关于多天线技术的优化应用方案

多天线（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术是指将用户数据分解为多个并行的数据流，在指定的宽带内由多个发射天线上同时刻发射，经过无线传播后，由多个接收天线接收，并根据各个并行数据流的空间特性，解调出原数据流。采用多天线技术，在低信噪比区域，应用传输分集技术和波束赋形技术可有效提高接收信号的信噪比，从而提高传输速率或覆盖范围；在高信噪比区域，可应用空间复用技术来提高传输速率。

在下行链路，多天线发送方式主要包括传输分集、波束赋形、空间复用以及多用户MI_- MO等。目前MIMO技术下行基本天线配置为2×2，即2天线发送和2天线接收，最大支持4天线进行下行方向传输。在上行链路，包括空间复用和传输分集，目前MIMO上行天线配置为1×2，即1天线发送和2天线接收。

1.传输分集

在无线通信系统中，分集技术主要用于对抗衰落、提高链路可靠性。传输分集的主要原理是，利用空间信道的弱相关性，结合时间/频率上的选择性，为信号的传递提供更多的副本，提高信号传输的可靠性，从而改善接收信号的信噪比。空间发射分集利用了分集增益的原理，在基站发射端，对发射的信号进行预处理，采用多根天线进行发射，在接收端通过一定的检测算法获得分集信号。

TD-LTE中发射分集技术的实现方式有：空时发射分集、空频发射分集、延时发射分集、循环延时发射分集、切换发射分集等。

（1）空时发射分集

通过对不同的天线发射的信号进行空时编码达到时间和空间分集的目的，在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声导致的符号错误概率。空时编码通过发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使信号在接收端获得时间和空间分集增益。

STBC适用于窄带慢衰落无线信道，对于实际的宽带无线信道，直接应用STBC并不合适。将空时分组码与OFDM结合，便构成了空频块码（Space Frequency Block Code，SF_- BC）。SFBC系统中，发射端的信息比特经过调制得到信息符号，经SFBC编码，然后分流并进行OFDM调制，在各个天线中发送出去。接收端先对各天线收到的信号进行OFDM解调，然后利用解调后的频域数据进行信道估计，并将由此得到的频域信道信息连同频域接收数据一起送往SFBC译码器进行译码，再经解调恢复得到原始信息比特。

（2）延时发射分集

延时发射分集是一种最基本的发射分集方式，最初应用于单载波系统。在这个方案中，发射端使用多个天线传输信号，相同信号的副本引入不同的时间延迟在不同的天线上发送，各个路径的信号在统计意义上相互独立。该方案将空间分集转化为频率分集，利用频率分集增益，降低系统的差错概率。

在接收端，系统的接收机结构与单天线接收机完全一致。但是为了避免延时发射分集造成的码间干扰，接收端需要利用均衡技术消除干扰，如采用最大似然序列估计（MLSE）/最小均方误差（MMSE）算法，或用维特比译码法均可获得分集增益。延时发射分集适用于改善平坦衰落信道或时延扩展较小的信道的信道质量。

（3）循环延时发射分集

在不同的发射天线上发送具有不同延时的同一个信号，人为地制造时间弥散，来获得分集增益。延时发射分集获得了分集增益，但是引入了码间干扰，接收机需要采用均衡器来消除干扰，这增加了接收机的复杂度。为解决这个问题，提出了循环延时发射分集（Cy_- clic Delay Diversity，CDD）。在循环延时发射分集系统中，各个天线支路的信号并没有在时间上滞后，而是在信号内部进行了循环移位，既不会产生码间干扰也不用增加循环前缀的长度，此方案可以在不增加接收机的复杂度的前提下获得分集增益。在插入循环前缀之前，将同一个OFDM符号分别循环移位D_m个样点，其中m（m=1，…，M）表示天线序号，然后每个天线根据各自对应的循环移位之后的版本，分别加入各自的CP并将信号发射出去。

2.波束赋形

波束赋形（Beam Forming）是一种基于天线阵列的信号与预处理技术，其工作原理是利用空间信道的强相干性及波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向，从而提高信噪比，获得明显的阵列增益，波束赋形技术在扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量以及干扰抑制等方面都有很大的优势。波束赋形的权值仅仅需要匹配信道的慢变化，比如来波方向（Direction Of Arrival，DOA）和平均路损。因此，在进行波束赋形时，可以不利用终端反馈所需信息，而在基站侧通过测量上行接收信号获得来波方向和路损信息。

为了获得波束赋形增益，需要使用较多的天线单元，而目前LTE仅仅考虑最多使用4个公共导频，无法支持在超过4根天线单元的天线阵列上使用波束赋形，因此波束赋形需要使用专用导频。波束赋形技术已经在TD-SCDMA系统中得到了成功的应用，在TD_- LTE R8中采用了单流波束赋形技术。TD-LTE R9中则将波束赋形技术扩展到了双流波束赋形。

