MIMO模式自適應及其性能驗證*

許 寧

（中國移動通信有限公司研究院無線技術研究所 北京100053）

1 引言

MIMO技術與OFDM技術的結合，構成了下一代無線通信系統頻譜效率大幅提升的基礎。TD-LTE的時分雙工（TDD）特性，使其不僅可以適配非對稱頻譜，根據上下行業務需求進行靈活配置，更重要的是具有上下行信道狀態互易性，為MIMO技術的應用提供了極大便利。MIMO技術是空間分集、空分復用（SM）、波束成形（BF）等多種信號處理技術的統稱，不同的MIMO技術可為無線傳輸提供不同的增益。TD-LTE協議在下行規定了多種MIMO傳輸模式（TM），例如在3GPP R8協議中定義了用于發送分集的TM2，用于空分復用的TM3、TM4、TM5、TM6以及用于單流波束成形的TM7[1]；在R9協議中增加了用于雙流波束成形的TM8[2]；而在R10及后續版本中，新增了用于多流波束成形等更復雜的MIMO技術。在不同的無線傳播環境、干擾情況和覆蓋范圍下，上述各類MIMO傳輸模式都有其適用的信道條件。TD-LTE系統可以根據不同情況，在各MIMO模式間動態切換，使MIMO技術更加“智能”，從而進一步提升系統性能。

理論上，如果發送端（基站）可以獲得實時的信道狀態和干擾信息，則可以根據頻譜效率最大化等原則，進行最優的MIMO模式自適應。而在實際系統中，獲取實時且完整的信道信息往往造成過高的系統開銷。因此，如何利用有限方式，獲取那些可以最大程度利用自適應帶來系統增益的信道信息，是MIMO模式自適應研究需解決的首要問題。

MIMO技術在理論上已經得到了深入研究，并在實際系統中得到了廣泛應用[3]，但關于MIMO模式自適應的研究并不多，且其中大多集中在頻分雙工（FDD）系統[4]。本文將對TD-LTE系統的MIMO模式自適應進行介紹，重點關注的是TDD系統特有的波束成形TM7和TM8與其他模式的自適應切換。根據實際系統可提供的信道信息獲取手段，筆者分析并給出了必要的輸入信息、獲取方法及相應的MIMO自適應算法。為評估自適應算法的合理性，進行了性能驗證試驗。

2 MIMO模式和自適應算法

MIMO技術是指參與通信的兩端采用多個天線進行數據收發的技術。由于物理上多天線的使用為信號傳播和處理新增了“空間”這一維度，使通信的可靠性和效率得到大幅提升。根據MIMO技術為通信系統提供的3類增益將其分為3類。

·空間復用技術：利用空間維度，在同一時頻資源上傳輸多路不同的信號，利用空間特征在接收端或發送端將不同信號區分開來，形成“多流”傳輸，從而提高單位時間和單位頻率上的傳輸速率，即提供復用增益。

·波束成形技術：通過對發送或接收的各天線信號進行實時加權處理，形成成形波束“指向”目標用戶，還可以對無用信號進行干擾抑制，達到提高鏈路質量的效果，即提供成形增益。

·空間分集技術：類似于通信系統中經常采用的頻率分集或時間分集，利用多個天線上信號衰落的不相關性，降低了所有信號都受深衰落影響而不能正常接收的可能性，從而提高無線鏈路的可靠性，即提供分集增益。

除用于單用戶鏈路外，MIMO技術還可以將多個用戶復用在同一時頻資源上進行傳輸，即MU-MIMO模式，因篇幅所限，本文重點關注下行的單用戶MIMO技術。

2.1 TD-LTE中的MIMO模式

在LTE協議中，根據下行物理業務信道（PDSCH）所用MIMO技術的不同，定義了不同的傳輸模式。網絡通過RRC信令告知終端當前PDSCH采用的MIMO模式和相關配置參數，終端則進行相應的信號處理和接收。除單天線模式TM1外，R8協議版本定義了TM2（發送分集空頻分組編碼（SFBC））、TM3（開環空分復用）、TM4（閉環空分復用）、TM5（閉環MU-MIMO）、TM6（閉環單流）、TM7（單流波束成形）共6種MIMO傳輸模式。R9版本新增了TM8（雙流波束成形）。

