MIMO模式自適應(yīng)及其性能驗(yàn)證*

許 寧

（中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院無(wú)線技術(shù)研究所 北京100053）

1 引言

MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)的結(jié)合，構(gòu)成了下一代無(wú)線通信系統(tǒng)頻譜效率大幅提升的基礎(chǔ)。TD-LTE的時(shí)分雙工（TDD）特性，使其不僅可以適配非對(duì)稱頻譜，根據(jù)上下行業(yè)務(wù)需求進(jìn)行靈活配置，更重要的是具有上下行信道狀態(tài)互易性，為MIMO技術(shù)的應(yīng)用提供了極大便利。MIMO技術(shù)是空間分集、空分復(fù)用（SM）、波束成形（BF）等多種信號(hào)處理技術(shù)的統(tǒng)稱，不同的MIMO技術(shù)可為無(wú)線傳輸提供不同的增益。TD-LTE協(xié)議在下行規(guī)定了多種MIMO傳輸模式（TM），例如在3GPP R8協(xié)議中定義了用于發(fā)送分集的TM2，用于空分復(fù)用的TM3、TM4、TM5、TM6以及用于單流波束成形的TM7[1]；在R9協(xié)議中增加了用于雙流波束成形的TM8[2]；而在R10及后續(xù)版本中，新增了用于多流波束成形等更復(fù)雜的MIMO技術(shù)。在不同的無(wú)線傳播環(huán)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(tǒng)可以根據(jù)不同情況，在各MIMO模式間動(dòng)態(tài)切換，使MIMO技術(shù)更加“智能”，從而進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。

理論上，如果發(fā)送端（基站）可以獲得實(shí)時(shí)的信道狀態(tài)和干擾信息，則可以根據(jù)頻譜效率最大化等原則，進(jìn)行最優(yōu)的MIMO模式自適應(yīng)。而在實(shí)際系統(tǒng)中，獲取實(shí)時(shí)且完整的信道信息往往造成過(guò)高的系統(tǒng)開(kāi)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(yīng)帶來(lái)系統(tǒng)增益的信道信息，是MIMO模式自適應(yīng)研究需解決的首要問(wèn)題。

MIMO技術(shù)在理論上已經(jīng)得到了深入研究，并在實(shí)際系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[3]，但關(guān)于MIMO模式自適應(yīng)的研究并不多，且其中大多集中在頻分雙工（FDD）系統(tǒng)[4]。本文將對(duì)TD-LTE系統(tǒng)的MIMO模式自適應(yīng)進(jìn)行介紹，重點(diǎn)關(guān)注的是TDD系統(tǒng)特有的波束成形TM7和TM8與其他模式的自適應(yīng)切換。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)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(yīng)的MIMO自適應(yīng)算法。為評(píng)估自適應(yīng)算法的合理性，進(jìn)行了性能驗(yàn)證試驗(yàn)。

2 MIMO模式和自適應(yīng)算法

MIMO技術(shù)是指參與通信的兩端采用多個(gè)天線進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的技術(shù)。由于物理上多天線的使用為信號(hào)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(jù)MIMO技術(shù)為通信系統(tǒng)提供的3類增益將其分為3類。

·空間復(fù)用技術(shù)：利用空間維度，在同一時(shí)頻資源上傳輸多路不同的信號(hào)，利用空間特征在接收端或發(fā)送端將不同信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)，形成“多流”傳輸，從而提高單位時(shí)間和單位頻率上的傳輸速率，即提供復(fù)用增益。

·波束成形技術(shù)：通過(guò)對(duì)發(fā)送或接收的各天線信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)加權(quán)處理，形成成形波束“指向”目標(biāo)用戶，還可以對(duì)無(wú)用信號(hào)進(jìn)行干擾抑制，達(dá)到提高鏈路質(zhì)量的效果，即提供成形增益。

·空間分集技術(shù)：類似于通信系統(tǒng)中經(jīng)常采用的頻率分集或時(shí)間分集，利用多個(gè)天線上信號(hào)衰落的不相關(guān)性，降低了所有信號(hào)都受深衰落影響而不能正常接收的可能性，從而提高無(wú)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(shù)還可以將多個(gè)用戶復(fù)用在同一時(shí)頻資源上進(jìn)行傳輸，即MU-MIMO模式，因篇幅所限，本文重點(diǎn)關(guān)注下行的單用戶MIMO技術(shù)。

