多天线MIMO演进的分析介绍

标准中规定了多种下行链路LTEMIMO传输方案，主要用于支持四个发射天线端口配置。表9-17对这些方案及其使用的术语进行了简要的归纳。

表9-17 下行链路单用户MIMO传输方案的LTE规范。MIMO预编码的码本大小和码字传输模式

（续）

MIMO秩代表空间层（数据流）数，而MIMO码字用于对两个空间层进行联合编码。在这种上下文中，闭环MIMO操作可以使用基于码本的预编码方案来实现，即可以在固定数目的概率值中选择应用于基站端的天线权值（矢量或矩阵），从而形成一个量化码本集。表9-17对这些码本的大小进行了归纳。同时，对于所有单用户空间复用MIMO方案来说，通常假定复用后的空间层传送给同一移动台（Mobile Station，MS）。

在实际系统中，为了确保MIMO方案的性能，在eNodeB和UE端，整个无线层1（L1）和无线层2（L2）资源管理应当包含MIMO感知方案的最小集。来自于UE的所需反馈信息的最小集，主要用于支持下行链路自适应空间复用MIMO传输，它包括：

1）信道状态/质量信息（CQI）：与一般信道状态有关的、根据物理资源和MIMO码字估计得出的直接（如SINR）或间接（如MCS）信息；

2）MIMO秩信息：表示使用空间层（数据流）的最佳值，以及对应的预编码矢量/矩阵编号（PMI）；

3）HARQ信息：表示调度MIMO空间层上传输数据分组的接收状态（确认/非确认）。

前两项（即CQI和PMI）是由移动台根据下行链路导频测量值估计出来的，并以量化形式传回基站。对于单/双码字MIMO传输来说，当执行链路自适应和最优分组调度时，HARQ机制会对无线资源管理块的自由度产生影响。

移动台反馈信息与信道/信号估计性能密切相关，由于受到实际系统设计限制条件（参考符号、测量/估计时间、传播时延等）的影响，信道/信号估计值存在一个上限。同时，所有这些反馈信息需要上行链路来控制信道容量，这样会最大限度地降低对反馈信息进行编码所用的信息位数，并在MIMO可实现性能与所需上行链路容量之间进行适当折衷，这是非常重要的。

参考文献[6，7]在实际类似LTE的假设条件下，对因来自终端的反馈信息数量有限且含有较大噪声而导致系统级性能降低的问题进行了研究，并给出了研究成果。下面我们将简要介绍在MIMO简单参考配置中，与这些性能折衷有关的主要观点。无线资源管理方面的问题我们已经在第8章进行了介绍。

从理论上讲，对于每个单独编码的空间层来说，使用空间复用MIMO方案的最佳链路自适应操作需要用到各个CQI测量值。在没有较大性能损失的情况下，通过将空间层分为两组，每组都使用两层中的最大值，这样对于当前讨论的MIMO传输方案来说，两个CQI测量值就已经足够，从而降低了CQI反馈信息的数量。每组空间层是单独进行编码的，且每组对应一个码字，见表9-17。

除了典型的链路自适应之外，自适应MIMO传输方案的最佳操作还需要一个MIMO秩自适应机制。一种简单直观的方案是在终端处选择一个最佳的MIMO秩，这样就能够最大限度地提高瞬时下行链路用户吞吐量。最佳预编码矢量/矩阵可以根据各种标准确定：最大波束形成增益、最大SINR或最大吞吐量。简单起见，我们使用第一项标准，因为该标准仅要求计算信号功率电平。后面的标准都比较复杂，且需要与已分配物理资源块数、干扰电平以及使用调制和编码方案等有关的信息。

根据瞬时信道状态，终端估计最佳的MIMO秩，以及对应的最佳预编码矢量/矩阵。理想情况下，应当对每个物理资源块的MIMO秩和PMI进行估计，采用频率选择性MIMO自适应方法。在实际应用中，对于带宽大于5MHz的大型系统来说，这种方法会为上行链路控制信道引入较大的信令开销。通过在包含若干个连续物理资源块的每一组上使用MIMO反馈信息，能够实现一个较好的折衷方案。在LTE系统中，这种方法可以通过根据CQI反馈信息做出的选择来激活。第5章已经对CQI反馈信息进行了描述。通常假定MIMO反馈信息是与CQI报告一起传送给服务基站的，或者是嵌入到CQI报告中传送到服务基站的。