TM4、TM5、TM6為基于碼本的閉環傳輸模式，即協議規定有限的預編碼碼本（相當于量化后的空間信道信息），基站根據終端反饋的碼本編號（PMI），進行碼本的選擇和預編碼處理。這幾種模式在目前的TD-LTE系統中應用很少，因此本文未予考慮。TD-LTE具有TDD系統的上下行無線信道相關互易的特性，直接通過上行參考信號可以估計下行信道狀態，省去了終端反饋開銷，更容易實現開環的TM3、TM7、TM8。TD-LTE協議支持2天線端口和4天線端口的MIMO傳輸，這里以廣泛采用的2天線端口系統為基礎，重點介紹TD-LTE采用的TM2、TM3、TM7和TM8。

（1）發送分集（TM2）

LTE系統采用時頻塊編碼（SFBC）實現空間發送分集。SFBC將兩個連續的調制符號Si和Si+1映射到兩個連續的子載波上，在天線端口0發送；而在天線端口1，則將上述兩個符號進行處理和翻轉，在同樣的兩個子載波上，發送符號-S*i+1和S*i。SFBC不需要發送端獲知信道信息，而接收端只需簡單的線性合并，就可以獲得分集增益。

除TM2采用SFBC外，其他MIMO模式（TM3～TM8）在本模式都可以回退到SFBC。這一設計是為了在不改變傳輸模式的情況下，由物理層信令指示傳輸方式快速切換到SFBC，避免了由RRC信令控制傳輸模式切換帶來的開銷和時延。

（2）開環空分復用（TM3）

在發送端沒有信道狀態信息的情況下，可以使用開環的預編碼實現空分復用，即用TM3同時傳輸兩個不同的數據流。對于第i個子載波，TM3的預編碼矩陣為：

該矩陣對第二個天線端口的頻域信號進行了相位旋轉，相當于時域上的循環時延發送（CDD）[5]。相比TM2發送分集，TM3的頻譜效率翻倍。

（3）單流波束成形（TM7）

R8協議定義了TM7以及下行專用導頻DRS和上行參考信號（SRS）實現單流波束成形。所謂單流是指在多根發送天線上傳輸同一數據流x（TD-LTE的基站物理天線采用4對交叉極化天線，即8個物理天線）。首先，基站通過檢測終端在上行發送的SRS估計下行信道矩陣H；然后，根據H計算預編碼矩陣w，對x進行預編碼處理。理想情況下，發送端對H進行SVD分解，即H=UΣVH，獲得發送端預編碼矩陣w=V，并采用water-filling功率分配；而接收端用矩陣UH進行接收，可以最大化MIMO信道容量。然而，實際系統中終端大部分并不支持天線選擇性發送技術[6]，即只用單天線發送SRS，這樣基站獲得的信道為一向量h={h1，h1，…，h8}，最優的預編碼矩陣為w=h*/||h||，即最大比發送。理論上，N根發送天線可以獲得10lgN dB的成形增益。實際中，由于信道估計誤差和功率分配限制等因素，成形增益一般低于理論值。

TM7具有成形增益，可提高鏈路質量，但只能單流發送；TM3的雙流發送提高了頻譜效率，但無成形增益。為同時獲取成形增益和復用增益，R9協議針對TD-LTE系統的特點，增加了TM8。

（4）雙流波束成形(TM8)

TD-LTE中，基站的8個發送天線和終端的2個接收天線組成一個2×8的信道矩陣，理論上最多可以傳輸兩路不同的數據流。R9協議定義了新的專用導頻信號(DMRS)，同一用戶可分配兩個正交的DMRS，使終端可以估計兩流的信道，從而實現雙流傳輸。理論上最優的預編碼矩陣可由上述SVD分解方式獲取，但實際應用中，因復雜度因素和SRS單天線發送等限制，往往采用其他次優的預編碼方式。由于TM8的預編碼矩陣是2×8的，相比TM3的2×2預編碼矩陣，每流信號可以利用多出的3個發送空間維度來獲取成形增益，因此，TM8可以同時獲取復用增益和成形增益。需要指出的是，TM8的DMRS占用了比TM3所用的通用導頻信號（CRS）更多的子載波，在接收信干噪比（SINR）足夠高時，受限于調制編碼方式的上限，成形增益不能帶來性能提升，而導頻開銷反而使TM8的峰值速率略低于TM3。

