多用户MIMO标准化进展

1、LTE-Advanced中的多用户MIMO的标准化进展焦慧颖工业和信息化部电信研究院【摘要】下行增强MIMO是LTE-Advanced的关键技术之一,文章讨论了LTE R8和R9的多用户MIMO的传输模式,并且就LTE-Advanced中的多用户MIMO的主要问题进行了讨论,比较了各种可能的导频设计,下行控制信令、反馈及增强的码本设计方法,探讨了多用户MIMO适用的场景以及每个用户支持多于两个layer的可能性,并介绍了标准化进展情况。【关键词】多用户MIMO LTE-Advanced 上行反馈增强码本增强的下行MIMO是LTE-Advanced的关键技术之一,相对LTE R8,除了将天线扩展

2、外,还引入了很多优化的机制,如增强的多用户MIMO(MU-MIMO。LTE R8支持每用户单流的两个用户配对的多用户MIMO,码本并不是针对多用户MIMO的最优设计,在全频带反馈预编码矩阵指示(PMI,下行控制信令设计不足,这些问题影响了多用户MIMO的性能,因此LTE-Advanced考虑增强的多用户MIMO。本文首先介绍了LTE R8和LTE R9中的多用户MIMO的基本情况,然后具体分析了在LTE-Advanced中引入增强多用户MIMO需要进一步考虑的细节问题,最后介绍了标准化进展情况。1、LTE R8中的多用户MIMOLTE R8中的多用户MIMO,通过传输模式5半静态的配置用户处于

3、多用户MIMO状态,并且每个用户只有一个layer,下行控制信令format 1D和多用户MIMO 的传输模式相关。总体来说,LTE R8中的多用户MIMO具有以下特点:(1仅限于基于码本的预编码方式,采用的是单用户MIMO(SU-MIMO优化的码本,4发射天线配置的粒度是4比特。解调是基于公用参考信号,编码信息是基站的下行信令指示的。由于没有与其共同调度UE相关的下行信令,限制了基于UE的干扰抑制/消除的有效性和灵活性。(2反馈上报支持的模式有非周期mode 3-1上报和周期mode 1-1和mode 2-1上报,只支持宽带PMI预编码上报,这种反馈机制在相关性强的天线配置情况,也就是频率选

4、择性弱的场景下更有用。并且只支持rank1上报。(3尽管R8标准中没有明确的限制在一个资源块上调度多于两个用户,因为单个的功率偏置比特,实际中最多只能同时调度两个用户。另外,每个UE限制接收一个layer。2、LTE R9中的多用户MIMOLTE R9中引入双流波束赋形,基于解调导频(DM RS端口的设计,定义两个新的天线端口port7和port8,定义新的传输模式8和下行控制信令format 2B。(1LTE R9传输模式8支持“有PMI/RI”和“没有PMI/RI”的反馈模式,在无反馈的情况下,采用发射分集(SFBC的传输方式,有反馈的时候采用闭环空间复用的传输方式。(2通过format

5、2B指示DM RS端口和DM RS的扰码初始化ID。(3R8中是高层半静态配置不同的传输模式支持单用户和多用户MIMO,而R9是没有显式的信令来指示是否存在共同调度的用户的,也就是说对用户来说,不知道自己是否处于多用户MIMO状态。LTE R9中双流波束赋形的普通子帧DM RS的设计方案如图1所示,采用码分复用(CDM的方式复用。 图1LTE R9双流波束赋形中的普通子帧DM RS 导频图案解调导频的序列定义为:伪随机序列发生器在每个子帧初始化为:其中是在DCI format 2B 中动态配置的,如果没有配置,就假设为0。这样可以用来在一个小区中支持最大四流的发送。3、LTE-Advanced

6、 中的多用户MIMO在LTE R9双流波束赋形的基础上,LTE-Advanced 还可以对多用户MIMO 进行增强,这里从多用户MIMO 系统中发送和接收端的干扰消除算法的角度,看看需要对哪些方面进行增强。首先,多用户MIMO 中发送端的干扰消除算法有迫零(zero forcing 算法,块对角化(block diagonization 算法等,前提均为需要较为精确的信道状态反馈信息;接收端的干扰消除算法有最小均方差(MMSE 算法和干扰消除(IRC 算法等,均需要知道共同调度UE 带来的干扰,这就需要下行控制信令显示或者隐式的指示与之共同调度的UE 信息,并且要求正交的DM RS ,从而干扰

