2.6 LTE无线传输技术介绍
2.6.1 双工方式
只要是双向通信,就需要一定的双工工作模式。当前2G和3G通信领域使用的双工方式主要是频分双工和时分双工,它们是各种无线系统中最为常用的双工方式。
通过ITU-R对第三代移动通信系统的频谱进行划分,3G频谱被划分为应用于频分双工的成对频谱和应用于时分双工的非成对频谱。在3G的三大国际标准中,WCDMA和CDMA2000系统主要采用FDD双工方式,TD-SCDMA 采用TDD双工方式。
在LTE中,为了能够同现有的3G频段相互协调,LTE系统必须既包括针对成对频谱的部署,也需要支持对非成对频谱的部署,而且,在将来可以重用第二代移动通信系统退网后留出的频段。因此,LTE系统需要同时支持FDD和TDD两种双工方式。除此之外,为了降低传输成本,LTE还考虑支持半双工FDD这种特殊的双工方式,如图2-2所示。
1.TDD双工方式
TDD时分双工(Time Division Duplexing),是在帧周期的下行线路操作中及时区分无线信道以及继续上行线路操作的一种技术,也是移动通信技术使用的双工技术之一,与FDD相对应。
TDD双工方式中,发送和接收信号在相同的频带内,上下行信号通过在时间轴上不同的时间段内发送进行区分。TDD双工方式的信号可以在非成对频段内发送,配置相对灵活。同时,由于上下行信号占用的无线信道资源可以通过调整上下行时隙的比例灵活配置,更加适合于以IP分组业务为主要特征的移动蜂窝系统。
图2-2 LTE支持的3种双工方式
TDD双工方式可以灵活地设置上行和下行的转换时刻,可应用于不对称的上行和下行业务转换,有利于实现明显上下行不对称的互联网业务。不过,这种转换时刻的设置必须与相邻基站协同进行。相比于FDD双工方式,TDD由于不要求带宽的对称,因而可以使用零碎的片段。
2.FDD双工方式
频分双工FDD(Frequency Division Duplexing),即全双工,由于其操作时需要两个独立的信道,其中一个信道向下传送信息,另一个信道向上传送信息,同时,这两个信道之间必须存在一个保护频段,从而防止临近的发射机和接收机之间相互干扰,如GSM、CDMA的收发信道间隔为45MHz,WCDMA的间隔为190MHz。FDD模式最突出的特点是系统的发送和接收是在分离的两个对称频率信道上进行的。FDD使用上下行成对频段,使得信号的发送和接收可以同时进行,减少了上下行信号间的反馈时延。FDD发送信号的这一特点使其具有很多TDD所不具备的优势。
3.TDD与FDD的比较
① FDD必须使用成对的收发频率,支持以语音为代表的对称业务能充分利用上下行的频谱,但在进行以IP为代表非对称的数据交换业务时,频谱的利用率则大为降低,约为对称业务的60%。而TDD则不需要成对的频率,通信网络可根据实际情况灵活地变换信道上下行的切换点,能有效地提高系统传输不对称业务时的频谱利用率。
② 采用TDD模式工作的系统,上、下行工作于同一频率,其传输过程的一致性适用于智能天线技术,可有效减少多径干扰,提高设备的有效性。而收、发采用一定频段间隔的FDD系统则不能采用这种技术,这样FDD系统的基站成本比TDD高25%~45%。
③ 在抗干扰方面,使用FDD可消除临近蜂窝区基站和本区基站之间的干扰,而对于TDD,非对称的TDD时隙将影响临近小区的无线资源并导致小区间的上下行链路干扰,另外高功率的基站会阻塞临近小区的无线资源,并导致小区间的上下行链路干扰,另外高功率的基站会阻塞临近小区的基站接收本小区的终端,处在小区边界的高功率终端也会阻塞临近小区的具有不同时隙分配的终端。因而FDD的抗干扰性能在一定程度上优于TDD。
④ 与FDD系统相比,TDD系统的移动速度受到了限制。高速移动时,多普勒效应会导致快衰落,速度越高,衰落变换频率越高,衰落深度越深,因此必须要求移动速度不能太快。一般TDD移动台的移动速度只能达到FDD移动台的一半甚至更低。
因此,根据TDD与 FDD各自的优缺点,在3G移动网络中,它们各自有着不同的适用范围:
