1、LTE 中单用户多天线方案分析马敏摘要：MIMO 系统作为多天线发展的飞跃，而 LTE 的突破在于其系统中选择了 MIMO 设计。在文中介绍了单用户多天线理论在 LTE 中的应用及关键要素，并对 LTE 中所采用的实际方法进行描述，并分析选择的原因。关键词：LTE ；发射分集；波束成形；空分复用1 引言多天线作为增强通信系统传输性能的技术，在无线通信方面早期已经得到验证。随着信号与信息论的发展，多天线潜力在近二十年得到了科学的飞跃，其中 20 世纪 90 年代中期提出的多输入多输出（MIMO）系统成为多天线发展过程中的里程碑。MIMO 技术首次在蜂窝移动网络标准，即 HSDPA R7 版本中应
2、用；随后 LTE 的发展取得了新突破，体现在其作为第一个从一开始就将 MIMO 设计作为一个重要部分的全球移动蜂窝系统上。根据现有的发射机、接收机上的天线技术，可分为 SIMO、MISO 或 MIMO。在具有带多天线基站与但单天线 UE 间通信的情况下，上行链路和下行链路被分别称为 SIMO 和MISO。基站与一个 UE 间的点对点天线链路称为 SUMIMO（Single-User MIMO，单用户 MIMO） ，模型如图 1 所示。下面将论述 LTE SU-MIMO 所采用的解决方案。图 1 单小区 SUMIMO2 发射分集方案在 LTE 中发射分集只为 2 根和 4 根发射天线以及一个数据
3、流。每个数据流使用一个传输块 CRC，LTE 中的一个数据流为一个码字。SFBC （Space-Frequency Block Codes，空频分组码）发射分集技术和 FSTD（Frequency Switch Transmit Diversity，频率切换发送分集）可使用在 LTE 中 PBCH 和 PDCCH 上。2.1 空频分组码（SFBC）在 LTE 的物理信道为使用 2 根 eNode B 天线的发射分集操作而配置时，可使用SFBC。由于 LTE 子帧中现有的 OFDM 符号通常是奇数，在使用 STBC 时需调整 OFDM中的多个子载波以适应 SFBC 应用。LTE 中 SFBC 的
4、传输，每对相邻子载波上来自 2 个 eNode B 天线端口的发送符号可以定义为(0)(0)12*112sy（1）其中 表示第 i 个子载波上来自天线端口 m 上发射的符号。()myi由于天线配置超过 2*2 阶时不存在正交码，当 LTE 中在 4 根天线情况下使用 SFBC 时，通过将 SFBC 与 FSTD 结合来实现。2.2 频率切换发送分集（FSTD）FSTD 方案发送符号来自不同子载波子集上的每根天线。在 LTE 中 FSTD 只与 SFBC在 4 根天线情况下结合使用，为在没有正交码率为 1 的分组码存在情况下，提供合适的额分集方案。LTE 干干实际上是 2 个 2*2 SFBC
5、方案的结合映射到独立的子载波上，即（2）(0)(0)(0)(0)12111134*(2)(2)(2)(2) *333304syy s 在此方案中由于在第 3 个和第 4 个天线端口上 RS 密度是第 1 个和第 2 个天线端口上RS 密度的一半，因此信道估计的准确度可能在第 3 个和第 4 个天线端口上较低。所以这种放松分集方案的设计避免在其中一个 SFBC 码上集中估计所示，可略微提高编码增益。3 波束成形方案在 LTE 中，对支持 PDSCH 波束成形有两种传输模式：闭环秩为 1 预编码和 UE 专用RS。前者相当与波束成形，也可看作为 SU-MIMO 空分复用的特例；后者是通过将 eNo
6、de B 功率集中在 UE 位置的方向上来扩展小区覆盖的一种主要机制。其特性为：（1）可通过应用空间像个很近的天线单元实现传输方向性。对来自不同天线单元的信号进行适当调整，使得它们在 UE 位置有效叠加。（2）eNode B 负责确保波束指向正确，因为 UE 没有明确的表示对波束方向/选择的倾向性。（3）除了使用 UE 专用 RS 作为相位参考，UE 实际上没有意识到它正在接受方向性传输，而不是全小区范围传输。对 UE 而言，天线端口的翔空阵列“似乎”只有一根天线。基于 UE 专用 RS 使用波束成形的负作用是 UE 经历的信道质量通常不同于小区专用RS 的信道质量。对应用波束成形传输模式，由
7、于在特殊 RB 中才能提供 UE 专用RS，eNode B 不能依赖 UE 从 UE 专用 RS 中得到 CQI（信道质量指示） ，因此 LTE 中具体规定对配置 UE 专用 RS 的 UE 使用小区专用 RS 来得到 CQI 反馈（假设存在多于一个公共天线端口的发送分集） 。由于在 LTE 中采用波束成形时，仅应用于 PDSCH，不能应用于控制信道。通常PDSCH 的范围可由波束成形来扩展，但小区总范围仍受到控制信道的限制，控制信道的误码率可能降低。波束成形对相邻小区的影响，如波束成形是间断的，它会产生“闪电效果”的问题，其强烈的间断干扰可以破坏相邻小区内 UE 的 CQI 上报准确性。这种
