3D-MIMO技術(shù)在后LTE時代中的應(yīng)用

張彬，溫正陽

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司河北分公司，河北 石家莊 050021）

3D-MIMO技術(shù)在后LTE時代中的應(yīng)用

張彬，溫正陽

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司河北分公司，河北 石家莊 050021）

基于有源天線陣列的3D-MIMO技術(shù)是目前LTE系統(tǒng)中MIMO技術(shù)的演進(jìn)，對空間域的利用更加充分，可進(jìn)一步提升無線通信系統(tǒng)的性能。通過介紹3D-MIMO的技術(shù)特點及典型應(yīng)用場景，提出了一種基于矩陣奇異值分解的三維動態(tài)波束賦形算法，該算法對基站天線陣列兩個維度與接收天線之間的信道矩陣的SVD分解向量進(jìn)行組合得到發(fā)射端波束賦形向量，為3D-MIMO的實際應(yīng)用提供參考。

3D-MIMO 動態(tài)波束賦形 奇異值分解

1 引言

眾所周知，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）和OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）是LTE系統(tǒng)物理層的兩大關(guān)鍵技術(shù)[1-3]，也是整個LTE系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。其中，MIMO技術(shù)對于提高系統(tǒng)的有效性（即數(shù)據(jù)傳輸速率）與可靠性、控制干擾以及提高系統(tǒng)容量有著關(guān)鍵作用。在3GPP LTE第一個商用版本R8中，協(xié)議定義了TM1～TM7這7種傳輸模式，包含了發(fā)射分集、空間復(fù)用、波束賦形等MIMO的典型應(yīng)用，在R8版本中預(yù)編碼方式僅支持基于碼本的預(yù)編碼，解調(diào)是基于CRS（Cell-specific Reference Signals，公共參考信號），下行多用戶MIMO最多只支持2個Rank1 UE。R9是R8的完善和增強版本，該版本中增加了傳輸模式TM8，即雙流波束賦形；參考符號設(shè)計方面，在公共參考信號CRS基礎(chǔ)上增加了專用導(dǎo)頻，從而增加了波束賦形/預(yù)編碼的靈活性；預(yù)編碼反饋方面，除了基于碼本的方案外，還增加了基于信道互易性的反饋方式，對TDD進(jìn)行了針對性優(yōu)化；多用戶MIMO方面也有所增強，可以支持4個Rank1 UE或2個Rank2 UE[4]。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展及用戶不斷增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，對系統(tǒng)傳輸速率與頻譜效率的需求必然將不斷提升，因此對MIMO技術(shù)的增強與優(yōu)化始終是LTE系統(tǒng)演進(jìn)的一個重要方向。在LTE-Advanced的R10版本中，對MIMO進(jìn)一步增強，增加了傳輸模式TM9，下行傳輸最多支持8個數(shù)據(jù)流，與之對應(yīng)的碼本設(shè)計也進(jìn)行了更新；參考信號方面增加了測量參考信號CSIRS，與專用導(dǎo)頻相配合，一個用來解調(diào)，一個用來測量，降低了系統(tǒng)的導(dǎo)頻開銷；R10還增加了對上行MIMO的支持，且最大可支持4個數(shù)據(jù)流，使MIMO技術(shù)的發(fā)展達(dá)到階段性的頂峰。經(jīng)過3個版本的發(fā)展后，MIMO技術(shù)在R11版本中進(jìn)入“冬歇期”，然而通信工程師們對技術(shù)的追求總是無止境的，在R12中閃亮登場的3D-MIMO技術(shù)又掀起了一波研究高潮。具體如圖1所示。

2 3D-MIMO技術(shù)介紹

在現(xiàn)有的通信系統(tǒng)當(dāng)中，受限于傳統(tǒng)的基站天線構(gòu)架，基站發(fā)射端波束僅能在水平維度進(jìn)行調(diào)整，而在垂直維度，一旦基站開通優(yōu)化后，對小區(qū)內(nèi)所有用戶都是固定的下傾角，因此各種波束賦形/預(yù)編碼技術(shù)等均是基于水平維信道信息的。事實上，由于傳播信道是個三維空間，固定下傾角的方法往往不能使系統(tǒng)的吞吐量達(dá)到最優(yōu)。如圖2所示，隨著小區(qū)用戶數(shù)的增多，用戶分布在小區(qū)內(nèi)的不同區(qū)域，包括小區(qū)中心和小區(qū)邊緣，使用傳統(tǒng)的二維波束賦形只能根據(jù)水平維的信道信息進(jìn)行水平方向上的區(qū)分，而不能在垂直維對用戶進(jìn)行區(qū)分，當(dāng)兩個用戶的水平分布角度相同時，就不可避免地會產(chǎn)生干擾。