（1）单流波束赋形(www.xing528.com)

LTE R8中仅支持基于专用导频的单流波束赋形技术。传输过程中，UE需要通过对专用导频的测量来估计波束赋形后的等效信道，并进行相干检测。为了能够估计波束赋形后传输所经历的信道，基站必须发送一个与数据同时传输的波束赋形参考信号，这个参考信号是用户专用的，对应于用户专用参考信号的传输称为使用天线端口5的传输。

单流波束赋形可根据赋形向量的获得分为长期波束赋形和短期波束赋形两种。短期的波束赋形最常见的是基于奇异值分解（Singular Value Decomposition，SVD）波束赋形，长期的波束赋形通常称为基于来波方向的波束赋形。DOA波束赋形是一种长期波束赋形技术，即赋形加权向量是基于远大于信道相干时间的一段时间内对信道的测量。

（2）双流波束赋形

LTE R9中将波束赋形扩展到了双流传输，实现了波束赋形与空间复用技术的结合。双流波束赋形技术应用于信号散射体比较充分的条件下，结合了智能天线技术和MIMO空间复用技术，利用TDD信道的对称性，同时传输多个数据流实现空分复用，并且能够保持传统单流波束赋形技术覆盖广、小区容量大和干扰小的特性，既可以提高边缘用户的可靠性，同时可有效提升小区中心用户的吞吐量。

在双流赋形中，UE基于对专用导频的测量估计波束赋形后的等效信道。对于TDD系统，更适合利用信道的互易性并采用非反馈预编码矩阵的码本号（Pre-coding Matrix Index，PMI）的方式实现双流波束赋形。eNodeB通过对SRS的测量获得信道状态信息（Channel State Information，CSI）并计算每个流的波束赋形向量。

3.空间复用

LTE既支持开环方式的空间复用，也支持闭环方式的空间复用。开环方式的空间复用系统中，接收端不能获得任何信道状态信息，各个并行的数据流均等地分配功率与传输速率，并采用全向天线进行发射。在这种开环的方式中，接收机需要通过均衡算法匹配信道进行信号接收，而发送信号并未与信道相匹配。闭环方式的空间复用（即预编码技术）系统中，接收端将信道状态信息反馈给发送端，发送端对发射信号的空间特性进行优化，使发送信号的空间分布特性和信道条件相匹配，因而可以有效降低接收机均衡算法的复杂度获得更好的性能。

预编码技术可以分为线性或非线性方法，目前考虑到非线性方法的复杂度，无线通信系统中一般只考虑线性预编码。线性预编码的作用就是将天线域的处理转换为波束域的处理，在发射端利用已知的空间信道信息进行预处理操作，进一步提高用户和系统的吞吐量。

线性预编码按预编码矩阵的获得位置分为两大类：非码本的预编码（Non-codebook based pre-coding）和基于码本的预编码（Codebook based pre-coding）。所谓码本，是指有限个预编码矩阵所构成的集合。基于码本的预编码方式中，可用的预编码矩阵只能从特定的码本中选取。而非码本方式的预编码中，并不对可选用的预编码的个数进行限制，预编码矩阵可以是任何符号设计规则与应用条件限制的矩阵。

（1）非码本的预编码方式

在非码本的预编码方式中，预编码矩阵在发射端获得。发射端利用预测的CSI进行预编码矩阵的计算。在TD-LTE系统中，CSI可以利用信道对称性获得。常见的预编码矩阵的计算方法有奇异值分解、均匀信道分解（Uniform Channel Decomposition，UCD）等。

为了使UE能够进行相干解调，非码本的预编码方式要求使用专用导频，即数据符号和导频符号一起进行预编码操作。这样接收端只需通过信道估计就可以获得预编码后的等效信道。

（2）基于码本的预编码

实际通信系统中，反馈信息会占用很多的资源，尤其在快衰落信道中，对反馈信息的效率和准确度要求较高，这时采用基于码本的预编码。由于只需要反馈预编码矩阵的码本号（Pre-coding Matrix Index，PMI），能够节省反馈信道资源并快速跟踪信道的变化。基于码本的预编码方式中，预编码矩阵在接收端获得。UE根据公共导频（CRS）测量下行信道，利用预测的信道状态信息，在预定的预编码矩阵码本中进行预编码矩阵的选择，并将选定的预编码矩阵的序号反馈给发射端。

eNodeB在下行传输过程中，将以UE上报的预编码矩阵的码本号（PMI）为参考对数据进行预编码。考虑到eNodeB在下行使用的预编码矩阵可能与UE上报的PMI不一致，为了保证UE能获知预编码后的等效信道并对下行数据进行相干解调，eNodeB需要在下行控制信令中明确指示其所用的预编码矩阵。基于码本的CQI计算过程能够反映UE的处理算法，因而相对比较准确。但是，基于码本的预编码方法存在量化精度损失的问题，因此预编码矩阵不能与信道精确地匹配。