采用FDD系统多是连续控制,适应于大区制的国家和国际间覆盖漫游,适合于对称业务(如语音、交互式实时数据等)。
采用TDD系统多是时间分隔控制,适用于城市及近郊等高密度地区的局部覆盖和对称及不对称数据业务。特别是它的不对称传输数据的功能,尤为适合接入基于IP的各种数据业务。因为,在互联网的数据传输过程中,往往要求下行速率远大于上行速率。
4.H-FDD双工方式
由于TDD和FDD各自都存在一定的缺陷,因此,在LTE中考虑支持半双工的FDD方式。在半双工FDD中,基站仍然采用全双工FDD方式,终端的发送和接收信号虽然分别在不同的频带上传输,采用成对频谱,但其接收和发送信号不能够同时进行。H-FDD的终端接收和发送信号的方式与TDD相似。H-FDD方式已经被广泛应用于无线通信系统中。
而在LTE中采用H-FDD是因为H-FDD不像全双工FDD那样要求严格的上下行频段保护间隔,所以可以采用一些分散频段,而且H-FDD终端收发双工器的要求比较低,应用H-FDD方式可以减小功耗,具体而言:
① 从频段配置角度看,在不同的国家和地区,有许多的零散频段,这些分散频段如果作为全双工FDD进行部署,可能会由于上下行频段间保护间隔不能够完全满足FDD双工方式的要求而无法部署。如果采用H-FDD方式,则可以灵活地在这些频段上部署,扩大了LTE系统的应用范围。
② H-FDD对终端的收发双工器的要求不如FDD严格,采用H-FDD可以减小功耗,降低成本。
2.6.2 多址技术
LTE下行多址技术主要在基于OFDMA的技术和基于CDMA的技术之间进行选择。
正交频分多址(Orthogonal Frepuency Division Multiple Access,OFDMA)是无线通信标准,是一种多址技术。目前,OFDM技术逐步取代单载波扩频技术(CDMA)而成为主流的基本发送技术。
1.OFDM技术基本原理
OFDM实际上是多载波(Multi-CarrierModulation,MCM)调制的一种,将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到每个子信道上进行传输。但是为了避免各子载波之间的干扰,不得不在相邻的子载波之间保持较大的间隔,在保护间隔大于最大多径延时扩展的情况下,可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔,还可避免多径带来的信道间干扰。
在过去的频分复用(FDM)系统中,整个带宽分成N个子频带,子频带之间不重叠,为了避免子频带间互相干扰,频带间通常加保护带宽,但这会使频谱利用率下降。为了克服这个缺点,OFDM采用N个重叠的子频带,子频带间正交,因而在接收端无须分离频谱就可以将信号接收下来。这样部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率,因为相同带宽内可以容纳更多的子载波。OFDM系统的一个主要优点是正交子载波可以利用快速傅里叶变换(FFT/IFFT)实现调制和解调。对于N点的IFFT运算,需要实施N 2 次复数乘法,而采用常见的基于2的IFFT算法,其复数乘法仅为(N/2)log2N,可以显著降低运算复杂度。
OFDM 发射机结构如图2-3所示。
图2-3 OFDM 发射机结构
首先对发送信号进行编码并交织,然后将交织后的数据比特进行串/并转换,并对数据进行调制后映射到OFDM符号的各子载波上;将导频符号插入相应子载波后,对所有子载波上的符号进行傅里叶变换后生成时域信号,IFFT输出OFDM符号位N个采样点的时域信号(N 为IFFT长度,N大于等于M),即M个子载波上时域信号的合并波形。在每个OFDM符号前插入CP,以在多径衰落环境下保持子载波之间的正交性。插入CP的方法就是将OFDM符号结尾处的若干采样点复制到此OFDM符号之前,CP长度必须长于主要多径分量的时延扩展。最后经过并串转换将多个子载波的时域信号进行叠加,形成OFDM符号,然后进行数/模转换并变频到发射频带上进行信号发送。接收端信号处理是发送端的逆过程,如图2-4所示。
