LTE-Advanced下行鏈路多天線(xiàn)設計

0 前言

下行鏈路MIMO無(wú)疑是LTE R8中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)構件。已經(jīng)規定了用于提供超過(guò)300Mbit/s峰值數據速率的1、2和4個(gè)eNodeB天線(xiàn)端口的傳輸模式。在LTE-Advanced[1-3]中，下一步自然是繼續進(jìn)行雄心勃勃的目標設定，以確保其作為領(lǐng)先無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)的地位。為了保證這一點(diǎn)，LTE-Advanced支持下行鏈路采用多達8個(gè)發(fā)射天線(xiàn)端口進(jìn)行數據傳輸。對應于20MHz載波上的600Mbit/s，如果采用8×8天線(xiàn)配置和多達8層的空間復用，則峰值頻譜效率可提高到30(bit/s)/Hz。除了增加發(fā)射天線(xiàn)數量之外，3GPP R10強調改善多用戶(hù)MIMO(MU-MIMO)操作性能。多用戶(hù)MIMO是指并行流向空間上獨立的不同UE傳輸，而在單用戶(hù)MIMO(SU-MIMO)中，并行流僅傳輸給單個(gè)UE。

1 下行鏈路中的參考符號結構

在LTE R8和R9中，MIMO操作主要基于與蜂窩有關(guān)的通用參考符號(CRS)。在天線(xiàn)端口和規模之間，參考符號模式是正交的，這取決于發(fā)射天線(xiàn)端口的配置數量。信道狀態(tài)信息(CSI)測量以及數據解調通常采用CRS來(lái)執行。TDD波束形成傳輸模式7是例外，在這種情形中，與UE有關(guān)的參考符號(URS)用于解調。LTE-Advanced中的簡(jiǎn)單解決方案已經(jīng)為采用8根發(fā)射(TX)天線(xiàn)的情形定義了另一種與蜂窩有關(guān)的RS，它暗示著(zhù)CSI測量和解調都可以使用CRS。但是，使用R8終端的后向兼容性會(huì )生成一個(gè)問(wèn)題，即不知道新RS的存在情況。在這些情況下，由于數據和新RSS之間的持續碰撞，會(huì )導致傳統終端性能不可避免地變差。8-TX CRS的另一個(gè)缺點(diǎn)是當給定大多數終端通常無(wú)法享受8層傳輸的優(yōu)勢的事實(shí)后，參考符號的開(kāi)銷(xiāo)過(guò)高。

為了應對這些挑戰，LTE R10決定采取另一種參考符號范式。關(guān)鍵思路是將用于CSI測量的參考信號與那些用于數據解調的參考信號脫鉤，方法如下：

a)在2/4/8發(fā)射天線(xiàn)的情形中，CSI(即CQI、PMI和RI)測量和報告引入信道狀態(tài)信息參考符號(CSI-RS)。

b)在多達8個(gè)空間層的支持下，與UE有關(guān)的預編碼正交參考符號用于數據解調。主要從3個(gè)方面證明這種選擇的合理性。首先，與UE有關(guān)的參考符號支持eNodeB處靈活的傳輸預編碼，它可以看作是競爭性下行鏈路MU-MIMO的一個(gè)引擎。其次，根據傳輸等級，參考符號開(kāi)銷(xiāo)增加，因而一些高等級能力終端無(wú)法對整個(gè)系統進(jìn)行懲罰，主要是由于參考符號開(kāi)銷(xiāo)較高，這與采用CRS的情形類(lèi)似。第三，與UE有關(guān)的參考符號將從發(fā)送預編碼增益中受益，這反過(guò)來(lái)又會(huì )導致可靠的信道估計。等級為1-2的LTE R10 URS模式對應于LTE R9中的URS模式，而等級為3-8的LTE R10 URS模式可看作是一種擴展。

CSI-RS在時(shí)間和頻率上是稀疏的，因為CSI測量要求不如數據解調嚴格。通常情況下，CSI-RS采用非常低的密度(1RE/port/PRB)進(jìn)行定期傳輸(例如每10ms)。CSI-RS的周期是可配置的，其占空比值變化范圍為5~80ms，因為下行鏈路MIMO增強方案的目標主要是低移動(dòng)性場(chǎng)景。這意味著(zhù)對傳統LTE R8/9終端的影響僅限于子幀，CSI-RS在這些子幀中傳輸，其他時(shí)間傳統終端可以進(jìn)行工作，而無(wú)需受到任何懲罰。同時(shí)，CSI-RS相對較低的密度考慮了在子幀中使用CSI-RS將數據傳輸給R8終端，雖然性能有所下降。但是，需要相應降低MCS水平，以支持UE應對額外的干擾。

