多用户MIMO标准化进展

1、lte-advanced 中的多用户 mimo的标准化进展焦慧颖工业和信息化部电信研究院【摘要】下行增强mimo是lte-advanced的关键技术之一，文章讨论了 lte r8和r9的多用户mimo的传输模式，并且就 lte-advanced中的多用户mimo的主要问题进行了讨论，比较 了各种可能的导频设计，下行控制信令、反馈及增强的码本设计 方法，探讨了多用户mimo适用的场景以及每个用户支持多于两 个layer的可能性，并介绍了标准化进展情况。【关键词】 多用户mimo lte-advanced 上行反馈增强码本增强的下行mimo是lte-advanced的关键技术之一，相对lte r8

2、,除了将 天线扩展外，述引入了很多优化的机制，如增强的多用户mimo (mu-mimo)o lte r8支持每用户单流的两个用户配对的多用户mimo,码本并不是针对多用户 mimo的最优设计，在全频带反馈预编码矩阵指示(pmi),下行控制信令设计不 足，这些问题影响了多用户mimo的性能，因此lte-advanced考虑增强的多用 户 mimoo本文首先介绍了 lte r8和lte r9中的多用户mimo的基本情况，然后具体 分析了在lte-advanced中引入增强多用户mimo需要进一步考虑的细节问题， 最后介绍了标准化进展情况。1、lte r8中的多用户mimolte r8中的多用户mi

3、mo,通过传输模式5半静态的配置用户处于多用户 mimo状态，并且每个用户只有一个layer,下行控制信令format 1d和多用户mimo 的传输模式相关。总体来说，lte r8中的多用户mimo具有以下特点：(1) 仅限于基于码本的预编码方式，采用的是单用户mimo (su-mimo)优 化的码本，4发射天线配置的粒度是4比特。解调是基于公用参考信号，编码 信息是基站的下行信令指示的。由于没有与其共同调度ue相关的下行信令， 限制了基于ue的干扰抑制/消除的有效性和灵活性。(2) 反馈上报支持的模式有非周期mode 3-1上报和周期mode 1-1和mode 2-1 上报，只支持宽带pmi

4、预编码上报，这种反馈机制在相关性强的天线配置情 况，也就是频率选择性弱的场景下更有用。并u只支持rankl ±报。(3) 尽管r8标准中没有明确的限制在一个资源块上调度多于两个用户，因为 单个的功率偏置比特，实际中最多只能同时调度两个用户。另外，每个ue限 制接收一个layero2、lte r9中的多用户mimolte r9中引入双流波束赋形，基于解调导频(dm rs)端口的设计，定义两 个新的天线端口 port7和port8,定义新的传输模式8和下行控制信令format 2b。(1) lte r9传输模式8支持“有pmi/ri"和“没有pmi/ri”的反馈模式，在 无反馈

5、的情况下，采用发射分集(sfbc)的传输方式，有反馈的时候采用闭 环空间复用的传输方式。(2) 通过format 2b指示dm rs端口和dm rs的扰码初始化id。(3) r8中是高层半静态配置不同的传输模式支持单用户和多用户mimo,而 r9是没有显式的信令来指示是否存在共同调度的用户的，也就是说对用户来 说，不知道自己是否处于多用户mimo状态。lte r9中双流波束赋形的普通子帧dm rs的设计方案如图1所示，采用码分复用(cdm)的方式复用。图1lter9双流波束赋形中的普通子帧dm rs导频图案解调导频的序列定义为:r(m)=加= 0,l,12n芽dl_i伪随机序列发生器在每个子帧

6、初始化为：弘严(|_%/2+ 1)(2"穿+1)2” + %00其中帰d0,1是在dci format 2b中动态配置的，如果没有配置，就假设为0。 这样可以用来在一个小区中支持最大四流的发送。3、lte-advanced 中的多用户 mimo在lte r9双流波束赋形的基础上，lte-advanced述可以对多用户mimo进 行增强，这里从多用户mimo系统中发送和接收端的干扰消除算法的角度，看看 需要对哪些方面进行增强。首先，多用户mimo中发送端的干扰消除算法有迫零(zero forcing)算法， 块对角化(block diagonization)算法等，前提均为需要较为精确