2.1 TD-LTE中的MIMO模式

在LTE協(xié)議中，根據(jù)下行物理業(yè)務(wù)信道（PDSCH）所用MIMO技術(shù)的不同，定義了不同的傳輸模式。網(wǎng)絡(luò)通過(guò)RRC信令告知終端當(dāng)前PDSCH采用的MIMO模式和相關(guān)配置參數(shù)，終端則進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理和接收。除單天線模式TM1外，R8協(xié)議版本定義了TM2（發(fā)送分集空頻分組編碼（SFBC））、TM3（開(kāi)環(huán)空分復(fù)用）、TM4（閉環(huán)空分復(fù)用）、TM5（閉環(huán)MU-MIMO）、TM6（閉環(huán)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(huán)傳輸模式，即協(xié)議規(guī)定有限的預(yù)編碼碼本（相當(dāng)于量化后的空間信道信息），基站根據(jù)終端反饋的碼本編號(hào)（PMI），進(jìn)行碼本的選擇和預(yù)編碼處理。這幾種模式在目前的TD-LTE系統(tǒng)中應(yīng)用很少，因此本文未予考慮。TD-LTE具有TDD系統(tǒng)的上下行無(wú)線信道相關(guān)互易的特性，直接通過(guò)上行參考信號(hào)可以估計(jì)下行信道狀態(tài)，省去了終端反饋開(kāi)銷，更容易實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)的TM3、TM7、TM8。TD-LTE協(xié)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(tǒng)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹TD-LTE采用的TM2、TM3、TM7和TM8。

（1）發(fā)送分集（TM2）

LTE系統(tǒng)采用時(shí)頻塊編碼（SFBC）實(shí)現(xiàn)空間發(fā)送分集。SFBC將兩個(gè)連續(xù)的調(diào)制符號(hào)Si和Si+1映射到兩個(gè)連續(xù)的子載波上，在天線端口0發(fā)送；而在天線端口1，則將上述兩個(gè)符號(hào)進(jìn)行處理和翻轉(zhuǎn)，在同樣的兩個(gè)子載波上，發(fā)送符號(hào)-S*i+1和S*i。SFBC不需要發(fā)送端獲知信道信息，而接收端只需簡(jiǎn)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(shè)計(jì)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(lái)的開(kāi)銷和時(shí)延。

（2）開(kāi)環(huán)空分復(fù)用（TM3）

在發(fā)送端沒(méi)有信道狀態(tài)信息的情況下，可以使用開(kāi)環(huán)的預(yù)編碼實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用，即用TM3同時(shí)傳輸兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)流。對(duì)于第i個(gè)子載波，TM3的預(yù)編碼矩陣為：

該矩陣對(duì)第二個(gè)天線端口的頻域信號(hào)進(jìn)行了相位旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于時(shí)域上的循環(huán)時(shí)延發(fā)送（CDD）[5]。相比TM2發(fā)送分集，TM3的頻譜效率翻倍。

（3）單流波束成形（TM7）

R8協(xié)議定義了TM7以及下行專用導(dǎo)頻DRS和上行參考信號(hào)（SRS）實(shí)現(xiàn)單流波束成形。所謂單流是指在多根發(fā)送天線上傳輸同一數(shù)據(jù)流x（TD-LTE的基站物理天線采用4對(duì)交叉極化天線，即8個(gè)物理天線）。首先，基站通過(guò)檢測(cè)終端在上行發(fā)送的SRS估計(jì)下行信道矩陣H；然后，根據(jù)H計(jì)算預(yù)編碼矩陣w，對(duì)x進(jìn)行預(yù)編碼處理。理想情況下，發(fā)送端對(duì)H進(jìn)行SVD分解，即H=UΣVH，獲得發(fā)送端預(yù)編碼矩陣w=V，并采用water-filling功率分配；而接收端用矩陣UH進(jìn)行接收，可以最大化MIMO信道容量。然而，實(shí)際系統(tǒng)中終端大部分并不支持天線選擇性發(fā)送技術(shù)[6]，即只用單天線發(fā)送SRS，這樣基站獲得的信道為一向量h={h1，h1，…，h8}，最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣為w=h*/||h||，即最大比發(fā)送。理論上，N根發(fā)送天線可以獲得10lgN dB的成形增益。實(shí)際中，由于信道估計(jì)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(zhì)量，但只能單流發(fā)送；TM3的雙流發(fā)送提高了頻譜效率，但無(wú)成形增益。為同時(shí)獲取成形增益和復(fù)用增益，R9協(xié)議針對(duì)TD-LTE系統(tǒng)的特點(diǎn)，增加了TM8。

（4）雙流波束成形(TM8)