圖1 LTE演進(jìn)路線

圖2 二維波束賦形示意圖

傳統(tǒng)二維波束賦形的這種不足是與天線結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的。眾所周知，目前的基站天線端口對應(yīng)于一個水平方向上排列的線性陣列，調(diào)整各物理天線端口的幅度相位就只能控制信號在水平維的分布。隨著AAS（Active Antenna System，有源天線系統(tǒng)）的發(fā)展，改變了原有天線結(jié)構(gòu)，AAS陣列由多個功率相對較低且相對獨立的陣子與射頻集成模塊構(gòu)成，可以通過獨立控制每個有源天線陣子而具有高效靈活的波束控制能力。目前一些設(shè)備廠商已有AAS產(chǎn)品，如阿爾卡特朗訊的LightRadio、諾西的LiquidRadio以及中興的BeamHop等?；谟性刺炀€的二維天線陣列使得MIMO系統(tǒng)得以充分利用垂直維度的傳播空間，將2D-MIMO演進(jìn)為3D-MIMO，為LTE傳輸性能提升開拓了更廣闊的空間，使進(jìn)一步降低小區(qū)間干擾、提高系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率成為可能[5]，受到多個廠家及研究人員的關(guān)注，成為3GPP R12的研究重點。

如前所述，3D-MIMO系統(tǒng)中引入了對垂直空間維度的控制，通過隨時調(diào)整天線下傾角，使波束不僅可以在水平方向進(jìn)行掃描，而且還可以在垂直方向進(jìn)行掃描，這種波束賦形具有“三維立體”的特點，從而能夠更好地跟蹤目標(biāo)用戶，進(jìn)一步提高SINR并減少對其他UE的干擾，如圖3所示：

圖3 三維波束賦形示意圖

除了三維波束賦形，3D-MIMO技術(shù)還有另外兩種應(yīng)場景[6]：一種應(yīng)用是如圖4所示的小區(qū)分割功能，小區(qū)分割可以利用不同水平角度及垂直角度的波束對應(yīng)不同的小區(qū)，提高時頻資源的重復(fù)利用率，其實就是更高效的空分復(fù)用，比如可以用來實現(xiàn)對市區(qū)高層樓宇的覆蓋，同一面天線的不同波束各對應(yīng)1個小區(qū)，分別指向樓宇的中低樓層和高部樓層；另一種應(yīng)用就是把3D-MIMO技術(shù)和CoMP（Coordinated Multi-Point，協(xié)作多點傳輸）技術(shù)相結(jié)合，如圖5所示，比如在HetNet（Heterogeneous Network，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)）[7-8]中小基站可通過實時調(diào)整下傾角改變覆蓋（服務(wù)）范圍，為宏基站分流或者降低干擾。

圖4 小區(qū)分割示意圖

圖5 基于3D-MIMO的CoMP示意圖

值得注意的是，三維波束賦形要想從理論層面落實到協(xié)議層面，還有很多工作要做，更高空間維度的引入使得參考信號設(shè)計、信道狀態(tài)信息的測量、反饋機制及新的碼本方案等都需要更新或重新設(shè)計。下面筆者將針對三維波束賦形/預(yù)編碼的賦形矩陣計算進(jìn)行分析。

3 三維波束賦形算法分析

如前所述，3D-MIMO的引入可以彌補傳統(tǒng)二維波束賦形不能充分利用空間自由度的缺陷，隨之而來的問題就是需要重新設(shè)計與三維信道矩陣相匹配的波束賦形/預(yù)編碼矩陣。

3.1 系統(tǒng)模型

假設(shè)基站側(cè)的二維天線陣列陣子數(shù)為Nh×Nv，終端的接收天線數(shù)量為Nr。每層天線陣子與終端間的水平維度信道狀態(tài)信息為Hh,i（i=1,2,…,Nv）；每列天線陣子與終端間的垂直維度信道狀態(tài)信息為Hv,j（j=1,2,…,Nh）；二維天線陣列與終端之間的三維信道矩陣定義為H，由Nr×Nh×Nv個元素組成。

3.2 基于SVD分解的波束賦形/預(yù)編碼算法

實現(xiàn)波束賦形/預(yù)編碼的算法有很多，本文將討論基于SVD（Singular Value Decomposition，奇異值分解）[9-10]的計算方法。對于任意一個信道矩陣H，通過SVD分解可以得到如下3個矩陣：