OFDM接收机结构的核心部分是FFT处理。由于主要的多径分量都落在CP长度内,因此发射信号经过一定移位的循环体复本,所以FFT可以自然地将这些多径分量合并,同时保证子载波之间的正交性。
图2-4 OFDM接收机结构图
2.OFDMA的主要技术优势
OFDM作为未来无限通信应用的主要多址接入技术,相对于其他多址方式,具有以下几方面的优势。
① 频谱效率更高。如前所述,相对于传统的频分复用技术,各子载波可以部分重叠,理论上可以接近Nyquist极限;同时,由于具有良好的多址正交性,保证较低的用户间干扰,以OFDM为调制多址方式的系统具有更高的频率效率。
② 接收信号处理更为简单,降低了接收机的实现复杂度。对于宽带无线传输系统,信号多径传输时延会造成接收信号的频率选择特性。频率选择信道的相关带宽与多径时延的时间弥散长度成反比,多径时延越大,相关带宽越小。宽带系统信号的多径时延通常为几微秒至几十微秒,而一个符号的调制时间却远小于信号的多径时延。例如,对于10MHz带宽的系统,其调制符号的时间长度为0.1μs。多径时延长度远超调制符号的时间长度,因此存在严重的频率选择特性。
对于传统的窄带无线传输系统,由于多径所带来的频率选择特性并不明显,一般通过采用时域自适应滤波器来补偿信道的损失和减少符号间的干扰。但对于带宽系统,符号间的串扰将达十几甚至几百个符号,如果仍然采用时域自适应滤波器方式来补充信道的损失,这会给接收端带来很高的复杂度,甚至是不可实现的。
对于OFDM多址的符号调制方式,数据并行地在多个子载波上进行传输。对于每个子载波,多径时延对传输数据造成的影响并不严重,采用简单的自适应滤波器就可以补偿信道传输带来的损失。因此,对于宽带系统,OFDM可以极大地减少接收端的处理复杂度。
③ 支持灵活的带宽扩展性。由于采用了傅里叶变换的实现方式,采用OFDM多址方式的系统,其带宽可扩展性非常强。例如,对于TD-LTE R8系统支持的1.4~20MHz载波带宽,不需要为接入载波带宽特别定制一种终端,一个具有20MHz接收能力的终端可以灵活地支持所有带宽系统,并不会带来额外的复杂度。
④ 易于与多天线技术结合,提升性能。多天线MIMO是未来移动通信提升系统性能和峰值速率的关键技术,但对接收能力也提出了更高要求。在MIMO传输过程中,除了前面提到的ISI,还需要考虑多个并行传输数据流间干扰。采用OFDM调制,将使得MIMO技术实现更为简化,为MIMO在宽带系统中应用提供了重要保证。
⑤ 易于与链路自适应技术结合。链路自适应技术可提升系统性能。链路自适应技术要求发送信号的调制和编码速率与信道状态更加匹配,进而使得发送数据速率逼近信道容量。OFDM的资源分配方式,使其在频域划分的颗粒度更为精细,并使得带宽内的传输数据与信道状态更好地匹配,可以让用户选择信道条件更好的频域资源块进行数据发送,从而更有效地利用链路自适应技术提升系统性能。同时,通过在频域上的多用户调度,可以获得明显的多用户调度增益。
3.OFDM中的峰均比问题
OFDM多载波系统采用正交频分信道,能够在不需要复杂的均衡技术的情况下支持高速无线数据传输,具有很强的抗衰落和抗符号间干扰(ISI)的能力。然而,OFDM系统最主要的缺点是具有较大的峰均值(PAPR)。
当N个具有相同相位的信号叠加在一起时,峰均功率是平均功率的N倍。没有调制的信号的PARA应为0dB。高的PARA带来了诸多不利因素,如增加模数转换和数模转换的复杂度,降低RF功率放大器的效率,增加发射机功放的成本和耗电量,不利于在上行链路实现等。为了降低OFDM的PARA,目前已经提出了几种技术,大体上分为3类:信号预失真技术,如削峰(Chipping)、峰加窗(Peak Windowing)等;编码技术;加扰技术等。
2.6.3 MIMO技术
1.MIMO技术简介
