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LTE
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作者：郎为民 杨德鹏 李虎生
0 前言
下行链路MIMO无疑是LTE R8中的一个关键技术构件。已经规定了用于提供超过300Mbit/s峰值数据速率的1、2和4个eNodeB天线端口的传输模式。在LTE-Advanced[1-3]中，下一步自然是继续进行雄心勃勃的目标设定，以确保其作为领先无线接入技术的地位。为了保证这一点，LTE-Advanced支持下行链路采用多达8个发射天线端口进行数据传输。对应于20MHz载波上的600Mbit/s，如果采用8×8天线配置和多达8层的空间复用，则峰值频谱效率可提高到30(bit/s)/Hz。除了增加发射天线数量之外，3GPP R10强调改善多用户MIMO(MU-MIMO)操作性能。多用户MIMO是指并行流向空间上独立的不同UE传输，而在单用户MIMO(SU-MIMO)中，并行流仅传输给单个UE。
1 下行链路中的参考符号结构
在LTE R8和R9中，MIMO操作主要基于与蜂窝有关的通用参考符号(CRS)。在天线端口和规模之间，参考符号模式是正交的，这取决于发射天线端口的配置数量。信道状态信息(CSI)测量以及数据解调通常采用CRS来执行。TDD波束形成传输模式7是例外，在这种情形中，与UE有关的参考符号(URS)用于解调。LTE-Advanced中的简单解决方案已经为采用8根发射(TX)天线的情形定义了另一种与蜂窝有关的RS，它暗示着CSI测量和解调都可以使用CRS。但是，使用R8终端的后向兼容性会生成一个问题，即不知道新RS的存在情况。在这些情况下，由于数据和新RSS之间的持续碰撞，会导致传统终端性能不可避免地变差。8-TX CRS的另一个缺点是当给定大多数终端通常无法享受8层传输的优势的事实后，参考符号的开销过高。
为了应对这些挑战，LTE R10决定采取另一种参考符号范式。关键思路是将用于CSI测量的参考信号与那些用于数据解调的参考信号脱钩，方法如下：
a)在2/4/8发射天线的情形中，CSI(即CQI、PMI和RI)测量和报告引入信道状态信息参考符号(CSI-RS)。
b)在多达8个空间层的支持下，与UE有关的预编码正交参考符号用于数据解调。主要从3个方面证明这种选择的合理性。首先，与UE有关的参考符号支持eNodeB处灵活的传输预编码，它可以看作是竞争性下行链路MU-MIMO的一个引擎。其次，根据传输等级，参考符号开销增加，因而一些高等级能力终端无法对整个系统进行惩罚，主要是由于参考符号开销较高，这与采用CRS的情形类似。第三，与UE有关的参考符号将从发送预编码增益中受益，这反过来又会导致可靠的信道估计。等级为1-2的LTE R10 URS模式对应于LTE R9中的URS模式，而等级为3-8的LTE R10 URS模式可看作是一种扩展。
CSI-RS在时间和频率上是稀疏的，因为CSI测量要求不如数据解调严格。通常情况下，CSI-RS采用非常低的密度(1RE/port/PRB)进行定期传输(例如每10ms)。CSI-RS的周期是可配置的，其占空比值变化范围为5~80ms，因为下行链路MIMO增强方案的目标主要是低移动性场景。这意味着对传统LTE R8/9终端的影响仅限于子帧，CSI-RS在这些子帧中传输，其他时间传统终端可以进行工作，而无需受到任何惩罚。同时，CSI-RS相对较低的密度考虑了在子帧中使用CSI-RS将数据传输给R8终端，虽然性能有所下降。但是，需要相应降低MCS水平，以支持UE应对额外的干扰。
虽然引入CSI-RS的主要驱动力是对eNodeB处8根发射天线的支持，但是也为其他天线配置定义了CSI-RS模式。总体而言，规范非常明智，可以对CSI-RS和CRS进行独立配置。在图1中，分别描述了8个、4个和2个发射天线端口时的R10 CSI-RS情形。CSI-RS模式具有嵌套特性——针对少数天线端口的模式是针对大量天线端口模式的子集。除了图1中的模式，还支持其他可能的配置，且定义了针对正常和扩展循环前缀的独立CSI-RS配置。对于帧结构类型1和2来说，不同模式也是可用的——也就是说，对于FDD和TDD来说，TDD中存在着细微变化，即与天线端口5的碰撞可以避免。CSI-RS的另一个主要区别也是高重用因子，例如在2个天线端口的情形中，重用因子为20。相比之下，在2个天线端口的情形中，CRS重用因子为3。较高的重用因子使得网络规划更加容易，且从CSI-RS到CSI-RS的碰撞在很大程度上可以避免，这在局部网络负载情形中是非常有益的。