雖然引入CSI-RS的主要驅動(dòng)力是對eNodeB處8根發(fā)射天線(xiàn)的支持，但是也為其他天線(xiàn)配置定義了CSI-RS模式?？傮w而言，規范非常明智，可以對CSI-RS和CRS進(jìn)行獨立配置。在圖1中，分別描述了8個(gè)、4個(gè)和2個(gè)發(fā)射天線(xiàn)端口時(shí)的R10 CSI-RS情形。CSI-RS模式具有嵌套特性——針對少數天線(xiàn)端口的模式是針對大量天線(xiàn)端口模式的子集。除了圖1中的模式，還支持其他可能的配置，且定義了針對正常和擴展循環(huán)前綴的獨立CSI-RS配置。對于幀結構類(lèi)型1和2來(lái)說(shuō)，不同模式也是可用的——也就是說(shuō)，對于FDD和TDD來(lái)說(shuō)，TDD中存在著(zhù)細微變化，即與天線(xiàn)端口5的碰撞可以避免。CSI-RS的另一個(gè)主要區別也是高重用因子，例如在2個(gè)天線(xiàn)端口的情形中，重用因子為20。相比之下，在2個(gè)天線(xiàn)端口的情形中，CRS重用因子為3。較高的重用因子使得網(wǎng)絡(luò )規劃更加容易，且從CSI-RS到CSI-RS的碰撞在很大程度上可以避免，這在局部網(wǎng)絡(luò )負載情形中是非常有益的。

在圖2中，給出了URS配置的2個(gè)實(shí)例。該規范支持使用12/24個(gè)資源元素(RE)，它可用于URS，這取決于傳輸等級。例如，與R9中的情形一樣，1層和2層可以采用12個(gè)資源元素和長(cháng)度為2的疊加正交碼(OCC)進(jìn)行工作，而24個(gè)資源元素和長(cháng)度為4的疊加正交碼可用于3-8層。采用頻分復用加上可變長(cháng)度的OCC，支持根據傳輸等級，對RS開(kāi)銷(xiāo)進(jìn)行有效擴展。我們注意到通過(guò)采用天線(xiàn)虛擬化(如降至某個(gè)CRS端口)，CSI-RS為高效地降低CRS開(kāi)銷(xiāo)提供了機會(huì )，如圖2的右半部分所示，而UE仍然能夠通過(guò)CSI-RS接入多達8個(gè)天線(xiàn)端口。

采用CSI-RS的系統操作基本原理如圖3所示。終端基于CSI-RS來(lái)對CSI進(jìn)行估計，并將CSI反饋傳輸給eNodeB，而eNodeB反過(guò)來(lái)可以在為數據選擇預編碼器和調制與編碼方案(MCS)用CSI。數據可以和與用戶(hù)有關(guān)(專(zhuān)用)的解調參考符號(URS，也稱(chēng)為DM-RS)一同傳輸，與數據一樣，對同一物理資源塊進(jìn)行擴展。相同的傳輸預編碼可用于數據層及相關(guān)的DM-RS端口。與LTE R8中的情形相反，它考慮了eNodeB使用任何預編碼的情況，因為使用的預編碼對于終端來(lái)說(shuō)仍然是透明的，且不需要傳輸給用戶(hù)。

2 碼本設計

為了支持下行鏈路MIMO操作，8個(gè)發(fā)射天線(xiàn)端口的引入需要一個(gè)新碼本。同時(shí)，與用戶(hù)有關(guān)的DM-RS支持在eNodeB處靈活選擇預編碼器。為了實(shí)現這種潛在優(yōu)勢和增益，需要為eNodeB提供非常精確的CSI。在TDD的情形中，信道互易和探測參考信號在一定程度上可用于通過(guò)對來(lái)自于上行鏈路傳輸的相關(guān)信息進(jìn)行估計，來(lái)獲取CSI。但是，在FDD的情形中，除了長(cháng)期DoA(到達方向)波束形成之外，實(shí)際上不可能使用短期CSI，因而需要在3GPP中指定更為詳細的CSI反饋機制。簡(jiǎn)單解決方案是簡(jiǎn)單規定一個(gè)包含更多元素因而具有更高精度的新碼本。遺憾的是，無(wú)論是從上行鏈路信令開(kāi)銷(xiāo)，還是從UE處PMI選擇復雜性的角度來(lái)看，這種解決方案都是不切實(shí)際的。