7、信息可以通过检测另外一个配对用户对应的DM RS 来获得。由以上分析可以看出,多用户MIMO 中需要考虑下行信令的设置,参考信号的设计以及上行反馈及反馈精度等问题,以下对这些问题分别进行阐述。3.1 参考信号的设计目前的LTE-Advanced (R10版本已经支持UE 专用的导频,也就是导频和传1,0SCID n (11210 ,12(21212(2121(DL max,RB -=+-+-=N ,.,m m c j m c m r (cell 16init s ID SCID 21212c n N n =+输数据一起进行预编码,并且LTE R9 双流波束赋形中已经支持共同调度的UE采用正交导

8、频复用的方法,来获得好的信道估计性能,因此R10中rank4的导频图案应该是R9 rank2导频的自然扩展,可以基于CDM或者FDM的结构,来进行干扰估计和不同资源块上的功率谱密度分配,目前的基准是采用码分复用与频分复用混合(CDM+FDM的方式复用。3.2 下行控制信令的设计多用户MIMO中的下行控制信令可以采用透明和非透明的方式。如果是透明的,从UE角度看,没有显式或者隐式的下行信令指示在同一个时频资源块上共同调度的其他UEs,也不指示空间信号信息的存在,DM-RS的位置等。这种情况下,接收端不能准确地获得空间信号的干扰信息,用户间的干扰抑制将变得比较困难,而发送端的干扰消除变得非常必要,

9、而发送端的波束赋形/预编码信息又取决于信道特性、天线配置、共同调度的用户数目和基站所知道的信道信息等。如果是非透明的,通过下行控制信令可以显式或者隐式的指示UE与之共同调度的UE信息,如果能够提供共同调度的UEs数量和每个UE的rank数信息,将有益于接收端采用先进的干扰消除算法来进一步提高多用户MIMO性能,而且由于考虑到了用户间干扰,用户可以反馈更精确的信道状态信息,从而在发送端获得干扰抑制的增益。这种非透明多用户MIMO的缺点是增加了信令开销。3.3 单用户和多用户的动态切换由于实际中动态的流量变化,更适合于多用户和单用户之间的动态切换,以便在瞬间容量高的情况下,采用多用户MIMO,其他

10、情况下采用单用户发送。目前3GPP支持单用户和多用户的动态切换,不需进行RRC重配置的操作。3.4 上行反馈及精度多用户MIMO中的上行反馈方式有三种:显式反馈、隐式反馈和基于SRS的反馈。其中显式反馈的内容包括信道部分和噪声干扰部分,其中信道部分馈接收端看到的信道状态,在一个子帧中需要上报信道特性,包括瞬时的信道矩阵Hi,统计的发送信道相关矩阵Ri和瞬时信道的主特征值部分,噪声和干扰部分的反馈可以是噪声和干扰的接收总功率,或者是噪声和干扰的相关矩阵等。隐式反馈同LTE R8一样反馈PMI/CQI/RI。还有一种反馈方式是利用信道的对称性,终端发送SRS可以用来作为eNB进行信道状态信息估计,

11、这种方法在TDD系统中尤为适用。LTE R8中的单用户和多用户MIMO采用隐式反馈的方法,LTE R9采用透明多用户MIMO(用户不知道自己是否处于单用户MIMO还是多用户MIMO,并且,无论TDD还是FDD均支持隐式的反馈方法,以及发射分集的发送方式(无需反馈PMI和RI。LTE-Advanced中可以引入显式反馈的方法,也可以对隐式反馈的方法进行增强。显式反馈可以直接反馈信道信息,或者信道相关矩阵等,隐式反馈可以在反馈PMI的同时反馈最好配对用户的PMI(BCI和最差用户的PMI(WCI,也可以通过长时信道相关特性的反馈或者通过SRS,在基站对PMI反馈的码本进行增强,CQI/RI反馈增强