多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)是一种用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型,能利用发射端的多个天线各自独立发送信号,同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。该技术最早是由马可尼于1908年提出的,他利用多天线来抑制信道衰落。根据收发端天线数量,相对于普通的单输入单输出系统(Single Input Single Output,SISO),MIMO此类多天线技术同时包含早期所谓的“智慧型天线”,即单输入多输出系统(Sing Input Multiple Output,SIMO)和多输入单输出系统(Multiple Input Single Output,MISO)。
MIMO技术的核心概念为利用多根发射天线与多根接收天线所提供的空间自由度来有效提升无线通信系统的频率效率,以提升传输速率并改善通信品质。MIMO技术的应用,使空间成为一种可以用于提高性能的资源,并能够增加无线系统的覆盖范围。无线信号在被反射的过程中会产生多份信号。每份信号都是一个空间流。使用单输入单输出(SISO)的系统,顾名思义,每次只能发送和接收一个空间流。MIMO允许多个天线同时发送和接收空间流,并能够区分不同空间方位的信号。同时在发送端和接收端采用多天线,可以显著克服信道的衰落,降低误码率。一般来说,分集增益可以高达N t *N r ,远大于单天线系统。
为了满足LTE在高数据率和高系统容量方面的需求,LTE系统支持下行MIMO技术,包括空间复用、波束赋形和传输分集等技术。在LTE中应用MIMO技术的下行基本天线配置为2*2,即2天线发送和2天线接收,最大支持4天线进行下行方向四层传输。同时,为了满足E-UTRA的需求,LTE系统支持上行应用MIMO技术。在LTE中应用MIMO技术的上行基本天线配置为1*2,即一根发送天线和两根接收天线。支持更高阶的MIMO传输是可以考虑的,但是由于担心终端实现的复杂度过高,目前对于上行并不支持在一个终端同时使用两根天线进行发送,因此某些双天线用户端只能有一套射频发射系统。
2.LTE MIMO下行关键技术
1)下行关键技术概述
为了满足LTE在高数据速率和高系统容量方面的需求。LTE系统支持下行应用多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术,包括空间复用、波束赋形以及传输分集。在LTE中应用MIMO技术的下行基本天线配置为2*2,即2天线发送和2天线接收,最大支持4天线下行方向四层传输。但是需要注意的是,这里的天线数目为虚拟的天线数目。
MIMO技术原理示意图如图2-5所示。
图2-5 MIMO技术原理示意图
传输分集的主要原理是利用空间信道的弱相关性,结合时间/频率上的选择性,为信号传输提供更多的副本,提高信号传输的可靠性,从而改善接收信号的信噪比。LTE中传输分集技术的候选技术很多,如空时编码(Space-time Code,STC)、循环延时分集(Cyclic Delay Diversity,CDD)以及天线切换技术等。传输分集原理示意图如图2-6所示。
图2-6 传输分集原理示意图
波束赋形技术是一种应用于小间距天线阵列的多天线传输技术,其主要原理是利用空间信道的强相关性,利用波的干涉原理产生强相关性,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地指向用户来波方向,从而提高信噪比,提高系统容量或者覆盖范围。
空间复用技术则是一种利用空间信道的弱相关性的技术,其主要工作机理是在多个独立的空间信道上传输不同的数据流,从而提高数据传输的峰值速率。空间复用原理示意图如图2-7所示。
图2-7 空间复用原理示意图
图2-8 典型的信道容量曲线
这三种技术对空间信道的要求不同,其应用场景也有所不同,如图2-8所示的典型的信道容量曲线,在低信噪比区域的斜率比较大,应用传输分集技术和波束赋形技术可以有效地提高接收信号的信噪比,从而提高传输速率或者覆盖范围;而在高信噪比区域,容量曲线接近平坦,再提高信噪比也无法明显改善传输速率,这时可以应用空间复用技术来提高传输速率 [11] 。
