LTE-Advanced MIMO增強技術研究

張 翔，李文宇，宋麗娜，李 星

（工業和信息化部電信研究院通信標準研究所 北京100191）

1 引言

隨著移動互聯網的發展，人們更加重視無線數據業務的體驗，運營商對無線網絡的關注重點逐漸從語音覆蓋轉向數據頻譜效率。國內的3家運營商采用3種不同的3G移動通信制式，其中以中國聯通采用的寬帶碼分多址接入（WCDMA）技術傳輸速率最高，下行峰值速率高達42 Mbit/s。但因為大數據多媒體業務對數據傳輸的要求越來越高，3G網絡已經不能滿足運營商的需求。從2009年建造第一個長期演進（LTE）網絡開始，韓國、日本和美國等國家已經全面商用4G系統[1]。2013年12月4日，工業和信息化部向中國移動、中國聯通和中國電信同時頒發時分雙工LTE（TD-LTE）的運營牌照[2]。TD-LTE作 為4G技術的重要分支，不需要成對的頻譜資源，能夠適應不對稱的上下行業務特性，且時分雙工方式可以充分利用信道傳播的上下行互異性，采用波束成形技術獲得分集增益和陣列增益，提升網絡頻譜效率和邊緣覆蓋[3]。TD-LTE的下行峰值速率能達到110 Mbit/s。

LTE-Advanced從3GPP R10版本協議開始，形成了載波聚合（CA）、多點協作（CoMP）、中繼（relay）、增強的小區間干擾協調（eICIC）和MIMO增強5個關鍵技術。由于物理層基本傳輸技術并沒有改變，相比從CDMA到LTE的“革命”，LTE到LTE-Advanced的發展可以認為是平滑“演進”。

載波聚合通過使用多個載波段的時頻資源，能夠成倍地提升系統的傳輸速率，特別是在頻譜資源日益緊張的今天，通過將一些頻譜碎片聚合，有效地利用這些頻譜傳輸數據。為了增加LTE系統的覆蓋半徑，改善小區邊緣用戶的使用體驗，3GPP從R10版本開始引入CoMP技術，并在R11版本進行了完善。CoMP技術將多個基站的天線進行聯合處理，在上行和下行獲得多天線增益。但經過國際國內運營商和設備商的多輪研究和討論，目前CoMP最適合使用的場景是上行基站天線較少的場景。為了增強覆蓋，中繼技術在LTE基站和終端之間引入了新的節點，通過對基站和終端傳輸信號的轉發增強，提升接收端有用信號的接收功率。隨著網絡拓撲的日益復雜，同一片區域內可能有宏小區、小小區、微小區等，同頻組網時小區間的干擾變得異常嚴重，eICIC技術可以優化終端移動性和協調相鄰小區間的傳輸資源，減少同頻小區間干擾。

LTE-Advanced對MIMO的增強主要體現在針對上行和下行分別增加1種傳輸模式，下行最大支持4流傳輸，上行最大支持2流傳輸。目前韓國運營商的發展最為迅速，2014年已經率先把LTE網絡升級到LTE-Advanced，支持兩載波聚合技術，下載峰值速率提升至150 Mbit/s，通過實際商用網絡展示了LTE-Advanced系統的巨大優勢。

2 下行MIMO增強

2.1 LTE下行MIMO技術對比

LTE階段定義了8種下行多天線MIMO傳輸模式（transmission mode，TM）：單天線發送（TM1）；發射分集（TM2）；循環時延分集（TM3）；閉環空間復用（TM4）；多用戶MIMO（TM5）；單層閉環空間復用（TM6）；單流波束成形（TM7）；雙流波束成形（TM8）。發展歷程如圖1所示。

圖1 下行MIMO傳輸模式發展歷程

其中，TDD實際網絡中使用最多的是TM2、TM3、TM7和TM8這4個模式。對于R8版本的LTE網絡，一般配置為TM2/TM3/TM7自適應；而對于R9版本的LTE網絡，一般配置為TM2/TM3/TM8自適應。信道條件較好的終端，網絡配置為TM3雙流復用傳輸，獲得下行傳輸峰值速率。

作為LTE R9版本引入的新傳輸模式，TM8通過對上行信道估計進行奇異值分解獲得下行預編碼，采用波束成形技術傳輸雙流。因為TM8需要更多的控制和參考信號，峰值速率會略低于TM3，但在信噪比區間中段，TM8的傳輸速率高于TM3。當終端移動到信道條件較差的環境中時，雙流傳輸的流間干擾會引入較大的誤塊率（BLER），所以基站會把下行傳輸從雙流降至單流，傳輸模式從TM3或TM8變為TM2或TM7。在有直射徑、終端運動速度較慢的場景，因為波束成形增益，TM7的性能優于TM2。當終端與基站間存在較多遮擋或終端的運動速率較快、多普勒頻移較大時，分集增益大于波束成形增益，TM2的性能優于TM7。