12、可以利用预编码的参考符号来进行。下面对其中的几种方法进行介绍和推导。(1带有BCI的PMI 反馈如图2所示,这是一种隐式反馈的方法,也就是扩展PMI的方法。UEs基于公用导频测量信道,并且上报服务小区的最佳PMI,同时上报服务小区所谓的最好配对用户的PMI(BCI,也就是假设两个用户配对后,接收端SINR输出最大的配对用户PMI信息。UE在假设没有BCIs的情况下上报CQI,在使用BCIs的时侯上报差分CQI。这种方法可以扩展到多个BCIs或者使用最差配对用户的PMI (WCI。 1的潜在配对用户:PMI k,j =BCI 1图2 带有BCI 的PMI 反馈(2将PMI 看作短时的信道估计该方

13、法将终端反馈的PMI 近似为信道矩阵,在发送端进行多用户波束赋形算法,这里以迫零算法为例。对于第j 个用户,单用户rank1 PMI 上报j V,CQI 上报为j C Q I . 定义为考虑噪声和干扰的映射的能量,每个假设配对的用户,迫零多用户波束赋形为:112(HHF F F VV VI -=+这里11;HH H V V V =, 是归一化因子(如SNR 或者是常数。多用户波束赋形对UE 来说是透明的,多用户波束赋形后的CQI 通常基站是不知道的,因此在各个用户反馈CQI 后,必须在基站端进行多用户配对后的CQI 重计算,以便选择调整编码方式(MCS ,在特定的波束赋形方案的因子和推测的剩余

14、的用户间干扰(IUI 的情况下,多用户CQI 的预测如下式:221111F1,221122F/2./|F |1/2/|F |predict C Q I C Q I C Q I =+,这里(1,'('i j i jVV V V I -=+, CQI 1 是用户1上报的单用户CQI 。(3显式的反馈信道空间相关信息这种反馈方法是终端反馈给基站空间相关信息R ,定义为:1|H k k k R H H =SSS 是载波数,可以是子带载波数,也可以是整个频带或者在载波聚合情况下的单个成员载波数。R 是于信道状态信息导频(CSI RS 的信道估计得到的瞬间相关。假设的用户配对首先获得预编码

15、矩阵:11(i j oi i j i oj j F eig R N I R F eig R N I R -=+=+其中eig 是每个用户假设rank 下的主特征向量(如rank1或者2,进一步会做功率的归一化,假设接收机使用最大似然合并(MRC 接收机:11111211(|HH H HF H Y H F H F F H =+可以获得修改的SINR 如下:FHo FHFH predictW R W N W R W W R W CQI|2|11122112111,1+=其实这种显式反馈的方法,可以与直接反馈PMI 的方法,并在基站端进行多用户干扰消除的算法相对应,下面以迫零算法为例,证明两种算法的

16、相似性。如果PMI 反馈的码本可以近似信道状态信息的时候,可以推导如下:1 设 ih PM I =反馈,即H i i v h =; 2 通过使用迫零波束赋形算法,获得预编码向量,112 (H H F F H H H I -=+, 这里12h | h H H H H =; 3 归一化到单位发射功率。在平坦衰落信道中,归一化的迫零波束赋形算法为:11111121212(|(|(|(|(HHHH HHHHH H H HHHHHHH HI HH I Hh h h h I h h h h I h h h I h c eig h h I h h c eig h h I h h c eig R I R c

17、eig R I R -+=+=+=+=+=+这里使用了矩阵求逆的引理,并且假设222H R h h =and 111H R h h =.对于假设配对的用户 (UE-i , UE-j , 获得预编码矩阵:11(i j oi i j i oj j F eig R N I R F eig R N I R -=+=+显式反馈信道相关矩阵R ,理论上比较直接反馈PMI 能提高系统的性能,但是反馈量较大,需要进行量化,量化精度的不同会影响系统的性能。 3.5 增强的码本码本的设计应该是匹配信道特性的,为了简单起见,码本必须在不同的衰落环境中(如郊区、市区宏小区和市区微小区等,不同天线间隔(如0.5波长和4

18、波长,不同天线图案和不同极化情况下,均能有效地量化信道状态信息。另外码本也需要满足恒模特性、有限字符和嵌套特性,这使得码本的设计变得极为复杂。作为直接的结论,R8的码本设计就是这些因素的一个折中,而且多用户MIMO 和单用户MIMO 采用相同的码本设计方法。LTE-Advanced 中为了支持8根发送天线,空间维度从4增加到8,很自然地需要增加反馈比特来代表更高维度,另外在多用户MIMO 的情况下,所有的期望信号功率和不期望的干扰功率都受码本设计所影响,很自然的就需要考虑到反馈精度的增加。为了达到码本设计的优化和反馈开销尽量小之间的折中,3GPP RAN1会议中,提出了一些不同的码本设计方法。