在图2中，给出了URS配置的2个实例。该规范支持使用12/24个资源元素(RE)，它可用于URS，这取决于传输等级。例如，与R9中的情形一样，1层和2层可以采用12个资源元素和长度为2的叠加正交码(OCC)进行工作，而24个资源元素和长度为4的叠加正交码可用于3-8层。采用频分复用加上可变长度的OCC，支持根据传输等级，对RS开销进行有效扩展。我们注意到通过采用天线虚拟化(如降至某个CRS端口)，CSI-RS为高效地降低CRS开销提供了机会，如图2的右半部分所示，而UE仍然能够通过CSI-RS接入多达8个天线端口。
采用CSI-RS的系统操作基本原理如图3所示。终端基于CSI-RS来对CSI进行估计，并将CSI反馈传输给eNodeB，而eNodeB反过来可以在为数据选择预编码器和调制与编码方案(MCS)用CSI。数据可以和与用户有关(专用)的解调参考符号(URS，也称为DM-RS)一同传输，与数据一样，对同一物理资源块进行扩展。相同的传输预编码可用于数据层及相关的DM-RS端口。与LTE R8中的情形相反，它考虑了eNodeB使用任何预编码的情况，因为使用的预编码对于终端来说仍然是透明的，且不需要传输给用户。
2 码本设计
为了支持下行链路MIMO操作，8个发射天线端口的引入需要一个新码本。同时，与用户有关的DM-RS支持在eNodeB处灵活选择预编码器。为了实现这种潜在优势和增益，需要为eNodeB提供非常精确的CSI。在TDD的情形中，信道互易和探测参考信号在一定程度上可用于通过对来自于上行链路传输的相关信息进行估计，来获取CSI。但是，在FDD的情形中，除了长期DoA(到达方向)波束形成之外，实际上不可能使用短期CSI，因而需要在3GPP中指定更为详细的CSI反馈机制。简单解决方案是简单规定一个包含更多元素因而具有更高精度的新码本。遗憾的是，无论是从上行链路信令开销，还是从UE处PMI选择复杂性的角度来看，这种解决方案都是不切实际的。
码本设计的一种自然方法是把重点放在感兴趣场景与天线配置选择上。在用例方面，LTE R10 CSI反馈应当既支持下行链路SU-MIMO，又支持下行链路MU-MIMO，其中SU-MIMO主要用于信道方位(即角)扩散较大的不太相关场景，而MU-MIMO通常用于信道方位角扩散较小的高度相关场景。因此，对于SU-MIMO/MU-MIMO来说，最佳工作点与部署场景密切相关。另一方面，流量条件和可用多用户分集也会随着TTI的不同而发生变化，需要强制规定SU-MIMO和MU-MIMO之间的动态切换概率。从后者可以清晰得出，eNodeB需要拥有可用的SU-MIMO和MU-MIMO CSI反馈，以执行无缝传输模式选择。天线配置和相关信道建模在码本设计中发挥了主要作用。
对于eNodeB处配置8根天线的情形，通过关注窄距交叉极化(XP)阵列、窄距均匀线性阵列(ULA)和宽距交叉极化(XP)阵列，3GPP为最实用的天线配置赋予了优先级。前2种配置意味着更高的空间相关性，因而支持低等级SU-MIMO/MU-MIMO传输，由于较大元素间距导致的较低空间相关性，因而第三种配置更多用于高等级SU-MIMO。为eNodeB传输阵列处具有较低角扩散、较小元素间距的场景分配优先级表明，UE反馈主要针对低等级SU-MIMO和MU-MIMO操作，以实现：
a)采用精细空间粒度和建立在长期信道宽带相关特性的空域内UE分离，对支持MU-MIMO的反馈进行优化。
b)支持SU-MIMO的反馈侧重于短期窄带信道特性。
长期信道特性不会从一个CSI测量实例快速变化到另一个CSI测量实例。因此，将信道状态特性分离为长期和/或宽带部分是行得通的，这说明从长远的眼光来看，信道状态特性是相对稳定的(例如等级和宽带波束方向)，且短期和/或窄带部分主要针对非相关信道规划(例如2种不同的极化)上的波束选择和共相位。
利用这些事实，通过将长期和短期CSI构件分离开来，可以实现高效的反馈信令压缩，且辅以目标场景中非常具有竞争力的性能。这将导致3GPP在LTE R10 CSI反馈中采用双码本结构，以支持使用8根发射天线的下行链路MIMO。主要原理是子带的预编码器W是由2个矩阵构成的，这2个矩阵属于2个不同的码本：W1针对长期宽带信道特性，而W2适用于短期频率选择性CSI。由此形成的每个子带预编码器W是由2个矩阵W1和W2相乘得到的，即W=W1×W2。其原理如图4所示。考虑到最低上行链路信令开销，W1和W2的反馈速率可能是不同的。码本元素本身是基于固定波束族(GoB)构件的。众所周知，这些构件能够为MU-MIMO提供良好性能，而对于SU-MIMO来说，通过支持子带级的波束选择，可以维持频率选择性预编码。对于8×8下行链路单用户MIMO来说，当考虑使用8个空间层时，对于较低传输等级(即第1-2级，一定程度上也适用于第3-4级)来说，双码本概念就具有较大的吸引力，这取决于空间相关性。