碼本設計的一種自然方法是把重點(diǎn)放在感興趣場(chǎng)景與天線(xiàn)配置選擇上。在用例方面，LTE R10 CSI反饋應當既支持下行鏈路SU-MIMO，又支持下行鏈路MU-MIMO，其中SU-MIMO主要用于信道方位(即角)擴散較大的不太相關(guān)場(chǎng)景，而MU-MIMO通常用于信道方位角擴散較小的高度相關(guān)場(chǎng)景。因此，對于SU-MIMO/MU-MIMO來(lái)說(shuō)，最佳工作點(diǎn)與部署場(chǎng)景密切相關(guān)。另一方面，流量條件和可用多用戶(hù)分集也會(huì )隨著(zhù)TTI的不同而發(fā)生變化，需要強制規定SU-MIMO和MU-MIMO之間的動(dòng)態(tài)切換概率。從后者可以清晰得出，eNodeB需要擁有可用的SU-MIMO和MU-MIMO CSI反饋，以執行無(wú)縫傳輸模式選擇。天線(xiàn)配置和相關(guān)信道建模在碼本設計中發(fā)揮了主要作用。

對于eNodeB處配置8根天線(xiàn)的情形，通過(guò)關(guān)注窄距交叉極化(XP)陣列、窄距均勻線(xiàn)性陣列(ULA)和寬距交叉極化(XP)陣列，3GPP為最實(shí)用的天線(xiàn)配置賦予了優(yōu)先級。前2種配置意味著(zhù)更高的空間相關(guān)性，因而支持低等級SU-MIMO/MU-MIMO傳輸，由于較大元素間距導致的較低空間相關(guān)性，因而第三種配置更多用于高等級SU-MIMO。為eNodeB傳輸陣列處具有較低角擴散、較小元素間距的場(chǎng)景分配優(yōu)先級表明，UE反饋主要針對低等級SU-MIMO和MU-MIMO操作，以實(shí)現：

a)采用精細空間粒度和建立在長(cháng)期信道寬帶相關(guān)特性的空域內UE分離，對支持MU-MIMO的反饋進(jìn)行優(yōu)化。
b)支持SU-MIMO的反饋側重于短期窄帶信道特性。

長(cháng)期信道特性不會(huì )從一個(gè)CSI測量實(shí)例快速變化到另一個(gè)CSI測量實(shí)例。因此，將信道狀態(tài)特性分離為長(cháng)期和/或寬帶部分是行得通的，這說(shuō)明從長(cháng)遠的眼光來(lái)看，信道狀態(tài)特性是相對穩定的(例如等級和寬帶波束方向)，且短期和/或窄帶部分主要針對非相關(guān)信道規劃(例如2種不同的極化)上的波束選擇和共相位。

利用這些事實(shí)，通過(guò)將長(cháng)期和短期CSI構件分離開(kāi)來(lái)，可以實(shí)現高效的反饋信令壓縮，且輔以目標場(chǎng)景中非常具有競爭力的性能。這將導致3GPP在LTE R10 CSI反饋中采用雙碼本結構，以支持使用8根發(fā)射天線(xiàn)的下行鏈路MIMO。主要原理是子帶的預編碼器W是由2個(gè)矩陣構成的，這2個(gè)矩陣屬于2個(gè)不同的碼本：W1針對長(cháng)期寬帶信道特性，而W2適用于短期頻率選擇性CSI。由此形成的每個(gè)子帶預編碼器W是由2個(gè)矩陣W1和W2相乘得到的，即W=W1×W2。其原理如圖4所示?？紤]到最低上行鏈路信令開(kāi)銷(xiāo)，W1和W2的反饋速率可能是不同的。碼本元素本身是基于固定波束族(GoB)構件的。眾所周知，這些構件能夠為MU-MIMO提供良好性能，而對于SU-MIMO來(lái)說(shuō)，通過(guò)支持子帶級的波束選擇，可以維持頻率選擇性預編碼。對于8×8下行鏈路單用戶(hù)MIMO來(lái)說(shuō)，當考慮使用8個(gè)空間層時(shí)，對于較低傳輸等級(即第1-2級，一定程度上也適用于第3-4級)來(lái)說(shuō)，雙碼本概念就具有較大的吸引力，這取決于空間相關(guān)性。

圖4示出的是LTE R10中的雙碼本反饋操作原理。預編碼器由W1和W2 2個(gè)部分構成：W1針對長(cháng)期/寬帶信道特性，W2提供了深度完善方案以及關(guān)于信道的短期/窄帶性能的信息。

R10引入對2、4和8個(gè)CSI-RS天線(xiàn)端口的靈活支持，而URS用于解調。在這種環(huán)境中，僅有包含8根發(fā)射天線(xiàn)的碼本是新近定義的。對于2根和4根發(fā)射天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，LTE R10碼本仍保持不變，且是LTE R8中的對應碼本，因為這些碼本被證明具有足夠的競爭力。