從預編碼方式區分，TM2和TM3采用基于碼本的方式，TM7和TM8采用基于非碼本的方式。不同于TM4，這4種傳輸模式都不需要終端反饋預編碼序號。TM2和TM3使用小區公共參考信號（CRS）進行信道測量和數據解調，但CRS不經過波束成形預編碼，所以在TM7和TM8波束成形場景，CRS傳輸增益明顯小于數據部分，不能作為終端解調數據的依據。因此，引入經過波束成形預編碼的用戶專用參考信號（DRS），用于TM7和TM8的數據解調。LTE階段的終端能力等級分為5級，最高支持下行4層并行傳輸，LTE階段MIMO的傳輸端口數最大為4。目前絕大多數基帶芯片僅支持能力等級3，少數芯片支持能力等級4，所以現有LTE基帶芯片的MIMO傳輸模式最大僅支持2端口。

2.2 LTE-Advanced下行MIMO技術增強

LTE-Advanced階段，3GPP在下行引入了一種新型的MIMO傳輸模式——TM9。TM9可以采用基于非碼本和碼本兩種預編碼方式。

·基于非碼本的TM9，使用與TM8相同的波束成形技術，即利用TDD系統上下行信道的互異性，通過上行信道估計得到下行預編碼，無需UE反饋預編碼矩陣。在下行2層和4層傳輸的配置下，TM9和TM8的性能完全相同。但作為LTE-Advanced新增的MIMO模式，TM9支持最大8層傳輸（能力等級8），峰值速率遠高于TM8。

·基于碼本的TM9，與TM4類似，通過測量下行參考信號，終端側從協議規定的碼本中選擇預編碼增益最大的碼本，然后反饋給基站。TM4測量的參考信號為CRS，CRS跟天線端口相關，當天線數增加時，用于承載CRS的RE數量也要增加。

4 天線情況下，每168個資源元素（resource element，RE）（每個物理資源塊（PRB）內資源元素的總數）中要有24個用作CRS。在LTE-Advanced系統中，若仍使用CRS進行信道探測，8天線的導頻開銷升至每個物理資源塊內占用48個RE，占用資源高達28.5%，所以CRS的方式在LTE-Advanced中是不可取的，需要設計新的導頻以支持更高階的MIMO。在3GPP RANI#55次會議上，各公司分享了高階MIMO情況下的下行參考信號設計方案，一致同意在LTE-Advanced R10版本協議中增加一種新的參考信號——信道狀態指示參考信號 （CSI-RS）。類似于CRS，CSI-RS也是全帶寬周期性發送，但發送密度要遠遠低于CRS，每個天線端口下每個PRB內只占用1個RE的資源。

不同于TM4，基于碼本的TM9因為要支持8個天線端口，使用CSI-RS進行下行信道測量并計算預編碼。當基站配置為2天線或4天線端口時，基于碼本的TM9相比TM4并沒有性能增益，并且由于TM9需要下行發送CSI-RS而占用了物理資源，TM9的下行平均吞吐量甚至可能低于TM4。當基站天線端口數增加到8根時，基于碼本的TM9支持CSI-RS 8天線端口測量，可以計算并反饋比TM4更精細的8天線碼本，因此基于碼本的TM9的平均吞吐量優于TM4。

3 鏈路級仿真

3.1 仿真假設

為了更好地評估新引入的下行TM9的傳輸性能，根據3GPP協議規范[3～5]，搭建鏈路級仿真平臺，評估基于碼本和非碼本的TM9在擴展空間信道模型（SCME）下的平均吞吐量。2013年12月4日工業和信息化部發布4G牌照，中國移動獲得頻段39和頻段40的全部頻譜資源以及頻段41（190 MHz）中的60 MHz（2 575～2 635 MHz）[6]。其中，頻段40因為與其他系統存在干擾，僅在室內使用；頻段39的部分頻譜資源已經用于3G網絡，即時分雙工—碼分多址接入（TD-SCDMA）系統。因此室外覆蓋主要使用頻段41，仿真中假設系統的中心頻點為頻段41的2 600 MHz，系統帶寬為20 MHz。

為了復用TD-SCDMA系統的8天線陣列，基站配置8根天線，在采用基于非碼本的TM9時，天線端口數為2；在采用基于碼本的TM9時，天線端口數為8。終端因為設備體積和成本，上行采用單天線發送。基于非碼本的TM9需要利用上行8×1的信道沖激響應，根據參考文獻[7]提出的方法映射為下行8×2的信道，然后對此信道進行矩陣奇異值分解，得到下行波束成形預編碼矢量。仿真中假設上下行配置1，特殊子幀配置7，即上下行子幀比例為2∶2。基站下行發送數據使用自適應編碼調制技術，根據當前的信道質量選擇相應的調制編碼方式，提升頻譜效率。如果物理層傳輸出現錯誤，使用混合自動重傳應答請求（HARQ）中的Chase合并（CC）方式對傳輸錯誤的數據分組進行重傳和合并。終端側采用線性最小均方誤差算法估計下行信道沖激響應，并利用估計出的信道通過經典的最小均方誤差（MMSE）算法檢測有用信號、消除干擾并抑制噪聲。

