李 遠(yuǎn)，彭木根

(北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876)

0 引言

多輸入多輸出(MIMO)天線技術(shù)是一種在發(fā)送端和接收端設(shè)置多根天線，提高無線信號(hào)傳輸質(zhì)量的技術(shù)。MIMO技術(shù)在傳統(tǒng)的時(shí)間和頻率資源基礎(chǔ)上添加了空間維度，使LTE系統(tǒng)中可以在同一個(gè)時(shí)頻資源塊(RB)上傳輸更多的資源，從而滿足了LTE對(duì)高數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。在SU-MIMO模式下，不同用戶通過下行OFDMA實(shí)現(xiàn)多址，基站調(diào)度周期內(nèi)在每個(gè)RB上只調(diào)度一個(gè)用戶，這個(gè)用戶通過多天線的分集復(fù)用實(shí)現(xiàn)容量提升。文獻(xiàn)［1］中給出了分集和復(fù)用的權(quán)衡關(guān)系，在高信噪比的信道條件下，采用復(fù)用技術(shù)可以極大地提高數(shù)據(jù)速率，但是復(fù)用技術(shù)對(duì)信道狀態(tài)過于敏感，因此在低信噪比條件下，采用分集技術(shù)則能保證信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

在TD-LTE下行系統(tǒng)中，接收端可以通過信道估算來獲取空間信道矩陣H，但是由于信道的時(shí)變性和不對(duì)稱性，發(fā)送端并不能直接獲知信道矩陣，只能通過用戶的反饋來獲取信道信息。

當(dāng)基站端可以知道全部信道信息時(shí)，可以通過對(duì)信道矩陣的分解來對(duì)發(fā)送信號(hào)做預(yù)編碼，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量上的提升。但是在實(shí)際系統(tǒng)中，由于上行傳輸信道資源有限，而信道矩陣的反饋需要大量的信道資源，因此完全反饋在現(xiàn)實(shí)中幾乎是不能實(shí)現(xiàn)的。另一種預(yù)編碼策略是基于碼本的預(yù)編碼，這種方案中收發(fā)兩端預(yù)先配置相同的碼本，發(fā)端不需要了解全部的信道信息，只需要接收端反饋部分信道狀況，表現(xiàn)為預(yù)編碼在碼本中的序號(hào);發(fā)送端根據(jù)獲取的預(yù)編碼序號(hào)來選取相應(yīng)的預(yù)編碼矩陣。這樣以犧牲少量信道容量為代價(jià)，可以大大節(jié)約上行信道資源。

1 MIMO系統(tǒng)模型

MIMO系統(tǒng)下行鏈路傳輸模型如圖1所示，發(fā)送端天線數(shù)目為MT，接收端天線數(shù)目為MR，空間信道H建模為 MR×MT矩陣，設(shè)信道空間的秩為M(M≤min(MT，MR))。x=［x1，x2，...，xM］T為信源輸入矢量，并且E(xxH)=IM。

圖1 MIMO系統(tǒng)下行鏈路傳輸模型

在閉環(huán)傳輸條件下，信源經(jīng)過預(yù)編碼矩陣W(MT× M)之后輸出 s=［s1，s2，……sM］T，作為發(fā)送符號(hào)矢量。預(yù)編碼矩陣包含信源信號(hào)的功率分配信息為歸一化的預(yù)編碼矩陣，P為歸一化的功率分配對(duì)角陣，在LTE下行系統(tǒng)中多條流可以進(jìn)行等功率分配，即P=IM。接收端經(jīng)過接收機(jī)矩陣G(M×MR)的處理之后輸出矢量y。

假設(shè)有N個(gè)小區(qū)同頻組網(wǎng)，那么相比于單小區(qū)場景，在滿負(fù)載情況下目標(biāo)小區(qū)的UE在某個(gè)子載波上可能還會(huì)受到其他N－1個(gè)小區(qū)的下行干擾?？紤]到小區(qū)間干擾，MIMO系統(tǒng)輸入—關(guān)系表示為［2］

式中，Es表示所有天線的發(fā)射功率之和;n為空間非相關(guān)的零均值循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯(ZMCSCG)噪聲向量;y(0)為當(dāng)前小區(qū)(小區(qū)0)的目標(biāo)UE在當(dāng)前子載波上的接收信號(hào)矢量;Heff為H·W所構(gòu)成的等效信道;表示其他的N－1個(gè)小區(qū)在同一子載波上造成的干擾。在接收檢測算法中，ZF算法和MMSE算法是兩種常見的線性接收算法［3，5］，為了更好地抑制干擾和噪聲，提升小區(qū)容量，本文仿真中采用MMSE接收機(jī)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行濾波，接收機(jī)的表達(dá)式為