注意TM8模式也包括單流波束成形，除專用導頻不同外，基本原理和性能與TM7單流是一樣的。

2.2 MIMO模式自適應

MIMO技術所提供的增益依賴于無線信號的“空間”特性。無線信道環境的不同，加上LTE系統采用的自適應調制編碼（AMC）技術，會導致上述各個天線模式的性能增益不同。例如，雖然空分復用可以成倍提高系統容量和頻譜效率，但并非在任何環境下都可以使用：在SINR較低時，空分復用的流間相互干擾嚴重，每流的有效SINR很低，只能采用低階的調制編碼（MCS）方式，性能反而不如采用單流MIMO和較高階的MCS。除不同用戶的信道特性不同外，對于移動用戶，其信道環境也經常發生變化。因此，需根據信道特性選擇合適的傳輸模式，并根據信道特性的變化而切換模式，即MIMO模式自適應，以使網絡性能最優。

與MIMO技術密切相關的信道特性包括接收信號質量和信道空間相關性。接收信號質量由大尺度衰落和干擾情況等因素決定，而信道空間相關性則與發送和接收天線的相關性、多徑衰落、有無直射徑等因素相關。MIMO模式與信道特性的關系可歸納如下：

·TM3雙流適用于高SINR、低空間相關的環境，獲取空分復用增益；

·TM8雙流適用于高SINR、高空間相關的環境，獲取空分復用和波束成形增益；

·TM7波束成形適用于低SINR、高空間相關的環境，獲取成形增益；

·TM2（或其他模式的SFBC子模式）適用于低SINR或信道變化較快的高速移動場景，獲取較穩定的分集增益。

TD-LTE系統的下行信道信息有以下兩種獲取方式。

·通過終端反饋（CQI和RI）：CQI為終端根據自身接收信噪比和接收機能力估計的調制編碼等級，可以反映接收信號質量；RI為信道矩陣的秩數，表示了信道的空間相關性。

·通過上下行信道互易性：如果終端支持上行選擇性輪流發送，則基站可以通過上行SRS信號估計信道空間相關性（即信道矩陣的秩數）。需要指出的是，由于下行干擾的存在，不能采用上行SRS估計下行的接收信號質量。若終端只用單天線發送SRS，雖不能估計秩數，但仍可估計單流波束成形的可能增益以及信道變化的快慢，這也是MIMO模式自適應需考慮的因素。

綜合考慮上述可用的信道信息和MIMO模式的適用特點，筆者給出TD-LTE的MIMO模式自適應算法，如圖1所示。在實際網絡中，R8協議終端為TM2/3/7模式自適應，R9協議終端則采用TM2/3/8自適應。為統一描述算法，下面將TM2和其他MIMO模式的SFBC子模式統稱為SFBC，TM3和TM8的雙流模式統稱為空分復用（SM），TM7和TM8的單流模式統稱為單流BF。算法根據終端上報的CQI和RI以及基站通過SRS估計的成形增益和信道變化速度，在SFBC、SM和BF間進行自適應切換。

圖1 MIMO模式自適應

·SFBC和SM：工作在SFBC模式時，當終端上報RI=2的次數達到一個門限，且CQI高于門限CQI_SFBC2SM時，切換到SM模式；而工作在SM模式時，當終端上報RI=1的次數達到一個門限，且CQI低于門限CQI_SM2SFBC時，切換到SFBC模式。

·SM和BF：工作在SM模式時，當終端上報CQI低于門限CQI_SM2BF時，切換到BF模式；而工作在BF模式時，當終端上報RI=2的次數達到一個門限，且CQI高于門限CQI_BF2SM時，切換到SM模式。

·BF和SFBC：工作在BF模式時，當基站估計的成形增益低于門限值（可設為3 dB），且不滿足切換到SM模式的條件，則切換到SFBC模式；另外基站估計的信道變化速度較快，例如等效信道速度超過90 km/h，則切換到SFBC模式；而工作在SFBC模式時，當基站估計的成形增益高于門限值，且不滿足切換到SM模式的條件，則切換到BF模式。·支持R9協議的終端，還存在TM8雙流SM和TM3雙流SM間的切換：基站根據估計的成形增益，計算兩種模式下的MCS以及頻譜效率，若TM8 SM下的頻譜效率高于TM3 SM，則切換到TM8 SM，反之則使用TM3 SM。