仿真場景選擇參考文獻[8]定義的城市宏小區場景，空間傳播模型服從SCME非視距（NLoS）信道和增強國際移動通信（IMT-Advanced）技術視距（LoS）信道定義的概率分布。SCME信道一共存在6個主徑，每個主徑包含3個中徑，20條子徑按照一定順序分布在這些中徑中。IMT-Advanced LoS信道增加了直射路徑，適用于與發射端和接收端之間沒有遮擋的情況。兩種信道模型的每條子徑都建模了快速衰落，能夠體現無線信號空間傳播過程中的時間相干性、頻率相關性和空間相關性。具體的仿真參數見表1。

表1 LTE-Advanced鏈路級仿真參數

3.2 仿真結果

SCME信道模型和IMT-Advanced信道模型TM9平均下行吞吐量仿真如圖2和圖3所示。可以看出，在低速（3 km/h）時，高信噪比區間基于非碼本TM9的吞吐量明顯高于基于碼本TM9的吞吐量。這是因為使用波束成形技術的非碼本TM9基站根據上行信道沖激響應，計算得到最適合的下行預編碼向量，多天線增益高于基于碼本TM9。隨著運動速度的上升，兩種預編碼之間的差異變小，在高速（120 km/h）時，SCME NLoS信道下的兩種預編碼方式的吞吐量基本一致，IMT-Advanced LoS信道下基于非碼本TM9的吞吐量甚至會低于基于碼本TM9。

圖2 SCME信道模型TM9下行平均吞吐量

圖3 IMT-Advanced信道模型TM9下行平均吞吐量

高速對基于非碼本TM9的性能影響較大，速度越快，多普勒效應越大，致使基站上行信道估計與下行傳輸之間信道沖激響應的變化越顯著，所以基于非碼本TM9的天線成形方向不準確，下行傳輸平均吞吐量明顯下降。因為IMT-Advanced LoS信道發送端和接收端之間存在直射路徑，兩種TM9預編碼方式的傳輸性能都高于SCME NLoS信道模型。在低信噪比區間，不同的基于碼本TM9和基于非碼本TM9都會降低為單流傳輸，采用空頻塊碼，下行平均吞吐量趨于一致。

4 結束語

首先簡要介紹了LTE-Advanced階段相對LTE階段的技術增強，回顧LTE下行8種MIMO模式的編碼原理和適用場景，選擇LTE-Advanced中的關鍵技術——下行MIMO增強TM9進行了詳細研究。搭建了鏈路級仿真平臺，針對TM9兩種預編碼方式在SCME NLoS和IMT-Advanced LoS兩種信道模型下進行了仿真評估，對比分析了不同速度時的TM9下行平均吞吐量。仿真結果表明，TM9在高信噪比區間增益明顯，并且因為可以重用TD-SCDMA的8端口天線和射頻設備，能夠更好地兼容載波聚合、CoMP等新特性，在時分雙工LTE-Advanced階段有十分重要的意義。

1 Evolution to LTE Report.GSM/3G Market/Technology Update.http://www.gsacom.com/,Nov 2012

2 http://www.lte-tdd.org/,2013

3 The 3rd Generation Partnership Project(3GPP)TS 36.211.Technical Specification Group Radio Access Network,Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation.ftp://ftp.3gpp.org/Specs/,Mar 2011

4 The 3rd Generation Partnership Project(3GPP)TS 36.212.Technical Specification Group Radio Access Network,Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Multiplexing and Channel Coding.ftp://ftp.3gpp.org/Specs/,Mar 2011

5 The 3rd Generation Partnership Project(3GPP)TS 36.213.Technical Specification Group Radio Access Network,Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedure.ftp://ftp.3gpp.org/Specs/,Mar 2011

6 GTI News.4G TD-LTE licenses officially issued by MIIT.http://www.lte-tdd.org/news/,Dec 2013

7 The 3rd Generation Partnership Project(3GPP)R1-092848.Dual Layer Beamforming Based on Partial Channel Information.http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/wg1_rl1/TSGR1_57b/Docs/,Jun 2009

8 The 3rd Generation Partnership Project(3GPP)TR 25.996.Spatial Channel Model for Multiple Input Multiple Output(MIMO)Simulations.ftp://ftp.3gpp.org/Specs/,Dec 2008