TD-LTE中，基站的8個(gè)發(fā)送天線和終端的2個(gè)接收天線組成一個(gè)2×8的信道矩陣，理論上最多可以傳輸兩路不同的數(shù)據(jù)流。R9協(xié)議定義了新的專用導(dǎo)頻信號(hào)(DMRS)，同一用戶可分配兩個(gè)正交的DMRS，使終端可以估計(jì)兩流的信道，從而實(shí)現(xiàn)雙流傳輸。理論上最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣可由上述SVD分解方式獲取，但實(shí)際應(yīng)用中，因復(fù)雜度因素和SRS單天線發(fā)送等限制，往往采用其他次優(yōu)的預(yù)編碼方式。由于TM8的預(yù)編碼矩陣是2×8的，相比TM3的2×2預(yù)編碼矩陣，每流信號(hào)可以利用多出的3個(gè)發(fā)送空間維度來(lái)獲取成形增益，因此，TM8可以同時(shí)獲取復(fù)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(dǎo)頻信號(hào)（CRS）更多的子載波，在接收信干噪比（SINR）足夠高時(shí)，受限于調(diào)制編碼方式的上限，成形增益不能帶來(lái)性能提升，而導(dǎo)頻開(kāi)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(dǎo)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(yīng)

MIMO技術(shù)所提供的增益依賴于無(wú)線信號(hào)的“空間”特性。無(wú)線信道環(huán)境的不同，加上LTE系統(tǒng)采用的自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）技術(shù)，會(huì)導(dǎo)致上述各個(gè)天線模式的性能增益不同。例如，雖然空分復(fù)用可以成倍提高系統(tǒng)容量和頻譜效率，但并非在任何環(huán)境下都可以使用：在SINR較低時(shí)，空分復(fù)用的流間相互干擾嚴(yán)重，每流的有效SINR很低，只能采用低階的調(diào)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(duì)于移動(dòng)用戶，其信道環(huán)境也經(jīng)常發(fā)生變化。因此，需根據(jù)信道特性選擇合適的傳輸模式，并根據(jù)信道特性的變化而切換模式，即MIMO模式自適應(yīng)，以使網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)。

與MIMO技術(shù)密切相關(guān)的信道特性包括接收信號(hào)質(zhì)量和信道空間相關(guān)性。接收信號(hào)質(zhì)量由大尺度衰落和干擾情況等因素決定，而信道空間相關(guān)性則與發(fā)送和接收天線的相關(guān)性、多徑衰落、有無(wú)直射徑等因素相關(guān)。MIMO模式與信道特性的關(guān)系可歸納如下：

·TM3雙流適用于高SINR、低空間相關(guān)的環(huán)境，獲取空分復(fù)用增益；

·TM8雙流適用于高SINR、高空間相關(guān)的環(huán)境，獲取空分復(fù)用和波束成形增益；

·TM7波束成形適用于低SINR、高空間相關(guān)的環(huán)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(dòng)場(chǎng)景，獲取較穩(wěn)定的分集增益。

TD-LTE系統(tǒng)的下行信道信息有以下兩種獲取方式。

·通過(guò)終端反饋（CQI和RI）：CQI為終端根據(jù)自身接收信噪比和接收機(jī)能力估計(jì)的調(diào)制編碼等級(jí)，可以反映接收信號(hào)質(zhì)量；RI為信道矩陣的秩數(shù)，表示了信道的空間相關(guān)性。

·通過(guò)上下行信道互易性：如果終端支持上行選擇性輪流發(fā)送，則基站可以通過(guò)上行SRS信號(hào)估計(jì)信道空間相關(guān)性（即信道矩陣的秩數(shù)）。需要指出的是，由于下行干擾的存在，不能采用上行SRS估計(jì)下行的接收信號(hào)質(zhì)量。若終端只用單天線發(fā)送SRS，雖不能估計(jì)秩數(shù)，但仍可估計(jì)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(yīng)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(diǎn)，筆者給出TD-LTE的MIMO模式自適應(yīng)算法，如圖1所示。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，R8協(xié)議終端為TM2/3/7模式自適應(yīng)，R9協(xié)議終端則采用TM2/3/8自適應(yīng)。為統(tǒng)一描述算法，下面將TM2和其他MIMO模式的SFBC子模式統(tǒng)稱為SFBC，TM3和TM8的雙流模式統(tǒng)稱為空分復(fù)用（SM），TM7和TM8的單流模式統(tǒng)稱為單流BF。算法根據(jù)終端上報(bào)的CQI和RI以及基站通過(guò)SRS估計(jì)的成形增益和信道變化速度，在SFBC、SM和BF間進(jìn)行自適應(yīng)切換。

圖1 MIMO模式自適應(yīng)

·SFBC和SM：工作在SFBC模式時(shí)，當(dāng)終端上報(bào)RI=2的次數(shù)達(dá)到一個(gè)門限，且CQI高于門限CQI_SFBC2SM時(shí)，切換到SM模式；而工作在SM模式時(shí)，當(dāng)終端上報(bào)RI=1的次數(shù)達(dá)到一個(gè)門限，且CQI低于門限CQI_SM2SFBC時(shí)，切換到SFBC模式。