2)空分复用传输
LTE系统支持多码字(Multiple CodeWord,MCW)的空间复用传输。
所谓多码字,即用于空间复用传输的多层数据来自于多个不同的独立进行信道编码的数据流,每一个码字可以独立地进行速率控制,分配独立的混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat-reQuest,HARQ)进程;而单码字的空分复用传输是指用于空间复用传输的多层数据仅仅来自于一个信道编码之后的数据流。具体情况可以参考信道编码和串并变换(层映射)的流程,其中Q=1时表示单码字的空间复用传输,Q>1时,表示多码字的空间复用传输。
其中L为空间复用传输的层数目,LTE系统支持的最大层数目为L=4(当传输天线数目为4,且空间信道秩为4时),而LTE支持的最大码字数目则为Q=2,即码字和层存在一对多的映射关系。具体映射关系见表2-3。
表2-3 码字与层的映射关系
在空间复用的情况下,支持基于空间信道秩的慢速自适应。目前的工作假设是终端可以反馈一整个带宽的秩大小,从而决定空间复用传输的层数目。
目前LTE支持开环的空间复用技术。
3)下行预编码
对于空间复用,LTE既支持开环方式的空间复用,也支持闭环方式的空间复用,即所谓的线性预编码技术。
线性预编码操作的作用是将天线域的处理转换到波束域进行处理,在发射端利用已知的空间信道信息进行预处理操作,从而进一步提高用户和系统的吞吐量。线性预编码操作可以表述为
y=Wx
其中,W是预编码矩阵,x为传输数据y为传输信息经过预编码处理之后得的新的发射向量。经过MIMO信道后,接收端接收到的信号为
r=Hy+n=HWx+n=H E x+n
其中,r为接收向量,H为空间信道矩阵,n为噪声向量,H E 为经过预编码之后的等效空间信道矩阵。
线性预编码操作可以按其预编码矩阵的获得位置划分为两大类预编码方式:非码本预编码操作和基于码本的预编码操作,即non-codebook based pre-coding和codebook based pre-coding。两者具有不同的处理流程,如图2-9和图2-10所示 [12] 。
图2-9 非码本的预编码操作流程
图2-10 基于码本的预编码操作流程
(1)非码本的预编码方式
在非码本的预编码方式中,预编码矩阵在发射端获得。发射端利用预测的信道状态信息,进行预编码矩阵的计算,常见的预编码矩阵计算方法有奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)、均匀信道分解(Uniform Channel Decomposition,UCD) [13~16] 等。
非码本的预编码方式要求使用专用导频,即数据符号和导频符号一起进行预编码操作,这样接收端只需要通过信道估计就可以获得预编码之后的等效信道,从而方便进行数据解调。
针对非码本方式,在发射端有多种方式可以获得空间信道状态信息,比如利用TDD系统的信道对称性、直接反馈信道、量化以及差分反馈等。
(2)基于码本的预编码方式
在基于码本的预编码方式中,预编码矩阵在接收端获得。接收端利用预测的信道状态信息,在预定的预编码矩阵码本中进行预编码矩阵的选择,并将选定的预编码矩阵的序号反馈给发射端。
有多种预编码矩阵码本的构建方式,典型的有基于天线选择的码本、基于TxAA模式的码本、基于DFT的码本。另外,还有一些码本构建方法,但需要通过离线的仿真或者搜索完成,比如随机码、Grassmanian码本、基于Householder变换的码本。
针对两根发送天线的情况,3GPP已经确定其线性预编码矩阵的码本,见表2-4。
表2-4 两根天线情况下的预编码矩阵码本
从预定的预编码矩阵码本中选择预编码矩阵可以依据如下两种方式。
