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LTE 系列:多天线技术(MIMO)

LTE 多天线技术(MIMO)详解

多天线技术(MIMO)

在收到信道编码后的数据(codeword)之后,物理层进一步的处理过程包括加扰调制层映射预编码(precoding)以及针对各个物理天线端口的资源映射OFDM 信号生成的过程。

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物理层数据处理过程
  • 加扰操作是指使用扰码对经过信道编码后的数据进行逐比特的加扰,实现数据间干扰的随机化。采用伪随机码作为扰码,在每个子帧的起始位置,根据 RNTI(Radio Network Temporary Identifier)、Cell IDCodeword 的编号以及无线帧内的时隙编号等信息,对扰码的 PN 序列 进行初始化。
  • 调制指的是对比特数据进行复数调制,包括 QPSK16QAM 或者 64QAM

在完成调制后,物理层的基带处理过程将进行 MIMO 相关的处理,包括 层映射预编码 。LTE Release 8 版本支持不同的发射天线数目(1 / 2 / 4),以及多种不同的 MIMO 方案,包括单天线发送空间复用发送分集

层映射

层映射实现信道编码之后的码字(Codeword)向空间多天线形成的多个(layer)之间的映射。

  • 对于单天线的情况,直观地可以得到:物理层使用 1 个码字,并且这个码字直接映射到单天线的 1 个层上
  • 对于多天线实现空间复用的情况,当空间复用的层数目大于 1 的时候,可以同时发送 2 个码字

以 4×4 天线配置的情况为例,根据无线信道的情况可以支持 1、2、3 或者 4 个层的空间复用,当空间复用的层数目大于 1 的时候,可以将 2 个码字映射在这些层上采用空间复用的方式同时进行发送。对于发送分集的情况,使用 1 个码字,按照发送天线数目的不同(2 或者 4),对应于 2 或者 4 个层,此时这 1 个码字将以逐比特转换的方式映射到这些层上。

预编码

预编码(precoding)实现物理天线端口映射。物理层使用不同的预编码方案,实现不同的 MIMO 模式:单天线发送空间复用或者发送分集

单天线发送

对于单天线发送的情况,直观的可以得出,1 个将直接映射到 1 个物理天线端口上。

空间复用

对于多天线实现空间复用的情况,LTE 中采用基于码本(codebook)进行预编码向量选择的机制,分为开环闭环两种复用传输模式,分别采用无循环延迟的预编码大循环延迟的预编码

在 2 个发送天线的情况时,基站一般使用线性阵列(Uniform LinearArray,ULA)的天线配置,因此,相对应地采用基于 DFT 正交距阵的码本设计方法。

  • 对应于 1 个的传输,设计了 4 个可供选择的预编码向量
  • 对应于 2 个的传输,设计了 3 个可供选择的预编码向量。
  • 对于 4 个发送天线的情况,天线的部署要更为复杂,实际情况下可能不使用线性阵列的天线配置,而采用例如双极化天线 所以,基于对各种场景下的性能和复杂度等因素的综合考虑,选择了采用基于 householder 变换 的码本设计方法。对应于 1/2/3/4 个的传输,均有 16 个可供选择的预编码向量。

预编码向量选取常用的两个准则:

  • 信噪比最大化,对应于容量最大化。将每个可选择的项代入,得到一个等效信道矩阵,计算等效信噪比,选择对应 SNR 最大的向量元素。
  • 最小码距,对应于最小误码率。计算信道信息给出的加权矩阵与码本中元素的距离,选择距离最小的作为预编码向量。

无循环延迟的预编码用于闭环的 MIMO 空间复用。闭环模式下,终端通过对下行信道状态的测量选择适当的空间复用的层数目,并且从码本集合中选择预编码向量,分别表示为 RI(Rank Indicator)和 PMI(Precoding Matrix Indicator)的形式通过上行链路反馈给基站。基站根据这些信息进行预测,确定随后的下行发送中将采用的空间复用方案(包括采用的层数目和预编码向量)。

大循环延迟的预编码用于开环的 MIMO 空间复用。开环模式下,终端不再向基站反馈预编码向量 PMI 的信息,但仍可以根据基站的配置测量并且反馈下行信道的 RI 信息,即空间复用的层数目。基站根据终端上报的 RI 信息或者自行确定的层数目,选择在下行发送中所采用的预编码方案,包括采用发送分集,或者空间复用以及相应的层数目。

在开环空间复用中,采用的预编码向量是固定的。

  • 在使用 2 个发送天线的情况下
    • 当选择层数目 RI=1 时,采用发送分集的预编码方案。
    • 当选择 RI=2 时,采用对应码本的第一个元素,即 $W(i)=\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{bmatrix}1&0 \\ 0&1\end{bmatrix}$ 作为预编码向量。
  • 在使用 4 个发送天线的情况下
    • 当选择层数目 RI=1 时,采用发送分集的预编码方案
    • 当选择 RI=2/3/4 时,采用对应的码本,以发送时刻为单位,固定的循环使用码本中序号为 12/13/14/15 的元素作为预编码向量。

对于大循环延迟的预编码,除了预编码向量 $W (i)$ 之外,有两个用于完成循环延迟(Cyclic Delay Diversity,CDD)功能的矩阵,即 $U$ 和 $D (i)$。

假设层数目为 v,那么这两个矩阵的大小都是 $v×v$ 的,其中

  • $U$ 是 DFT 矩阵,通过对输入信号进行 DFT 变换实现虚拟天线的映射,将每个层的信号能量均匀地分布在虚拟天线上
  • $D (i)$是 CDD 矩阵,实现虚拟天线间增量为 $\frac{1}{v}$ 的时延。

发送分集

对于多天线实现发送分集的情况,分别采用 SFBC(Space Frequency Block Codiing)和 SFBC+FSTD(Frequency Switched Transmit Diversity)的方案支持 2 和 4 个发送天线的场景。

  • 在 2 个发送天线时,使用 SFBC 的发送分集方案,实现“层”到物理天线映射的预编码操作。
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SFBC 发送分集
  • 在 4 个发送天线时,使用 SFBC+FSTD 的发送分集方案。相应地,实现层到物理天线映射的预编码操作可以表示为下图所示的形式,即 SFBC 结合 FSTD 在天线间频域的位置转换。
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SFBC+FSTD 发送分集

参考

  • [1] LTE-Advanced 关键技术详解