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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 （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。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方案的结合映射到独立的子载波上，即 （2）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eNode 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 （3）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）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1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OFDM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。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 （4）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。，其中N是FFT大小，是采样延迟。在LTE中，对于2、3和4层传输值的大小分别为、2/3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 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.1691-1706, 2003(7).33GPP Technical Specification 36.211.E-UTRA physical channels and modulation (Release 8)..4M. Realp, A.I.P., R. Knopp. Delay Bounds for Resourse Allocation in Wideband Wireless System