图4示出的是LTE R10中的双码本反馈操作原理。预编码器由W1和W2 2个部分构成：W1针对长期/宽带信道特性，W2提供了深度完善方案以及关于信道的短期/窄带性能的信息。
R10引入对2、4和8个CSI-RS天线端口的灵活支持，而URS用于解调。在这种环境中，仅有包含8根发射天线的码本是新近定义的。对于2根和4根发射天线来说，LTE R10码本仍保持不变，且是LTE R8中的对应码本，因为这些码本被证明具有足够的竞争力。
3 下行链路多天线增强方案的系统性能
与R8相比，R10提供的主要容量优势是与UE有关的RS以及CSI-RS上的多用户MIMO，主要是在4根发射天线的情形中，即4×2和4×4。当采用2×2天线配置时，R10解决方案并未带来真正益处，因为传输编码增益非常有限，不会补偿与UE有关的RS开销。在一般情况下，通过采用天线虚拟化的方法，可以降低CRS开销本身。在实践中，人们通,嵩趀NodeB发射阵列每个极化方向上配置1个CRS端口。
图5给出了下行链路平均频谱效率。假定eNodeB处使用的是均匀线性阵列，与采用2×2天线配置的R8相比，采用4×2天线配置的R10 MU-MIMO能够将容量提高40%。与R8相比，采用4×4天线配置的MU-MIMO能够将容量提高100%。使用4根发射天线的交叉极化阵列，增益数值略有减小。MU-MIMO对蜂窝边缘数据速率的好处甚至要高于对平均数据速率的好处，如图6所示：与采用2×2天线配置的R8相比，4×4天线配置能够将蜂窝边缘数据速率提高150%。但是，需要注意的是，蜂窝边缘吞吐量、峰值吞吐量和平均吞吐量数值可能会相互折衷，这取决于调度和多用户配对策略。已经证实，通过在第二空间层采用比例公平频域调度，选择保持公平性会导致覆盖性能显著提高。另一方面，选择针对第二个用户的频域调度的最大C/I类型将会提升峰值吞吐量，从而以牺牲覆盖范围为代价，提高了平均吞吐量增益。
4 结论
在R11中，将继续开展被认为是LTE-Advanced研究部分内容的主题，以及除了R10之外的其他主题。预计3GPP R11将在2012年底定稿，即在2011年年中冻结R10后的18个月推出。
目前已知的LTE-Advanced研究主题包括：
a)载波聚合，预计研究焦点在增加新的下行链路频段组合，研究多频段上行链路情形支持的上行链路载波聚合。
b)多天线增强方案，已经达到共识，下一步研究工作将围绕协同多点(CoMP)传输展开，它将成为一个独立的研究项目。CoMP理想的根本目标是将干扰信号变为接收信号的有用分量，或者采用空间维度以确保干扰最小化的方式来引导信号。CoMP方案可以采用不同方法进行划分，此处选择的分类方法将方案分为：
(a)联合调度/波束形成，在这种方案中，实际传输仅来自于单个蜂窝/扇区，且性能优势是通过与其他蜂窝进行协同得到的。在协同波束形成的情形中，目标是采用某种方式来引导在重叠时间/频率资源调度的波束。在这种方式中，能够进行数据传输，且可以避免空域内的干扰，如图7所示。此处面临的挑战与精确环境信息的可用性有关，该信息支持eNodeB处的智能决策。
(b)联合处理CoMP是基于从多个蜂窝进行传输，并在接收端主动消除干扰的理念。此处面临的挑战取决于选择的具体方法，但大多与处理站点间操作以及由此形成的回程要求和接收机复杂性时，需要支持来自于多个eNodeB的实时联合编码和调度决策有关。从性能的角度来看，挑战将是获得不同参与元素之间足够快的连接以及所需测量结果的现实精度，以有利于CoMP操作的开展。
与R10一样，R11将涉及许多与LTE-Advanced没有直接联系的主题。目前，3GPP讨论的其他已知主题包括：
a)LTE MBMS进一步增强方案(eMBMS)，遵循R9中的基本框架(并在R10中略有增强)。
b)基于R10工作项目或研究项目，继续在诸如自组织网络(SON)、驱动测试最小化(MDT)、机器对机器(M2M)连接优化等主题上开展研究。
参考文献：
[1] Harri Holma，Antti Toskala. UMTS中的LTE：向LTE-Advanced的演进[M].2版.郎为民，译.北京：机械工业出版社，2011.
[2] Harri Holma，Antti Toskala. UMTS中的LTE：基于OFDMA和SC-FDMA的无线接入[M].郎为民，译.北京：机械工业出版社，2010.
[3] 何玉申，宫芳.下一代无线移动通信LTE及LTE-Advanced的研究[J].信息技术，2010(11)：15-21.