2 預(yù)編碼的設(shè)計(jì)和選擇

在TD-LTE系統(tǒng)中，考慮到射頻系數(shù)的不對(duì)稱可能會(huì)使上下行信道不同，因此單用戶MIMO仍然建議采用閉環(huán)傳輸。在閉環(huán)傳輸模式下，一般來說收端可以通過信道估計(jì)獲取下行信道信息的(CSIR)，考慮接收端的反饋，發(fā)端可獲取全部或部分信道信息(CSIT)。接收端反饋的信道信息包括信道狀態(tài)信息(CSI)、信道質(zhì)量指示(CQI)，以及預(yù)編碼矩陣指示(PMI)和秩指示(RI)等;完全信道反饋情況下反饋信息為CQI和CSI，有限反饋情況下反饋信息為 CQI、PMI和 RI［6］。

對(duì)于發(fā)端知道完全的信道信息的情況，發(fā)端可以利用信道狀態(tài)信息計(jì)算預(yù)編碼矩陣，從而達(dá)到消除干擾、優(yōu)化信道容量的目的。常見的信道分離方法是奇異值(SVD)分解［7］。但是由于完全信道反饋算法需要占用很大的上行開銷，因此在實(shí)際系統(tǒng)中并不采用這種反饋方案，而采用基于有限反饋的方案，即預(yù)編碼序號(hào)反饋。

有限反饋的基本思想是，在發(fā)送端和接收端配置相同的預(yù)編碼集合，稱為碼本;一個(gè)包含有C個(gè)預(yù)編碼矩陣的碼本集合 C表示為 C={W1，W2，...，WC}。在每個(gè)調(diào)度周期(TTI)，接收端根據(jù)發(fā)送端的公共參考信號(hào)做信道估計(jì)來獲取信道矩陣，然后根據(jù)特定的碼本選擇算法采用最合適的預(yù)編碼，并將預(yù)編碼的索引序號(hào)通過上行信道反饋給基站;在下一個(gè)調(diào)度周期基站根據(jù)用戶推薦的預(yù)編碼序號(hào)，從碼本中找到對(duì)應(yīng)的預(yù)編碼矩陣，對(duì)發(fā)送符號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼操作。由于碼本是固定的，這種有限反饋方法相比完全信道反饋會(huì)有一定性能下降，但是大大降低了反饋的信息量。

常見的預(yù)編碼碼本構(gòu)建方式有DFT碼本［8］、隨機(jī)碼本［9］、格拉斯曼碼本［3］等，由于其他兩種碼本需要通過離線的仿真或者搜索完成，復(fù)雜度較高，因此本文采用 DFT碼本作為預(yù)編碼碼本，這也是3GPP標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的預(yù)編碼碼本。接收端的預(yù)編碼選擇有兩種標(biāo)準(zhǔn)［10］，一種是基于信道量化的選擇，另一種是基于性能指標(biāo)的預(yù)編碼選擇，性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)包括最小奇異值準(zhǔn)則、最小均方誤差準(zhǔn)則、最大容量準(zhǔn)則［4］，以及最小誤碼率準(zhǔn)則［11］等，本文主要關(guān)注不同預(yù)編碼方案下的系統(tǒng)容量性能，因此采用最大容量準(zhǔn)則作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

3GPP標(biāo)準(zhǔn)［12］中下行MIMO技術(shù)的基本天線配置是2×2，對(duì)應(yīng)最大層數(shù)目為2。標(biāo)準(zhǔn)中為2×2天線配置的單流碼本有4個(gè)預(yù)編碼矩陣，對(duì)應(yīng) PMI序號(hào) n∈{0 ，1，2，3};雙流碼本包含3個(gè)預(yù)編碼矩陣:，對(duì)應(yīng)PMI序號(hào)為n∈{0，1，2}。

在多小區(qū)場景下，處于小區(qū)邊緣的用戶往往會(huì)受到比較大的小區(qū)間干擾，信噪比性能和小區(qū)中心用戶相比差距較大，因此小區(qū)只采用雙流傳輸模式時(shí)小區(qū)邊緣用戶可能在兩條流上都出現(xiàn)很低的信噪比，從而導(dǎo)致邊緣吞吐量很低;只采用單流的傳輸模式時(shí)，高信噪比的小區(qū)中心用戶不能獲得復(fù)用增益，也不利于總吞吐量的提升。本文提出一種單雙流自適應(yīng)的碼本選擇方案，完成分集和復(fù)用的自適應(yīng)。自適應(yīng)碼本選擇算法將原有的單雙流碼本合并而產(chǎn)生新的碼本。若單流碼本的集合為CSingle={W1，W2，W3，W4}，雙流碼本集合為 CDual={W5，W6，W7}，則新的碼本集合為Cnew=CSingle∪CDual，包含3個(gè)雙流預(yù)編碼矩陣和4個(gè)單流預(yù)編碼矢量;用戶端通過對(duì)7個(gè)預(yù)編碼矩陣聯(lián)合進(jìn)行性能比較，反饋合適的CQI、PMI和RI信息，使容量可以達(dá)到最大化。UE端的選擇流程如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)碼本選擇算法流程圖

步驟1:在每個(gè)調(diào)度周期，基站向用戶端發(fā)送下行公共參考信號(hào)，公共參考信號(hào)不做預(yù)編碼處理，使用戶可以根據(jù)下行公共參考信號(hào)得到接收信號(hào)功率，并通過信道估計(jì)得到信道矩陣H。

