LTE中双流波束赋型的标准化进展

1、2009年9月第9期现代电信科技ODERN SCIENCE &TECHNOLOGY OF TELECOMMUNICATIONS现代电信科技M····························LTE 中双流波束赋型的标准化进展焦慧颖工业和信息化部电信研究院通信标准研究所工程师摘要:双流波束赋形是3GPP R

2、AN1R9的工作项目,目的是将LTE R8中的单流波束赋形扩展到双流,要求所有增强的能力在网络侧和终端侧均后向兼容R8。介绍了双流波束赋形的标准进展,并简要分析了相关的问题。关键词:LTE ,双流波束赋形,解调导频,PMI 反馈Abstract :As a 3GPP Work Item,enhanced DL transmission for support of single -user dual -layer beamforming using UE-specific RS was agreed for R9.The objective of this work item is to su

3、pport single user dual -layer beamforming using UE specific RS for both LTE-TDD and FDD,all new enhanced features and capabilities shall be backward compatible with networks and UEs compliant with LTE Release 8,and also should aim to be as an extension of the beamforming in Release 8.In this paper,t

4、he standard status of dual layer beamforming is introduced and some related problems are discussed.Key Words:LTE ,dual layer beamforming ,DM RS ,PMI feedbackLTE R8只支持单流单码字的波束赋形,R9中将其扩展到双流,并考虑是否引入多用户多输入多输出(M U-MIMO技术。波束赋形是应用于小间距的天线阵列传输技术,利用空间的强相关性及波的干涉原理产生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、系统容量或

5、覆盖范围。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个公用导频,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。RAN 第43次会议通过了单用户双流波束赋形的工作项目(WI,研究范围如下:(1LTE-TDD 和FDD 均支持采用用户专用导频的单用户双流波束赋形。(2用户专用解调导频的设计,满足与LTE-A 解调导频前向兼容。(3在反馈设计中考虑利用信道对称性的原则,也需要评估其他类型的反馈方式。(4所有新的增强特性和能力在网络和终端适用性上均应后向兼容,目的是扩展R8中的波束赋形。(5建议RAN 第44次会议上讨论是否可以将

6、此WI 扩展到MU-M IMO 技术中。1标准化进展及讨论的主要问题自立项以来,双流波束赋形得到了充分的讨论。主要问题集中在以下几个方面:(1在TDD 系统中,是否可以利用信道的对称特性,而不需要反馈预编码矩阵指示(PMI ,但天线校准问题对于TDD 信道对称性的影响较大,因此又涉及到天线校准43MSTT September 2009e a t ru e s技术专题F···················&

7、#183;········问题。(2码字(code word 到层(layer 的映射问题。(3专用导频的设计以及秩(rank 的自适应问题。(4如扩展到MU-MIMO ,是采用透明MU-MIMO 还是非透明MU-MIMO 。非透明的MU-MIMO 需要通知用户与哪个用户配对等,因此涉及到导频设计、下行信令和干扰消除等相关问题。针对相应的问题,RAN1第57次会议给出初步的结论:(1rank 1和rank 2的专用导频开销相同,每个物理资源块(PRB 中专用导频的数量为12个资源粒子(RE。(2如果性能好于R8专用

8、导频或与其相当,导频设计与R10前向兼容。(3支持动态快速的rank 自适应。(4FDD 采用反馈PM I 方式,TDD 方式需要进一步研究。(5进一步研究是否需要终端校准。(6使用R8中的层映射方法作为基准。2关于解调导频的设计由于LTE R8支持解调导频,因此存在专用导频是否需要后向兼容R8的问题。经过讨论和仿真证明,大部分公司同意专用导频前向兼容R10,需要重新进行设计。由于要求一个资源块(RB 中有12个RE 作为导频,因此有三种导频的复用方法,即时分复用(TDM 、频分复用(FDM 和码分复用(CDM ,各种复用方案分别有自己的优缺点,简单分析如下:(1TDM 图案。时间域上完全的功

9、率使用很难实现,这将降低TDM 图案的性能。(2FDM 图案。功率增强相对容易实现,但是需要控制信令通知终端专用导频和数据之间的功率偏置。不同的rank 每layer 需要不同的导频信号(RS 密度,引入功率分配和天线端口分配的复杂度,在MU-MIMO 的情况下将更为复杂。因为如果在MU-MIMO 和多点协作传输(CoM P 中使用FDM ,用户需要知道另外一个配对用户的专用导频所在的位置,增加了下行信令开销,而且如果用户配对失败,未使用的专用导频资源将会被浪费掉。(3CDM 图案。功率增强不需要信令通知,M U-M IMO/CoM P 的设计也较为灵活。但由于CDM 图案中的正交性对于信道变

10、化较为敏感,在高速移动环境中的鲁棒性较差。3TDD 系统利用信道互易性的校准问题基站和终端侧的射频非理想性带来发送和接收的不匹配,影响TDD 系统上下行信道的互易性,以下是简单的公式推导:设上下行的接收信号为y u 和y D ,H 为基站到终端的信道响应,基站的发送响应和接收响应为T B S 和R B S ,终端的发送响应和接收响应为T U E 和R U E ,则下行接收信号y D 和上行接收信号y u 可以表示如下:y D =H D ×V ×X D +N 0其中H D =R U E ×H ×T B S y U =H U ×X U +N 0其中