·SM和BF：工作在SM模式時(shí)，當(dāng)終端上報(bào)CQI低于門限CQI_SM2BF時(shí)，切換到BF模式；而工作在BF模式時(shí)，當(dāng)終端上報(bào)RI=2的次數(shù)達(dá)到一個(gè)門限，且CQI高于門限CQI_BF2SM時(shí)，切換到SM模式。

·BF和SFBC：工作在BF模式時(shí)，當(dāng)基站估計(jì)的成形增益低于門限值（可設(shè)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(jì)的信道變化速度較快，例如等效信道速度超過(guò)90 km/h，則切換到SFBC模式；而工作在SFBC模式時(shí)，當(dāng)基站估計(jì)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?！ぶС諶9協(xié)議的終端，還存在TM8雙流SM和TM3雙流SM間的切換：基站根據(jù)估計(jì)的成形增益，計(jì)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(shí)延較大，而模式內(nèi)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(shí)間根據(jù)終端版本能力不同，進(jìn)行TM3/7切換或TM3/8切換。

3 性能驗(yàn)證

為評(píng)估考慮上述因素的多天線模式自適應(yīng)算法是否合理有效，筆者進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

首先，驗(yàn)證TM2/3/7自適應(yīng)算法是否合理有效。由于自適應(yīng)的目的是在各種不同的信道條件下都能使用最優(yōu)的MIMO模式，那么合理性可以通過(guò)對(duì)MIMO模式自適應(yīng)的性能與固定MIMO模式的性能進(jìn)行比較，如果MIMO自適應(yīng)的性能在各種環(huán)境下相比任何固定模式都是最優(yōu)的，就可以驗(yàn)證自適應(yīng)算法的合理性。

實(shí)驗(yàn)采用了真實(shí)TD-LTE基站設(shè)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(duì)各種MIMO模式的下行PDCP層吞吐量性能進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖2所示。從結(jié)果可以看到，模式自適應(yīng)TM3/7在各個(gè)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(yōu)值，因此，該自適應(yīng)算法是合理有效的。

其次，對(duì)TM3/8自適應(yīng)在外場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。外場(chǎng)試驗(yàn)可更準(zhǔn)確地反映自適應(yīng)算法的能力，通過(guò)對(duì)比TM3/7自適應(yīng)與TM3/8自適應(yīng)的性能，驗(yàn)證TM3/8自適應(yīng)是否能合理地在TM3雙流、TM8單流、TM8單流間進(jìn)行選擇，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。在單用戶試驗(yàn)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(diǎn)，其接收SINR依次下降），進(jìn)行下載業(yè)務(wù)，比較下行吞吐量性能。從結(jié)果看到，TM3/8自適應(yīng)下，在基站近旁的信號(hào)質(zhì)量極好點(diǎn)，算法采用了TM3，避免了TM8導(dǎo)頻開(kāi)銷問(wèn)題，可以獲得最高峰值速率；在小區(qū)內(nèi)部的好點(diǎn)和中點(diǎn)，信號(hào)質(zhì)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(qū)邊緣，信號(hào)質(zhì)量較差處，無(wú)法進(jìn)行雙流傳輸，此時(shí)算法選擇了TM8的單流，性能與TM7單流相當(dāng)。還進(jìn)行了多用戶試驗(yàn)，即在極好點(diǎn)、好點(diǎn)、中點(diǎn)、差點(diǎn)各放置2、8、6、4部終端（共20部終端），同時(shí)進(jìn)行下載業(yè)務(wù)。結(jié)果顯示TM3/8自適應(yīng)相比TM3/7自適應(yīng)可將小區(qū)吞吐量提升20%，如圖3(b)所示，該增益主要來(lái)自TM8雙流所帶來(lái)的性能優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

MIMO模式自適應(yīng)是TD-LTE系統(tǒng)中提高頻譜效率和用戶體驗(yàn)的重要技術(shù)。本文在對(duì)MIMO模式進(jìn)行簡(jiǎn)要回顧的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了MIMO模式自適應(yīng)需要的信道信息獲取方式以及利用這些信息的自適應(yīng)算法。通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了自適應(yīng)算法的性能和合理性。結(jié)果顯示，MIMO自適應(yīng)可以適配變化的無(wú)線傳播環(huán)境，選擇最優(yōu)的MIMO模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)系統(tǒng)性能有明顯提升。

TD-LTE除支持本文重點(diǎn)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(yīng)，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(guān)性和業(yè)務(wù)需求等因素，有待進(jìn)一步研究。

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