3 下行鏈路多天線(xiàn)增強方案的系統性能

與R8相比，R10提供的主要容量?jì)?yōu)勢是與UE有關(guān)的RS以及CSI-RS上的多用戶(hù)MIMO，主要是在4根發(fā)射天線(xiàn)的情形中，即4×2和4×4。當采用2×2天線(xiàn)配置時(shí)，R10解決方案并未帶來(lái)真正益處，因為傳輸編碼增益非常有限，不會(huì )補償與UE有關(guān)的RS開(kāi)銷(xiāo)。在一般情況下，通過(guò)采用天線(xiàn)虛擬化的方法，可以降低CRS開(kāi)銷(xiāo)本身。在實(shí)踐中，人們通常會(huì )在eNodeB發(fā)射陣列每個(gè)極化方向上配置1個(gè)CRS端口。

圖5給出了下行鏈路平均頻譜效率。假定eNodeB處使用的是均勻線(xiàn)性陣列，與采用2×2天線(xiàn)配置的R8相比，采用4×2天線(xiàn)配置的R10 MU-MIMO能夠將容量提高40%。與R8相比，采用4×4天線(xiàn)配置的MU-MIMO能夠將容量提高100%。使用4根發(fā)射天線(xiàn)的交叉極化陣列，增益數值略有減小。MU-MIMO對蜂窩邊緣數據速率的好處甚至要高于對平均數據速率的好處，如圖6所示：與采用2×2天線(xiàn)配置的R8相比，4×4天線(xiàn)配置能夠將蜂窩邊緣數據速率提高150%。但是，需要注意的是，蜂窩邊緣吞吐量、峰值吞吐量和平均吞吐量數值可能會(huì )相互折衷，這取決于調度和多用戶(hù)配對策略。已經(jīng)證實(shí)，通過(guò)在第二空間層采用比例公平頻域調度，選擇保持公平性會(huì )導致覆蓋性能顯著(zhù)提高。另一方面，選擇針對第二個(gè)用戶(hù)的頻域調度的最大C/I類(lèi)型將會(huì )提升峰值吞吐量，從而以犧牲覆蓋范圍為代價(jià)，提高了平均吞吐量增益。

4 結論

在R11中，將繼續開(kāi)展被認為是LTE-Advanced研究部分內容的主題，以及除了R10之外的其他主題。預計3GPP R11將在2012年底定稿，即在2011年年中凍結R10后的18個(gè)月推出。

目前已知的LTE-Advanced研究主題包括：

a)載波聚合，預計研究焦點(diǎn)在增加新的下行鏈路頻段組合，研究多頻段上行鏈路情形支持的上行鏈路載波聚合。

b)多天線(xiàn)增強方案，已經(jīng)達到共識，下一步研究工作將圍繞協(xié)同多點(diǎn)(CoMP)傳輸展開(kāi)，它將成為一個(gè)獨立的研究項目。CoMP理想的根本目標是將干擾信號變?yōu)榻邮招盘柕挠杏梅至?，或者采用空間維度以確保干擾最小化的方式來(lái)引導信號。CoMP方案可以采用不同方法進(jìn)行劃分，此處選擇的分類(lèi)方法將方案分為：

(a)聯(lián)合調度/波束形成，在這種方案中，實(shí)際傳輸僅來(lái)自于單個(gè)蜂窩/扇區，且性能優(yōu)勢是通過(guò)與其他蜂窩進(jìn)行協(xié)同得到的。在協(xié)同波束形成的情形中，目標是采用某種方式來(lái)引導在重疊時(shí)間/頻率資源調度的波束。在這種方式中，能夠進(jìn)行數據傳輸，且可以避免空域內的干擾，如圖7所示。此處面臨的挑戰與精確環(huán)境信息的可用性有關(guān)，該信息支持eNodeB處的智能決策。

(b)聯(lián)合處理CoMP是基于從多個(gè)蜂窩進(jìn)行傳輸，并在接收端主動(dòng)消除干擾的理念。此處面臨的挑戰取決于選擇的具體方法，但大多與處理站點(diǎn)間操作以及由此形成的回程要求和接收機復雜性時(shí)，需要支持來(lái)自于多個(gè)eNodeB的實(shí)時(shí)聯(lián)合編碼和調度決策有關(guān)。從性能的角度來(lái)看，挑戰將是獲得不同參與元素之間足夠快的連接以及所需測量結果的現實(shí)精度，以有利于CoMP操作的開(kāi)展。

與R10一樣，R11將涉及許多與LTE-Advanced沒(méi)有直接聯(lián)系的主題。目前，3GPP討論的其他已知主題包括：

a)LTE MBMS進(jìn)一步增強方案(eMBMS)，遵循R9中的基本框架(并在R10中略有增強)。
b)基于R10工作項目或研究項目，繼續在諸如自組織網(wǎng)絡(luò )(SON)、驅動(dòng)測試最小化(MDT)、機器對機器(M2M)連接優(yōu)化等主題上開(kāi)展研究。