如前面指出，模式間切換需要RRC信令配置，以秒為單位，時延較大，而模式內切換可以每毫秒配置，因此TM2一般用于初始接入階段，其他時間根據終端版本能力不同，進行TM3/7切換或TM3/8切換。

3 性能驗證

為評估考慮上述因素的多天線模式自適應算法是否合理有效，筆者進行了相關試驗驗證。

首先，驗證TM2/3/7自適應算法是否合理有效。由于自適應的目的是在各種不同的信道條件下都能使用最優的MIMO模式，那么合理性可以通過對MIMO模式自適應的性能與固定MIMO模式的性能進行比較，如果MIMO自適應的性能在各種環境下相比任何固定模式都是最優的，就可以驗證自適應算法的合理性。

實驗采用了真實TD-LTE基站設備、終端和商用信道模擬儀，使用不同信道模型和不同SNR，在單用戶占用20 PRB下，對各種MIMO模式的下行PDCP層吞吐量性能進行了比較，結果如圖2所示。從結果可以看到，模式自適應TM3/7在各個信道模型和SNR下的吞吐量，都是各固定MIMO模式可獲得吞吐量的最優值，因此，該自適應算法是合理有效的。

其次，對TM3/8自適應在外場環境下進行了試驗驗證。外場試驗可更準確地反映自適應算法的能力，通過對比TM3/7自適應與TM3/8自適應的性能，驗證TM3/8自適應是否能合理地在TM3雙流、TM8單流、TM8單流間進行選擇，試驗結果如圖3所示。在單用戶試驗中，分別將終端放置在距離基站的不同位置（即圖3（a）中的極好、好、中、差點，其接收SINR依次下降），進行下載業務，比較下行吞吐量性能。從結果看到，TM3/8自適應下，在基站近旁的信號質量極好點，算法采用了TM3，避免了TM8導頻開銷問題，可以獲得最高峰值速率；在小區內部的好點和中點，信號質量中等處，由于波束成形增益，選擇TM8雙流，性能要好于TM3雙流；在小區邊緣，信號質量較差處，無法進行雙流傳輸，此時算法選擇了TM8的單流，性能與TM7單流相當。還進行了多用戶試驗，即在極好點、好點、中點、差點各放置2、8、6、4部終端（共20部終端），同時進行下載業務。結果顯示TM3/8自適應相比TM3/7自適應可將小區吞吐量提升20%，如圖3(b)所示，該增益主要來自TM8雙流所帶來的性能優勢。

4 結束語

MIMO模式自適應是TD-LTE系統中提高頻譜效率和用戶體驗的重要技術。本文在對MIMO模式進行簡要回顧的基礎上，重點分析了MIMO模式自適應需要的信道信息獲取方式以及利用這些信息的自適應算法。通過測試驗證了自適應算法的性能和合理性。結果顯示，MIMO自適應可以適配變化的無線傳播環境，選擇最優的MIMO模式進行數據傳輸，對系統性能有明顯提升。

TD-LTE除支持本文重點討論的單用戶MIMO模式外，還支持多用戶MIMO模式。單用戶和多用戶MIMO模式之間的自適應，除這里討論的幾種信道信息外，還需要考慮用戶間信道的相關性和業務需求等因素，有待進一步研究。

1 3GPP Technical Specification 36.211.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation(Release 8.9.0),Dec 2009

2 3GPP Technical Specification 36.211.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation(Release 9.1.0),Mar 2010

3 Hottinen A,Kuusela M,Hugl K,et al.Industrial embrace of smart antennas and MIMO.IEEE Wireless Communications,2006,13(4):8～16

4 Shubhodeep A.Downlink transmission mode selection and switching algorithm for LTE.Proceedings of the Third International Conference on Communication Systems and Networks(COMSNETS),Bangalore,India,2011

5 Li Y,Chuang J,Sollenberger N.Transmitter diversity for OFDM systems and its impact on high-rate data wireless networks.IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1999,17(7):1233～1243

6 Mehta N B.Antenna selection in LTE:from motivation to specification.IEEE Communications Magazine,2012,50(10):144～150