① 基于性能指标的选择(Metric-based Selection)。即预编码矩阵/向量依据性能指标在码本中选择,比如依据总的吞吐量、信干噪比(Signal Interference Noise Rate,SINR)、误帧率(Frame Error Rate,FER)等。根据信道状态信息,分别计算位于码本中的每一个矩阵/向量的性能指标,以决定选择使用的预编码矩阵/向量。
② 基于量化的选择(Quantization-based Selection)。即预编码矩阵/向量是通过对信道的右奇异矩阵进行量化而得到的。在这种情况下,需要对信道矩阵进行奇异值分解,然后在码本中选择与该右奇异矩阵均方误差最小的矩阵作为选择使用的预编码矩阵/向量。
接收端从码本中选出期望的预编码矩阵/向量之后,需要将其在码本中的序号反馈给发送端。发送端利用接收反馈信息获得的预编码矩阵进行预编码操作,基于码本的预编码方式不要求使用专用导频,但是需要通过某种方式告知接收端当前所使用的预编码矩阵。这是因为虽然预编码矩阵是接收端选择并告知给发送端的,但是在反馈的过程中可能会发生错误,并且发送端有权根据实际使用情况更改预编码矩阵。
具体来说,发送端可以采用如下几种方式告知接收端当前所使用的预编码矩阵。
① 通过控制信令的方式。即发送端将预编码器所使用的预编码矩阵/向量的序号通过下行控制信令告知接收端。接收端根据该序号在码本中选出对应的预编码矩阵/向量,再利用公共导频获得的真实信道得到等效信道矩阵,用于数据解调。
② 通过专用导频进行验证。即发送端在发送公共导频的同时,还发送专用导频用于预编码矩阵的验证。
③ 通过专用导频进行信道估计。即直接利用专用导频进行信道估计,获得等效的信道矩阵。与通过专用导频进行预编码矩阵的验证不同,通过专用导频进行信道估计要求专用导频的密度足够高,以满足数据解调的要求。
4)下行波束赋形
波束赋形与线性预编码在操作上有很多相近之处,但是这二者的工作原理有着本质的差别 [17] 。预编码要求基站侧使用大间距的多根天线阵列,同时预编码矩阵需要匹配瞬时的衰落变化;而波束赋形是一种应用于小间距的天线阵列多天线传输技术,其主要原理是利用空间信道的强相关性即波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图,使辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向,从而提高信噪比,提高系统容量或者覆盖范围。波束赋形的权值仅仅需要匹配信道的慢变化,比如来波方向(Derectrion Of Arrival,DOA)和平均路损。因此,在进行波束赋形时,可以不利用终端来反馈所需信息,来波方向和路损可以在基站侧通过上行接收信号获得,并且不要求上行使用多根天线进行数据发送,如图2-11所示。
图2-11 波束赋形示意图
波束赋形和预编码的具体区别见表2-5。
表2-5 波束赋形与预编码的比较
波束赋形要求使用专用导频,其主要原因是为了获得波束赋形增益需要使用较多的天线单元,而目前LTE仅仅考虑最大支持使用4个公共导频,无法支持在超过4根天线单元的天线阵列上使用波束赋形。除此之外,使用专用导频进行波束赋形还有如下好处 [18] :
① 需要更少的正交公共导频。
② 简化接收机处理。
③ 更容易支持多根传输天线。
④ 不需要终端反馈天线权值。
⑤ 支持任何类型的波束赋形操作。
图2-12 单流波束赋形示意图
波束赋形除了可以进行单流的数据传输之外,还可以支持多流的数据传输和空分多址(Space Division Multiple Access,SDMA)。如图2-12~图2-14所示,是波束赋形的3种情况 [19] 。
其中,分组波束赋形又有多种实现方式,一种方式是直接在等间距的均匀直线阵上进行分组,其好处是天线分组情况可以动态地变化,从而匹配不同的空间信道状态 [20] 。例如,对于8单元的均匀直线阵列来说,可以根据秩的大小分为1组、2组甚至4组。分为1组时该组内天线个数为8,可以进行单流的波束赋形;分为2组时,每组内的天线个数为4,可以进行双流的波束赋形,以此类推。