7、的信道状态反馈 信息；接收端的干扰消除算法有最小均方差(mmse)算法和干扰消除(irc) 算法等，均需要知道共同调度ue带来的干扰，这就需要下行控制信令显示或者 隐式的指示与z共同调度的ue信息，并且要求正交的dm rs,从而干扰信息可 以通过检测另外一个配对用户对应的dm rs来获得。由以上分析可以看出，多用户mimo中需要考虑下行信令的设置，参考信号 的设计以及上行反馈及反馈精度等问题，以下对这些问题分别进行阐述。3.1参考信号的设计目前的lte-advanced (r10版本)已经支持ue专用的导频，也就是导频和传 输数据一起进行预编码，并h lte r9双流波束赋形中已经支持共同调度

8、的ue采 用正交导频复用的方法，来获得好的信道估计性能，因此r10中mnk4的导频图 案应该是r9 rank2导频的自然扩展，可以基于cdm或者fdm的结构，来进行干 扰估计和不同资源块上的功率谱密度分配，目前的基准是采用码分复用与频分复 用混合(cdm+fdm)的方式复用。3.2下行控制信令的设计多用户mimo中的下行控制信令可以采用透明和非透明的方式。如果是透明的，从ue角度看，没有显式或者隐式的下行信令指示在同一个时 频资源块上共同调度的其他ues,也不指示空间信号信息的存在，dm-rs的位置 等。这种情况下，接收端不能准确地获得空间信号的干扰信息，用户间的干扰抑 制将变得比较困难，而发

9、送端的干扰消除变得非常必要，而发送端的波束赋形/预 编码信息又取决于信道特性、天线配置、共同调度的用户数目和基站所知道的信 道信息等。如果是非透明的，通过下行控制信令可以显式或者隐式的指示ue与之共同调 度的ue信息，如果能够提供共同调度的ues数量和每个ue的rank数信息，将 有益于接收端采用先进的干扰消除算法来进一步提高多用户mimo性能，而且由 于考虑到了用户间干扰，用户可以反馈更精确的信道状态信息，从而在发送端获 得干扰抑制的增益。这种非透明多用户mimo的缺点是增加了信令开销。3.3单用户和多用户的动态切换由于实际屮动态的流量变化，更适合于多用户和单用户z间的动态切换，以便 在瞬间

10、容量高的情况下，采用多用户mimo,其他情况下采用单用户发送。目前 3gpp支持单用户和多用户的动态切换，不需进行rrc重配置的操作。3.4上行反馈及精度多用户mimo中的上行反馈方式有三种：显式反馈、隐式反馈和基于srs的 反馈。其屮显式反馈的内容包括信道部分和噪声干扰部分，其屮信道部分馈接收 端看到的信道状态，在一个子帧中需要上报信道特性，包括瞬时的信道矩阵hi, 统计的发送信道相关矩阵ri和瞬时信道的主特征值部分，噪声和干扰部分的反馈 可以是噪声和干扰的接收总功率，或者是噪声和干扰的相关矩阵等。隐式反馈同 lter8 样反馈pmi/cqi/rl还有一种反馈方式是利用信道的对称性，终端发送

11、 srs可以用来作为enb进行信道状态信息估计，这种方法在tdd系统中尤为适用。lte r8中的单用户和多用户mimo采用隐式反馈的方法,lte r9釆用透明多 用户mimo (用户不知道自己是否处于单用户mimo还是多用户mimo),并且, 无论tdd还是fdd均支持隐式的反馈方法，以及发射分集的发送方式(无需反 馈 pmi 和 ri)olte-advanced中可以引入显式反馈的方法，也可以对隐式反馈的方法进行增 强。显式反馈可以直接反馈信道信息，或者信道相关矩阵等，隐式反馈可以在反 馈pmi的同时反馈最好配对用户的pmi (bci)和最差用户的pmi (wci),也可 以通过长时信道相关