在LTE系统上下文中，由于在所有已分配物理资源块上使用了相同的调制和编码方案，因而假定所有已分配物理资源块使用的MIMO秩相同也是合理的。同时，假定实际资源分配是由基站处的分组调度器决定的，而不是由终端处的分组调度器决定的，则一种实用的解决方案就是使用针对整个监控系统带宽确定的单一MIMO秩，即把非频率选择性MIMO秩信息反馈到基站。(www.xing528.com)

上面所提及的最低系统级限制条件，说明MIMO自适应机制无论是在时域，还是在频域，都存在着较大的自由度。下面我们将介绍一些相关实例。

PMI反馈的频率粒度与MIMO秩的频率粒度不同。可以考虑将下面两种PMI选择参考方案与上述全带宽MIMO秩选择方案结合起来：

1）非频率选择性（Frequency Non-Selective，FNS）PMI：一种由系统总有效带宽确定的PMI；

2）频率选择性（Frequency Selective，FS）PMI：为每组两个连续的物理资源块确定一个PMI值，即使用相同的2×PRB粒度作为CQI测量值。

使用来自于服务蜂窝内所有有源终端的MIMO和CQI反馈信息，服务基站中的RRM算法实际执行为每个终端分配资源，并对其进行调度的功能。先前与低移动性场景有关的研究成果给出了MIMO自适应使用的数据速率对整个系统性能的影响。结果表明，与使用在每个调度周期内选择的MIMO秩的快速自适应方案相比，基于一般信道状态、具有较低更新速率（100ms）的半自适应方案，只会为小型蜂窝吞吐量带来5%的损失。这样，存在着两种参考方案：

1）基于几何因子（Geometry Factor，GF）的方案：使用基于一般宽带信道SINR条件进行更新的秩；

2）准动态（Quasi-dynamic，QD）方案：使用仅当对新的传输（第一个HARQ）进行调度时选择的秩。

准动态MIMO方案是一种快速自适应（每个TTI）方案和基于几何因子（慢速，每5～10ms进行一次）方案之间的折衷方案，因而它既可成功应用于中移动性场景，又可成功应用于低移动性场景。

通过与这两种L1、L2层机制（MIMO秩自适应和MIMO预编码信息反馈频域粒度）结合，可以对下行链路自适应2×2和4×4MIMO传输方案进行仿真。这些评估过程使用来自于终端的有限的非理想时延反馈信息。假定PMI和秩信息是无误差的，而在为CQI信息建模时，需要用到由信道估计引入的误差。

图9-18和图9-19分别给出了宏蜂窝1类地区和微蜂窝部署场景（参见9.6.1节）中频谱效率的代表性仿真结果。移动台数量是每个蜂窝/扇区中20个模拟用户。采用的是正比公平时域-频域分组调度。

图9-18 运行于宏蜂窝1类地区的MIMO方案的蜂窝平均频谱效率与蜂窝边缘用户（覆盖范围）频谱效率仿真结果

图9-19 运行于微蜂窝场景中的MIMO方案的蜂窝平均频谱效率与蜂窝边缘用户（覆盖范围）频谱效率仿真结果

无论是对2×2MIMO传输方案，还是对4×4MIMO传输方案，与基于几何因子（GF）和非频率选择性（FNS）场景相比，当使用准动态（QD）MIMO秩自适应和频率选择性（FS）闭环信息反馈技术时，宏蜂窝研究结果表明，蜂窝平均频谱效率和蜂窝边缘频谱效率中的增益要比前者高10%和18%。微蜂窝场景中的性能受到的影响较小，其增益要比前者高4%和15%。后一个结论肯定了微蜂窝环境中下行链路MIMO方案的合适性和巨大潜力，该方案不会在下行链路信令和控制信道负荷中引入较大开销。