另外一种分组波束赋形的实现方式是,将两组天线之间的距离人为地扩大,以降低两组天线之间的相关性,从而优化多流情况下的传输,但是丧失了一定的灵活性。另外,对于应用波束赋形的系统,还可以进行基于波束的调度/协调,从而进一步降低小区间的干扰 [21~23] 。
目前LTE支持基于专用导频的波束赋形操作。
图2-13 分组多流波束赋形示意图
图2-14 基于分组多流波束赋形的空分多址(SDMA)示意图
5)下行多用户MIMO
当基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给同一个用户时,即为单用户MIMO(Single-User MIMO,SU-MIMO),或者叫做空分复用(Space Division Multiplexing,SDM),如图2-15所示;当基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同的用户时,即为多用户MIMO(Multiple-User MIMO,MU-MIMO),又叫做空分多址(SDMA),如图2-16所示。
图2-15 SU-MIMO
图2-16 MU-MIMO
基本上有两种实现MU-MIMO的方式,其主要差别是如何进行空间数据流的分离。一种方式是采用每用户酉速率控制(Per-User Unitary Rate Control,PU 2 RC)方案,另外一种是采用迫零(Zero Forcing,ZF)波束赋形方案。在PU 2 RC方案中,数据流的分离是在接收端进行的,它通过利用接收端的多根天线对干扰数据流进行取消(Canceling)和零陷(Nulling)来达到分离数据流的目的。相反地,在ZF波束赋形方案中,空间数据流的分离是在基站进行的。基站利用反馈的信道状态信息,为给定用户进行波束赋形,并保证对其他用户不会造成干扰或者只有很小的干扰,即传输给给定用户的波束对其他用户形成了零陷。此时,理论上终端只需要使用单根天线就可以工作。
下面对这两种MU-MIMO进行具体介绍。
(1)PU 2 RC [24~26]
使用酉预编码的好处是对于具有两根天线的基站,如果终端已经决定其在一个预编码矩阵中首先使用的预编码向量,那么对于干扰传输的预编码向量也唯一地被确定下来了。因此,对于具有2天线的基站来说,CQI可以在没有任何不确定性的情况下被估计出来。但是,对于具有4天线的基站来说,存在三个可能造成干扰的正交预编码向量,这将导致CQI估计过程中存在不确定性,这与使用非酉矩阵的预编码中存在的CQI估计问题类似。
酉预编码的缺点是要保证其码本较小,以增加找到至少两个用户满足下述条件的概率:第一,使用相同的预编码矩阵;第二,在该矩阵中其首选的预编码向量不同。一个太小的码本意味着较差的预编码增益,这是因为它会造成更严重的信道与预编码矩阵之间的不匹配。
因此,也有提案不使用酉矩阵进行下行MU-MIMO,即同一个时频资源上被调度用户所使用的预编码向量之间不再保证正交性,而是有一定的相关性。具体地说,就是利用每一个终端反馈的首选的预编码向量序号,只要两个终端首选的预编码向量的相关性小于某一个预定的参数,即可将这两个用户分为一组,进行MU-MIMO传输。
非酉预编码的好处是,允许预编码矩阵的列之间不正交,这可以增加找到至少两个用户共享相同资源的概率。非酉预编码的缺点是存在计算CQI时的不确定性,即干扰者可以使用更多可能的预编码向量。
通过一些简单的原则将非酉预编码和酉预编码结合起来使用是可能的,从而可以同时获得两者的好处。这些原则包括以下几点。
① 从终端来看,在计算CQI时总是假设发射端使用酉预编码矩阵,这可以消除计算CQI时的不确定性。
② 基站调度器具有一定的自主性,允许使用列向量之间不正交的预编码矩阵进行MU-MIMO操作。这样,当基站选择使用酉矩阵时,反馈的CQI是正确的;而当使用非酉矩阵时,反馈的CQI被高估了。
(2)ZF波束赋形 [27,28]