12、特性的反馈或者通过srs,在基站对pmi反馈的码本进行增 强，cqi/ri反馈增强可以利用预编码的参考符号来进行。下面对其中的几种方法 进行介绍和推导。(1)带有bci的pmi反馈如图2所示，这是一种隐式反馈的方法，也就是扩展pmi的方法。ues基于 公用导频测量信道，并且上报服务小区的最佳pmi,同时上报服务小区所谓的最 好配对用户的pmi (bci),也就是假设两个用户配对后，接收端sinr输出最人 的配对用户pmi信息。ue在假设没有bcis的情况下上报cqi,在使用bcis的 时侯上报差分cqio这种方法可以扩展到多个bcis或者使用最差配对用户的pmi (wci)o0 d 0 0 0

13、 0d d 1d d dd d d d d 叭=bq 11 ndexvtti ght vect or1vv2vy d d图2带有bci的pmi反馈（2）将pmi看作短时的信道估计该方法将终端反馈的pmi近似为信道矩阵，在发送端进行多用户波束赋形算 法，这里以迫零算法为例。对于第/个用户，单用户rankl pmi上报耳，cqi上报为cqi. 0定义为考虑噪声和干扰的映射的能量，每个假设配对的用户，迫零多用户波束赋形为:f = ff2 = vh(vvh这里v11 =|v/y;邓, q是归一化因子（如snr或者是常数）。多用户波束赋形对ue来说是透明的，多用户波束赋形后的cqi通常基站是不知 道的，

14、因此在各个用户反馈cqi后，必须在基站端进行多用户配对后的cqi重计算, 以便选择调整编码方式（mcs）,在特定的波束赋形方案的因子和推测的剩余的用 户间干扰（iui）的情况下，多用户cqi的预测如下式：=cq/|/2x0./|fjir ,s 曲7 l + ce/,/2x/?122/|f2|h2这里九=（vtxw + p/）-1）. cqii是用户1上报的单用户cql（3）显式的反馈信道空间相关信息这种反馈方法是终端反馈给基站空间相关信息/?,定义为：s是载波数，可以是子带载波数，也可以是整个频带或者在载波聚合情况下的单个成员载波数。r是于信道状态信息导频（csi rs）的信道估计得到的瞬间相

15、关。假设的用户配对首先获得预编码矩阵:feigkr.+an,/）-1.fj=ei«rj+an°jiy'rj其中珑是每个用户假设rank b"的主特征向量（如nmkl或者2）,进一步会做功 率的归一化，假设接收机使用最大似然合并（mrc）接收机：丫= f：h：（/耳+ 丹爲+）1叶可11可以获得修改的sinr如下:cqi predict '-ii11/+2m, ii其实这种显式反馈的方法，可以与肓接反馈pmi的方法，并在基站端进行多 用户干扰消除的算法相对应，下面以迫零算法为例，证明两种算法的相似性。如 果pmi反馈的码本可以近似信道状态信息的时候，

16、可以推导如下：1）设4 = pmi反馈，即力产咱;2）通过使用迫零波束赋形算法，获得预编码向量,f f2 = hh（hhh +aiy,这3）归一化到单位发射功率。在平坦衰落信道屮，归一化的迫零波束赋形算法为:hh(hhh +aiyx = hh h + al 尸日丹=(和+冲/22+"/洛|袴=(障包 + aiy /< | (牢人 + aiy1 雋=c, x eig (/ + a/)-1) k2 x eig ()=c x eig(r2 +6z/)_17?1)|c2x eig(r、+ al) r2)这里使用了矩阵求逆的引理，并且假设/?2=/and尺=障说对于假设配对 的用户(ue

17、“，uej),获得预编码矩阵：f严 eigwrj+anmiy'r)巧之以(rj+an°jirj显式反馈信道相关矩阵r,理论上比较直接反馈pmi能提高系统的性能，但 是反馈量较人，需要进行量化，量化精度的不同会影响系统的性能。3.5增强的码本码本的设计应该是匹配信道特性的，为了简单起见，码本必须在不同的衰落环 境中(如郊区、市区宏小区和市区微小区等)，不同天线间隔(如0.5波长和4波 长)，不同天线图案和不同极化情况下，均能有效地量化信道状态信息。另外码本 也需要满足恒模特性、有限字符和嵌套特性，这使得码本的设计变得极为复杂。作为直接的结论，r8的码木设计就是这些因素的一个折中