其中，U和V是2個酉矩陣；Σ是由H矩陣的特征值做角焦線元素的對角陣，代表了信道矩陣H的獨立路徑數(shù)量及路徑質(zhì)量情況，分別對應(yīng)特征值數(shù)量和特征值大小。

終端接收的信號為：

如果發(fā)射端乘以矩陣V，接收端乘以矩陣U，則接收端信號可表示為：

經(jīng)過這一步處理后，接收端便可以線性求解出發(fā)送數(shù)據(jù)x，V即稱為波束賦形/預(yù)編碼矩陣（實際應(yīng)用中根據(jù)數(shù)據(jù)流個數(shù)取V的前m列）。

根據(jù)這種思路，先計算天線每層水平陣子與終端間矩陣的波束賦形矩陣為：

V’h,i代表Vh,i的前m列，m為MIMO系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流數(shù)，則各層組成的水平波束賦形矩陣可表示為：

同理，天線每列陣子與終端之間的波束賦形矩陣為：

V’v,j代表Vv,j的前m列，m為MIMO系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流數(shù)，則各列組成的垂直波束賦形矩陣可表示為：

最后得到Nh×Nv×m維矩陣V=Vh×Vv，即為3D-MIMO系統(tǒng)的動態(tài)波束賦形矩陣。其中，定義Vh×Vv為2個矩陣對應(yīng)元素相乘。

4 結(jié)束語

本文介紹了基于有源天線陣列的3D-MIMO技術(shù)特點和應(yīng)用場景，并對3D-MIMO中的三維波束賦形算法進(jìn)行了探討，相信隨著研究的不斷深入和技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，3D-MIMO技術(shù)必將在未來移動通信系統(tǒng)中大放異彩。

[1] 3GPP TS 36.211. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network Physical Channels and Modulation[S]. 2009.

[2] 沈嘉,索世強,全海洋,等. 3GPP長期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2008.

[3] 吳偉陵,牛凱. 移動通信原理[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

[4] 許森,張光輝,曹磊. 大規(guī)模多天線系統(tǒng)的技術(shù)展望[J].電信技術(shù), 2013(12): 25-28.

[5] 大唐電信集團. 大唐移動布局TD-LTE多天線技術(shù)領(lǐng)域，推動3D MIMO技術(shù)發(fā)展[N]. 中國電子報, 2014-05-16(3).

[6] R1-130089. Scenarios for 3D-MIMO and FD-MIMO[R]. 2013.

[7] 李軍. 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合理論與技術(shù)實現(xiàn)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

[8] 賀昕,李斌. 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)[M]. 北京: 北京郵電大學(xué)出版社, 2008.

[9] 曾祥金,吳華安. 矩陣分析及其應(yīng)用[M]. 武漢: 武漢大學(xué)出版社, 2007.

[10] 彭雄奇. 矩陣論及其應(yīng)用[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2011.★

張彬：高級工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，現(xiàn)任職于中國移動通信集團設(shè)計院有限公司河北分公司，主要從事WLAN/3G/LTE網(wǎng)絡(luò)方面的規(guī)劃設(shè)計和咨詢工作。

溫正陽：初級工程師，碩士畢業(yè)于華北電力大學(xué)電子與通信工程學(xué)院，現(xiàn)任職于中國移動通信集團設(shè)計院有限公司河北分公司，主要從事LTE網(wǎng)絡(luò)方面的規(guī)劃設(shè)計和咨詢工作。

Application of 3D-MIMO Technology in Beyond LTE Era

ZHANG Bin, WEN Zheng-yang
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Hebei Branch, Shijiazhuang 050021, China)

3D-MIMO technology based on the active antenna array is an evolution of MIMO technology in LTE systems at present. It can make full use of space domain and further improve the performance of wireless communication system. Firstly, the technical features and the typical application scenes of 3D-MIMO technology were introduced. Then, a 3D dynamic beam forming algorithm based on SVD of channel state matrix was presented. In this algorithm, the two dimensions of base station antenna array and the SVD decomposed vector of channel matrix of the receiving antenna were combined to form a beam forming vector of the transmitter. Finally, the algorithm provides useful reference to the practical application of 3D-MIMO technology.

3D-MIMO dynamic beam forming singular value decomposition

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.10.005

TN92

A

1006-1010(2015)10-0028-04

張彬,溫正陽. 3D-MIMO技術(shù)在后LTE時代中的應(yīng)用[J]. 移動通信, 2015,39(10): 28-31.

2015-02-11

責(zé)任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn