3G LTE系統(tǒng)基于碼本的自適應(yīng)預編碼方案

李 遠，彭木根

(北京郵電大學信息與通信工程學院，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，提高無線信號傳輸質(zhì)量的技術(shù)。MIMO技術(shù)在傳統(tǒng)的時間和頻率資源基礎(chǔ)上添加了空間維度，使LTE系統(tǒng)中可以在同一個時頻資源塊(RB)上傳輸更多的資源，從而滿足了LTE對高數(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實現(xiàn)多址，基站調(diào)度周期內(nèi)在每個RB上只調(diào)度一個用戶，這個用戶通過多天線的分集復用實現(xiàn)容量提升。文獻［1］中給出了分集和復用的權(quán)衡關(guān)系，在高信噪比的信道條件下，采用復用技術(shù)可以極大地提高數(shù)據(jù)速率，但是復用技術(shù)對信道狀態(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，但是由于信道的時變性和不對稱性，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。

當基站端可以知道全部信道信息時，可以通過對信道矩陣的分解來對發(fā)送信號做預編碼，從而實現(xiàn)系統(tǒng)容量上的提升。但是在實際系統(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)實中幾乎是不能實現(xiàn)的。另一種預編碼策略是基于碼本的預編碼，這種方案中收發(fā)兩端預先配置相同的碼本，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)為預編碼在碼本中的序號;發(fā)送端根據(jù)獲取的預編碼序號來選取相應(yīng)的預編碼矩陣。這樣以犧牲少量信道容量為代價，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)過預編碼矩陣W(MT× M)之后輸出 s=［s1，s2，……sM］T，作為發(fā)送符號矢量。預編碼矩陣包含信源信號的功率分配信息為歸一化的預編碼矩陣，P為歸一化的功率分配對角陣，在LTE下行系統(tǒng)中多條流可以進行等功率分配，即P=IM。接收端經(jīng)過接收機矩陣G(M×MR)的處理之后輸出矢量y。

假設(shè)有N個小區(qū)同頻組網(wǎng)，那么相比于單小區(qū)場景，在滿負載情況下目標小區(qū)的UE在某個子載波上可能還會受到其他N－1個小區(qū)的下行干擾。考慮到小區(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)對稱復高斯(ZMCSCG)噪聲向量;y(0)為當前小區(qū)(小區(qū)0)的目標UE在當前子載波上的接收信號矢量;Heff為H·W所構(gòu)成的等效信道;表示其他的N－1個小區(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接收機對接收信號進行濾波，接收機的表達式為

2 預編碼的設(shè)計和選擇

在TD-LTE系統(tǒng)中，考慮到射頻系數(shù)的不對稱可能會使上下行信道不同，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)信息計算預編碼矩陣，從而達到消除干擾、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，即預編碼序號反饋。

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編碼集合，稱為碼本;一個包含有C個預編碼矩陣的碼本集合 C表示為 C={W1，W2，...，WC}。在每個調(diào)度周期(TTI)，接收端根據(jù)發(fā)送端的公共參考信號做信道估計來獲取信道矩陣，然后根據(jù)特定的碼本選擇算法采用最合適的預編碼，并將預編碼的索引序號通過上行信道反饋給基站;在下一個調(diào)度周期基站根據(jù)用戶推薦的預編碼序號，從碼本中找到對應(yīng)的預編碼矩陣，對發(fā)送符號進行預編碼操作。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有一定性能下降，但是大大降低了反饋的信息量。

常見的預編碼碼本構(gòu)建方式有DFT碼本［8］、隨機碼本［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，復雜度較高，因此本文采用 DFT碼本作為預編碼碼本，這也是3GPP標準中規(guī)定的預編碼碼本。接收端的預編碼選擇有兩種標準［10］，一種是基于信道量化的選擇，另一種是基于性能指標的預編碼選擇，性能的衡量標準包括最小奇異值準則、最小均方誤差準則、最大容量準則［4］，以及最小誤碼率準則［11］等，本文主要關(guān)注不同預編碼方案下的系統(tǒng)容量性能，因此采用最大容量準則作為衡量標準。

3GPP標準［12］中下行MIMO技術(shù)的基本天線配置是2×2，對應(yīng)最大層數(shù)目為2。標準中為2×2天線配置的單流碼本有4個預編碼矩陣，對應(yīng) PMI序號 n∈{0 ，1，2，3};雙流碼本包含3個預編碼矩陣:，對應(yīng)PMI序號為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，從而導致邊緣吞吐量很低;只采用單流的傳輸模式時，高信噪比的小區(qū)中心用戶不能獲得復用增益，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個雙流預編碼矩陣和4個單流預編碼矢量;用戶端通過對7個預編碼矩陣聯(lián)合進行性能比較，反饋合適的CQI、PMI和RI信息，使容量可以達到最大化。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:在每個調(diào)度周期，基站向用戶端發(fā)送下行公共參考信號，公共參考信號不做預編碼處理，使用戶可以根據(jù)下行公共參考信號得到接收信號功率，并通過信道估計得到信道矩陣H。

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

步驟3:對每個子載波上的SINR進行EESM合并，得到各RBG上的SINR，根據(jù)SINR映射得到合適的MCS方式，并計算當前RBG上的吞吐量。其中單流碼本計算一條流上的吞吐量，雙流碼本計算并將兩條流上的吞吐量相加。

步驟4:比較7個可選預編碼矩陣在當前RBG上的吞吐量，并選擇吞吐量最大的一個作為該RBG上的推薦碼本(PMI)，與秩的序號(RI)和推薦MCS序號(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RBG都會占用2個bit，相比而言自適應(yīng)算法反饋的PMI序號有7個，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MIMO系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和閉環(huán)預編碼策略做了介紹，本節(jié)使用 OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺對TD-LTE下行2×2天線場景進行仿真，通過仿真結(jié)果對比得到多天線MIMO對小區(qū)和用戶性能帶來的增益，以及單雙流自適應(yīng)算法相比于獨立的多天線分集或復用在性能上的提升。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比

理想反饋情況下，基站端采用SVD分解獲取預編碼矩陣;有限反饋情況下，用戶端從固定的碼本中選擇預編碼矩陣并將序號推薦給基站;為了對比采用DFT預編碼的系統(tǒng)性能，在對比方案中，源信號采用固定預編碼，將兩個碼字以固定的權(quán)重映射到天線端口上。性能對比見表2。由表2可知，理想反饋相比于不采用預編碼的方案，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比

(2)單流、雙流和自適應(yīng)方案對比

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，比單獨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方案性能對比

用戶吞吐量的CDF曲線如圖3所示，橫坐標表示用戶吞吐量，縱坐標表示累積概率密度曲線。對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，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。對于有限反饋，2×2天線單流的預編碼方案可以實現(xiàn)信號的發(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;雙流的預編碼方案則可以利用復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)的方案針對不同的用戶和資源，更加靈活地選擇分集或者復用，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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