ZF波束赋形也需要利用量化的上行终端反馈来决定预编码矩阵。与PU 2 RC方案中直接使用终端选择的预编码方案向量不同,ZF波束赋形使用终端请求的预编码向量重新计算一组预编码向量,以降低波束之间的干扰。
在理想情况下,终端可以反馈未量化的信道冲激响应,基站可以利用这些信道冲激响应计算预编码向量。在这种情况下,不存在波束间干扰。实际上,在基站上无法准确获得下行的信道状态信息,特别是在对于FDD模式无法利用信道对称性的情况下,解决这个问题的一种方法是反馈量化的信道向量,然后基站利用量化后的信道向量进行迫零预编码矩阵的计算。另外一种方法是反馈量化的预编码向量。
3.上行MIMO技术
为了满足E-UTRA的需求,LTE系统支持上行应用MIMO技术,包括空间复用和传输分集。在LTE中应用MIMO技术的上行基本天线配置为1*2,即一根发送天线和两根接收天线。支持更高阶的MIMO传输是可以考虑的,但是由于担心终端实现的复杂度过高,目前对于上行并不支持一个终端同时使用两根天线进行信号发送,即只考虑存在单一上行传输链的情况。所以在当前阶段,上行仅仅支持上行传输天线选择和多用MIMO。
1)上行传输天线选择
为了节省功率和降低射频开销,在终端侧期望使用更小数目的功放。另一方面,为了改善可达到的数据速率和提供更大范围的覆盖,需要使用天线选择技术 [29] 。图2-17给出了终端应用发送天线选择(Transmit Antenna Selection,TAS)方案的框图。
对于不同的双工方式,传输天线选择技术的应用方法不同。
(1)FDD天线选择技术
对于FDD模式,存在两种天线选择方案,即开环和闭环。
① 开环天线选择方案。
开环方案即UMTS系统中的时间切换传输分集方案(TSTD)。在开环方案中,上行共享数据信道在天线间交替发送。这样,可以获得空间分集,从而避免共享数据信道的深衰落(图2-18)。
图2-17 终端应用发送天线选择方案框图
图2-18 开环天线选择方案
开环方案有以下特点。
● 不需要发送用于天线选择的参考信号;
● 在下行不需要发送告知天线选择信息的比特;
● 比闭环方案获得更少的分集增益;
● 适合基于竞争的信道和共享信道使用。
② 闭环天线选择方案。
在闭环天线选择方案中,终端必须从不同的天线发送参考信号,用于在基站侧提前进行信道质量测量。基站选择可以提供更高接收信号功率的天线,用于后续的共享数据信道传输。被选中的天线信息需要通过下行控制信道反馈给目标终端。最后终端使用被选中的天线进行上行共享数据信道传输(图2-19)。
闭环方案有以下特点。
● 需要传输用于天线选择的参考符号。
● 需要在下行方向发送指示天线选择信息的反馈比特。
● 相对于开环方案,闭环方案可以获得更大的分集增益,这是因为对于每一个数据符号块可以选择最优的传输天线来跟踪信道的变化。
● 适用于共享信道。在这种情况下,必须从两根天线上交替地发送用于天线选择的参考信号,以及对应的天线序号,如图2-19所示,注意,当基站知道参考信号的时序时,也可以不需要传输天线序号。
图2-19 闭环天线选择方案
(2)TDD天线选择技术
对于TDD模式,可以利用上行与下行信道之间的对称性。这样,上行天线选择可以基于下行MIMO信道估计来进行。
2)上行多用户MIMO
与下行多用户MIMO不同,上行多用户MIMO是一个虚拟的MIMO系统,即每一个终端均发送一个数据流,但是两个或者更多数据流占用相同的时频资源,这样从接收机来看,这些来自不同终端的数据流可以被看做来自同一个终端上不同天线的数据流,从而构成一个MIMO系统。
与SU-MIMO相比,MU-MIMO可以获得多用户分集增益。即对于SU-MIMO,所有的MIMO信号都来自同一个终端上的天线;而对于MU-MIMO,信号是来自于不同的终端的,它比SU-MIMO更容易获得信道的独立性。
上述MU-MIMO是假设终端只存在一根天线,当终端存在两根或者更多根天线时,可以将MU-MIMO与传输天线选择结合起来使用 [30] ,如图2-20所示。
图2-20 上行MU-MIMO与传输天线选择集合的方案