8、效果可能会减小HSDPA 吞吐量， LTE 中 OFDMA 可能的频域调度为避免这个问题提供了灵活性。4 空分复用方案SU-MIMO 空分复用方案既可以使用单个码字来映射到所有可用的层上，也可以使用多个码字，每个码字被映射到一个或多个不同的层。只使用一个码字的优点是其所需控制信令量少，CQI 上报也少；将每个独立码字映射到每一层的优点则是通过使用来女婿干扰抵消（SIC）获得最大增益是可能的。由于 MMSE 接收机对两种发射结构都可行，因此对LTE 而言，折中的办法是最多使用两个码字，甚至即使有 4 层发送。4.1 预编码开环空间复用和闭环空间复用的 PDSCH 传输模式，使用定义的 “码本”进
9、行预编码以形成传输层。每个码本有一组预定义的预编码矩阵，每组大小是在码本中指示特定矩阵所需要的信令比特数和产生发送波束指向适宜性间的折中。在闭环空间复用下，UE 从预定义的码本中得到的最大期望值反馈给 eNode B。期望的预编码器是一个矩阵，可以根据接收机能力使容量最大化。在没有干扰的但小区环境下，UE 通常只是可以带来最有效的 SNR 传输的预编码器，该 SNR 与其估计信道矩阵的最大奇异值相符。LTE 中两个天线码本由一个 阶单位阵和两个 DFT 矩阵构成，即2（3）101,j矩阵的列对应于层。LTE 中 4 天线发送码本使用一个 Householder 生成函数，即（4）2/HHwIu
10、从输入向量 中生成统一矩阵，其在参考文献3中已定义。使用预编码器来生成该等u式的优点是它通过减小矩阵求逆来简化 CQI 的计算（为了确定期望的预编码器，需要对每个独立的预编码器执行 CQI 计算） 。这种结构也减小了所需的控制信令，因为 最有秩为Hw1 的版本总是 的第一列。因此 UE 只需要指示期望的预编码矩阵，不需指示秩为 1 传输Hw情况下的最优向量。4.2 循环延迟分集在开环空间复用的情况下，UE 反馈仅仅指示信道秩，不是期望的预编码矩阵。在此模式下，若使用于 PDSCH 传输的秩大于 1（发送多于一层） ，LTE 可使用循环延时分集（CDD） 。CDD 包括从多发射天线发送同一组 O
11、FDM 子载波上的同一组 OFDM 符号，每个天线具有不同的延时，延时应用在添加循环前缀（CP）之前，因此保证了延迟是以傅里叶长度循环的。其一般原理如图 2 所示。延时加 C P 并发送加 C P 并发送.O F D M子载波子载波 1子载波 2子载波 k.图 2 循环延时分集原理例如两个发射天线端口的情况下，第 k 个子载波上的接收信号 ky（4）12jkkkyhxe其中 是第 i 根发射天线上的信道，由于延迟操作， 是第 k 个子载波上个的相位偏移。ikh jke，其中 N 是 FFT 大小， 是采样延迟。2/cdcd在 LTE 中，对于 2、3 和 4 层传输 值的大小分别为 、2 /3
12、 和 /2。应用 CDD 时，eNode B 发射机将 CDD 延迟相位偏移与使用固定的基于 DFT 的酉编码矩阵先后结合。5 结论理论 MIMO 增益和实际所能达到的性能间的一个主要差异在于接收机是否能够准确的估计信道系数。在发射波束成形和 MIMO 基于 SVD 预编码的情况下，发射机通常不得不通过有限个反馈链路从接收机上得到信道信息。为了支持 MIMO 操作，除了 CQI 报告，还可配置 UE 来上报预编码矩阵指示（ PMI）和秩指示（RI） 。所有 3 类反馈CQI、PMI和 RI，是 LTE 下行链路所用 SU-MIMO 传输技术以满足实际应用的基本组成。参考文献1 Stefania
13、 Sesia, Issam Toufik, Matthew Baker Writing，Mani etc Translation. LTE- UMTS Long Term EvolutionFrom Theory to Practice M. Beijing，People Post Press，20092G. Caire, S.Shamai. On the Achievable Though put of a Multi-antenna Gaussian Broadcast Channe lJ. IEEE Trans. On Information Theory, Vol.49, pp.169
14、1-1706, 2003(7).33GPP Technical Specification 36.211.E-UTRA physical channels and modulation (Release 8).www.3gpp.org4M. Realp, A.I.P., R. Knopp. Delay Bounds for Resourse Allocation in Wideband Wireless SystemsJ. In IEEE International Conference on Communication, Istanbul, 2006(6).马 敏 ， 女 ， 安 徽 滁 州 人 ， 硕 士 ， 南 京 信 息 职 业 技 术 学 院 助 教 ， 主 要 从 事 现 代 通 信 系 统 与通 信 信 号 处 理 研 究 。联 系 方 式 ： 南 京 市 文 澜 路 99 号 南 京 信 息 职 业 技 术 学 院 通 信 学 院210046、 Email:、 联 系 电 话 :13770736343
