D信道。

情况1水平放置均匀线性阵列(uniform linear array,ULA)。天线数目Nh=8,Nv=1,用户天线数目Nr=2,天线间隔为0.5λ,λ表示载波波长。

情况2竖直放置ULA。天线数目Nh=1,Nv=8,用户天线数目Nr=2,天线间隔为0.5λ。

图7表示两种配置下信道相关矩阵的条件数的CDF曲线。

图7 两种场景下的信道相关矩阵的条件数分布统计

从统计结果可以看出,两种场景下水平维的角度扩展明显大于垂直维的角度扩展。水平ULA产生的信道相对于竖直ULA产生的信道的相关矩阵条件数小。

信道的角度扩展越大,其相关矩阵的条件数越小,信道就更容易支持高rank;反之,角度扩展越小,条件数越大,信道对高rank的支持越差。角度扩展和条件数统计结果表明,信道的水平维比垂直维更容易支持高rank传输。因此,信道参数的统计结果可以说明方案I的性能好于方案II的性能。

5 结 论

本文针对3D-MIMO的特点,在SU-MIMO系统下,基站端配置2D天线阵列,提出了两种基于rank自适应有限反馈方案,并在3D-UMa和3D-UMi场景下,通过系统级仿真验证了两种传输方案的性能。两种方案都取得了性能增益。在水平维实施rank自适应优于在垂直维实施rank自适应。通过对信道参数(如角度扩展、条件数)的统计,说明了水平维更加容易支持高rank,从而说明方案I的性能比方案II的性能更好。

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康绍莉(197-4- ),女,正高级工程师,博士,主要研究方向为4G及后4G移动通信系统设计。

E-mail:kangshaoli@catt.cn

苏 昕(197-9-),男,高级工程师,博士,主要研究方向为MIMO。

E-mail:suxin@catt.cn

Limited feedback schemes based rank adaptation for 3D MIMO

HU Zheng1,KANG Shao-li2,SU Xin2
(1.School of Electronic and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China;2.State Key Laboratory of Wireless Mobile Communications,China Academy of Telecommunications Technology,Beijing 100191,China)

Massive multiple-input multiple-output(MIMO)is a potential technology to improve spectrum efficiency and energy efficiency,and deemed to be a key technology for the next generation of wireless communication.As the active antenna system(AAS)technology develops,the base station equipped with two-dimensional(2D)antenna array can control the beams in the three-dimensional(3D)space,which makes 3D MIMO become a research hotspot.In the downlink single-user MIMO(SU-MIMO)system,two limited feedback schemes based on rank adaptation for 3D MIMO are proposed.Scheme Iadopts rank adaptation in the horizontal domain and supports rank 1 in the vertical domain.On the contrary,scheme II adopts rank adaptation in the vertical domain and supports rank 1 in the horizontal domain.System-level simulations are conducted to test the performance of the two schemes under the 3D-urban macro(3D-UMa)and 3D-urban micro(3D-UMi)scenarios.Simulation results reveal that,compared with the scheme which only supports rank 1 in both horizontal and vertical domains,the two schemes achieve performance gain.Also,scheme I outperforms scheme II.

three-dimensional(3D)multiple-input multiple-output(MIMO);rank adaptation;limited feedback;3D-urban macro(3D-UMa);3D-urban micro(3D-UMi)

TN 911

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2015.11.29

胡 正(1987-),男,博士研究生,主要研究方向为3D MIMO。

E-mail:huzheng2008168@sina.com

1001-506X(2015)11-2611-06

2014- 12- 30;

2015- 03- 19;网络优先出版日期:2015- 05- 06。

网络优先出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20150506.1148.001.html

国家高技术研究发展计划(863计划)(2014AA01A705)资助课题

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