19、 (1自适应的码本设计一种解决方法是选择一个固定的4比特的8天线码本,实际的码本可以是这个码本的变换,这个变换是由空间信道相关性决定。自适应码本的设计首先要一个固定的基准码本W base ,而新的码本如下:W new = Normalize (R × W base ,Normalize 是将每列都归一化为1,新码本和基准码本的维数一致。 (2可下载的码本设计基站根据不同的情况通知终端所使用码本的范围,终端在此范围内进行选择;也可以终端收集所有的码本集合,基站通知UE 所需使用的码本,这种情况能够得到开销和性能之间的折中,但是对于终端存储量的要求较高。 (3 差分的码本结构类似于LTE

20、 R8中使用差分的方案来降低CQI 反馈开销,这种码本结构利用时间和频率的相关性来降低信道反馈的开销,提高CSI 上报的精度。由于当基于信道量化的差分码本用作时间域,错误传播较为严重,建议在频域使用差分码本,如采用结合宽带PMI 反馈每个子带的差分PMI 。 3.6 多用户MIMO 适用的场景对多用户MIMO 适用的场景也有一些讨论,如图3所示,多用户MIMO 更适合用于相关性强,也就是频率选择性弱的场景下,在这种情况下,即便反馈宽带PMI 也不会很严重的影响多用户性能。 图3 多用户MIMO 的适用场景分析相关 Channel非相关这是因为如通过短时非相关信道维度(如极化之间在空间上分离多个

21、UEs 问题很多,原因有以下几点。(1鲁棒性差:非相关信道维度的空间特性变化迅速,并且难以精确地跟踪。(2干扰消除:即便是在低速UE的情况下,基站不能有效地抑制所有流间干扰。调度这种干扰流给终端带来严重的干扰抑制需求。(3更好地分配给相同的UE:在非相关信道维数上更适合给单用户MIMO (如多个并行流分配给相同的UE,而多个UEs可以复用在的相关信道维数上。因此单个UE可以有效地抑制流间干扰,通过最小均方差(MMSE均衡或者更加先进的串行干扰消除(SIC接收机。3.7 多用户MIMO支持多个layer如果在UE侧使用双极化天线,为了达到总体吞吐量,可以一个layer通过垂直极化发送,另外一个l

22、ayer通过水平极化发送,实际上,R9中已经支持每个用户两个layers,两个用户进行配对。一个用户支持多于两个layers,需要很高的SINR 以及很好的空间分离特性来避免过多的多用户干扰,但是在发送功率是恒定的情况下,多个用户共享功率将带来每个用户更低的SINR,而且很好的空间分离特性(适合多用户MIMO传输和丰富散射环境的高阶空间复用(适合多个layer传输是矛盾的。4、多用户MIMO的最新标准化进展3GPP RAN1对多用户MIMO进行了广泛而深入的讨论,目前确定了支持单用户MIMO和多用户MIMO之间的动态切换,已有的结论有:(1明确了透明多用户MIMO指的是没有下行信令指示用户处于

23、多用户MIMO状态。经过讨论关于两种方式没有达成进展,对于非透明的情况,进一步指出了可能需要考虑的下行信令,包括:其它用户使用的port,以及功率偏移信息。(2确定了单用户MIMO需要将R8的反馈扩展到8天线配置,CQI/RI2010 信息通信网技术业务发展研讨会论文集 的计算是假设基站将上报的码本作为推荐码本使用。如果至少在 MU MIMO 中有足够的性能增益，支持增强的空间反馈精度。多用户 MIMO 的增强与反 馈的增强有关，并且为单用户 MIMO 定义的反馈方法也可以应用到多用户 MIMO 中。 （3） 在设计下行控制信令和 DM RS 的过程中，假设多用户 MIMO 满足以 下条件： 1. 2. 3. 共同调度用户数目不超过 4 个 2 个正交 DM RS 端口支持每个用户不超过两个 layers 的发送 多用户传输中支持总共不超过 4 个 layers 的发送 参考文献 1 R1-093842 Discussion on DL MU-MIMO in LT