18、，而且多用户mimo和 单用户mimo采用相同的码本设计方法。lte-advanced中为了支持8根发送天线，空间维度从4增加到8,很自然地需 要增加反馈比特來代表更高维度，另外在多用户mimo的情况下，所有的期望信 号功率和不期望的干扰功率都受码本设计所影响，很自然的就需要考虑到反馈精度的增加。为了达到码木设计的优化和反馈开销尽量小之间的折中，3gpp ran1会议中，提出了一些不同的码本设计方法。(1) 自适应的码本设计一种解决方法是选择一个固定的4比特的8天线码本，实际的码本可以是这个 码本的变换，这个变换是由空间信道相关性决定。自适应码本的设计首先要一个 固定的基准码木wbase,而新

19、的码木如下：wncw = normalize ( r x wbasc),normalize是将每列都归一化为1,新码木和基准码木的维数一致。(2) 可下载的码本设计基站根据不同的情况通知终端所使用码本的范围，终端在此范围内进行选择; 也可以终端收集所有的码本集合，基站通知ue所需使用的码本，这种情况能够得 到开销和性能之间的折中，但是对于终端存储量的要求较高。(3) 差分的码本结构类似于lte r8中使用差分的方案来降低cqi反馈开销，这种码本结构利用时 间和频率的相关性来降低信道反馈的开销，提高csi上报的精度。由于当基于信 道量化的差分码本用作时间域，错误传播较为严重，建议在频域使用差分码

20、本， 如采用结合宽带pmi反馈每个子带的差分pmio3.6多用户mimo适用的场景对多用户mimo适用的场最也有一些讨论，如图3所示，多用户mimo更适 合用于相关性强，也就是频率选择性弱的场景下，在这种情况下，即便反馈宽带 pmi也不会很严重的影响多用户性能。非相关图3多用户mimo的适用场景分析这是因为如通过短吋非相关信道维度（如极化之间）在空间上分离多个ues 问题很多，原因有以下几点。（1）鲁棒性差：非相关信道维度的空间特性变化迅速，并且难以精确地跟踪。（2）干扰消除：即便是在低速ue的情况下，基站不能有效地抑制所有流间 干扰。调度这种干扰流给终端带來严重的干扰抑制需求。（3）更好地分

21、配给相同的ue：在非相关信道维数上更适合给单用户mimo （如多个并行流分配给相同的ue）,而多个ues可以复用在的相关信道维数上。因此单个ue可以有效地抑制流间干扰，通过最小均方差（mmse）均衡或者更加 先进的串行干扰消除（sic）接收机。3.7多用户mimo支持多个layer如果在ue侧使用双极化天线，为了达到总体吞吐量，可以一个layer通过垂 直极化发送，另外一个layer通过水平极化发送，实际上，r9中已经支持每个用户 两个layers,两个用户进行配对。一个用户支持多于两个layers,需要很高的sinr 以及很好的空间分离特性来避免过多的多用户干扰，但是在发送功率是恒定的情 况

22、下，多个用户共享功率将带來每个用户更低的sinr,而且很好的空间分离特性 （适合多用户mimo传输）和丰富散射环境的高阶空间复用（适合多个layer传输） 是矛盾的。4、多用户mimo的最新标准化进展3gppran1对多用户mimo进行了广泛而深入的讨论，目前确定了支持单用 户mimo和多用户mimo z间的动态切换，已有的结论有：（1）明确了透明多用户mimo指的是没有下行信令指示用户处于多用户mimo状态。经过讨论关于两种方式没有达成进展，对于非透明的情况，进一 步指出了可能需要考虑的下行信令，包括：其它用户使用的port,以及功率偏 移信息。（2）确定了单用户mimo需要将r8的反馈扩展到8天线配置，cqi/ri 的计算是假设基站将上报的码本作为推荐码本使用。如果至少在mu mimo 中有足够的性能增益，支持增强的空间反馈精度。多用户mimo的增强与反 馈的增强有关，并且为单用户mimo定义的反馈方法也可以应用到多用户 mimo 中。（3）在设计下行控制信令和dm rs的过程中，假设多用户mimo满足以下条件：1. 共同调度用户数目不超过4个2. 2个正交dm rs端口支持每个用户不超过两个layers的发送3. 多用户传输中支持总共不超过4个layers的发送参考文献1r1-093842discussion on dl mu-mimo in lte-advanced hu