11、H U =R B S ×H T ×T U E得到H T U =T T U E ×H ×R T B S ,即H =(T T U E -1×H T U ×(R T B S -1从而H D =R U E ×(T T B S -1×H T U ×(R T B S -1×T B S如果不能得到R U E ×(T T B S -1=I 以及(R T B S -1×T B S=I ,上下行的有效信道将是不同的。如果使用探测导频(SRS估计的上行信道来选择下行预编码矩阵将影响性能。经证明,在

12、终端侧校准误差的相位对系统的预编码矩阵没有影响,但终端侧校准误差的幅度影响较大,另外在基站侧的校准误差对信道互易性的影响也比较大。4反馈方式TDD 系统中是否需要反馈PM I ,两种观点各执一词。支持TDD 系统中需要反馈PM I 的公司认为,由于信道估计误差和校准误差的存在,限制了短时波束赋形算法的性能。双流波束赋形的典型配置场景中,需要采用长时波束赋形算法用来优化系统的性能,如果终端收发链路非对称,性能会进一步降低。因此当长时波束赋形和双极化天线组合时,需要终端反馈来优化性能。支持TDD 系统中无需反馈PMI 的公司认为,TDD 系统中采用基于特征值的波束赋形(EBB 可以442009年9

13、月第9期现代电信科技ODERN SCIENCE &TECHNOLOGY OF TELECOMMUNICATIONS现代电信科技M····························使用探测导频(SRS 进行信道估计来产生波束赋形向量。而FDD 系统由于采用基于长时信道信息的带有PM I 反馈的网格波束赋形(

14、GOB 算法,波束赋形向量不能很好的适配信道状态信息,会引入性能损失。另外,因为R8TDD 单流波束赋形不需要反馈PM I ,为满足rank 自适应假设,对双流波束赋形简化到单流较为灵活。5多用户双流波束赋形中的透明和非透明传输5.1单用户双流波束赋形设用户的接收向量为Y ,信道向量为H ,预编码矩阵为V ,发送的信号向量为X ,白噪声向量为N ,则可得Y =HVX +NR8中的专用导频为每个RB 上占用12个RE ,可以估计出HV 向量,进行最小均方差(MM SE 处理及信号的解调。如果rank 为2,要求两个rank 的导频正交。5.2多用户双流波束赋形设用户1的接收信号为Y 1,用户2的

15、接收信号为Y 2,预编码矩阵为V ,双流的发送向量分别为X 1和X 2,发送天线到两个用户的接收天线之间的向量则可得Y 1Y 2!"=H 1H 2!"VY 1Y 2!"+Y 1Y 2!"如果是透明的多用户双流波束赋形,被调度的用户不知道是否存在另外一个用户和自己配对,根据专用导频进行解调,将另外一个用户的数据当作干扰进行最大似然合并(MRC 处理。如果是非透明的多用户双流波束赋形,使用正交的专用导频来避免两个用户解调导频之间的干扰,可以使用MM SE 处理来消除两个Layer 之间的干扰。6双流波束赋形的最新标准化进展3GPP RAN1第58次会议对双流

16、波束赋形达成了一致意见,对上述问题均有了一定的结论:(1R9双流波束赋形采用单独的传输模式,并基于下行控制指示2A (DCI format 2A 设计下行控制信道(PDCCH。(2专用导频图案在两个layer 采用CDM 复用方式作为基准;R10中的rank 1和rank 2采用相同的专用导频结构(包括RE ,扩频和加扰;下行导频时隙(DwPTS 的专用导频结构与普通子帧的专用导频结构是不同的。(3在rank 1传输情况下动态指示专用导频端口,为了能调度两个rank 1传输的UE ,在相同的下行数据信道(PDSCH 资源上使用不同的正交专用导频端口。(4单用户/多用户假设,在rank 1传输情

17、况下,不需详细的信令指示用户处于多用户还是单用户的传输模式。·(5TDD 和FDD 均支持基于发送分集(TxD 和PMI 反馈的模式,将TDD 和FDD 不反馈PMI 作为基准,但TDD 和FDD 也支持基于PM I 的反馈,并尽量重用R8中的反馈模式。经过3GPP RAN1的激烈讨论,在第58次深圳会议上,双流波束赋形取得了阶段性的进展,主要体现在将DM RS 采用CDM 的复用方式作为基准;多用户配对时,不需信令指示用户是否处于M U-MI-M O 状态下,TDD 和FDD 均支持基于发送分集和PMI 反馈的模式等。参考文献1R1-092363LTE-A downlink DM-

18、RS pattern design.Huawei Tech-nologies2R1-092734Downlink demodulation RS design for Rel-9and beyond.Ericsson,ST-Ericsson3R1-092552Reporting of CQI/PMI/RI for LTE TDD Dual-layer beam-forming Nokia.Nokia Siemens Networks4R1-092772Feedback mechanism analysis of dual layer beamforming for TDD system.CATT5R1-091752Performance study on Tx/Rx mismatch in LTE TDD Du-al-layer beam