步驟2:用戶遍歷碼本中的7個(gè)預(yù)編碼矩陣，每個(gè)預(yù)編碼矩陣結(jié)合信道矩陣H計(jì)算得到等效信道Heff;根據(jù)總的接收功率和信號(hào)功率得到小區(qū)間干擾，并計(jì)算采用當(dāng)前預(yù)編碼所得到的SINR。

步驟3:對(duì)每個(gè)子載波上的SINR進(jìn)行EESM合并，得到各RBG上的SINR，根據(jù)SINR映射得到合適的MCS方式，并計(jì)算當(dāng)前RBG上的吞吐量。其中單流碼本計(jì)算一條流上的吞吐量，雙流碼本計(jì)算并將兩條流上的吞吐量相加。

步驟4:比較7個(gè)可選預(yù)編碼矩陣在當(dāng)前RBG上的吞吐量，并選擇吞吐量最大的一個(gè)作為該RBG上的推薦碼本(PMI)，與秩的序號(hào)(RI)和推薦MCS序號(hào)(CQI)一起反饋給基站。

單雙流自適應(yīng)的算法可以根據(jù)用戶不同的信道狀態(tài)為其選擇合適的多天線模式，比單獨(dú)的單流傳輸或雙流傳輸具有更大的靈活度;從上行開銷的角度來講，2×2天線的單流和雙流碼本的PMI反饋在每個(gè)RBG都會(huì)占用2個(gè)bit，相比而言自適應(yīng)算法反饋的PMI序號(hào)有7個(gè)，占用3 bit信息，在反饋信息量方面增加的開銷并不大。

3 性能仿真

前面對(duì)MIMO系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和閉環(huán)預(yù)編碼策略做了介紹，本節(jié)使用 OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)對(duì)TD-LTE下行2×2天線場景進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果對(duì)比得到多天線MIMO對(duì)小區(qū)和用戶性能帶來的增益，以及單雙流自適應(yīng)算法相比于獨(dú)立的多天線分集或復(fù)用在性能上的提升。仿真系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

(1)雙流條件下反饋方式對(duì)比

理想反饋情況下，基站端采用SVD分解獲取預(yù)編碼矩陣;有限反饋情況下，用戶端從固定的碼本中選擇預(yù)編碼矩陣并將序號(hào)推薦給基站;為了對(duì)比采用DFT預(yù)編碼的系統(tǒng)性能，在對(duì)比方案中，源信號(hào)采用固定預(yù)編碼，將兩個(gè)碼字以固定的權(quán)重映射到天線端口上。性能對(duì)比見表2。由表2可知，理想反饋相比于不采用預(yù)編碼的方案，在小區(qū)吞吐量上有57%的增益，相比于有限反饋有27%的增益。

表2 不同反饋方式性能對(duì)比

(2)單流、雙流和自適應(yīng)方案對(duì)比

根據(jù)前面的分析，信噪比較低的用戶使用單流碼本有更好的效果，信噪比高的用戶則推薦使用雙流。自適應(yīng)碼本則兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，比單獨(dú)采用任一種碼本都有更好的系統(tǒng)性能。由表3可知，在小區(qū)吞吐量方面，自適應(yīng)模式相比單流模式有7%的增益，相比雙流模式有42%的增益。

表3 不同MIMO方案性能對(duì)比

用戶吞吐量的CDF曲線如圖3所示，橫坐標(biāo)表示用戶吞吐量，縱坐標(biāo)表示累積概率密度曲線。對(duì)比三種碼本方案可以看出，在小區(qū)邊緣，單流碼本優(yōu)于雙流碼本，在小區(qū)中心，雙流碼本則有更好的性能。自適應(yīng)的碼本兼顧了單流和雙流的優(yōu)點(diǎn)，在小區(qū)邊緣和小區(qū)中心都可以得到很好的性能。

圖3 用戶吞吐量累積概率分布(CDF)

4 結(jié)語

在LTE系統(tǒng)中采用多天線技術(shù)可以在空間維度上增加分集增益或者復(fù)用增益，從而得到比單天線傳輸更高的系統(tǒng)容量。在閉環(huán)傳輸模式下，理想反饋可以使基站端更有效地利用信道信息，從而更好地消除干擾，提高誤碼性能;相比而言，基于碼本的預(yù)編碼方案使基站端利用部分信道信息，以犧牲一部分性能為代價(jià)大大減少了上行的反饋信息，成為LTE系統(tǒng)中推薦的方案。對(duì)于有限反饋，2×2天線單流的預(yù)編碼方案可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送和接收分集，從而使信噪比較低的小區(qū)邊緣用戶得到更高的傳輸可靠性;雙流的預(yù)編碼方案則可以利用復(fù)用分集提高高信噪比用戶的吞吐量;本文提出的單雙流自適應(yīng)的方案針對(duì)不同的用戶和資源，更加靈活地選擇分集或者復(fù)用，雖然反饋的開銷有少量提升，但是可以得到更高的小區(qū)和用戶吞吐量。

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