码本设计 - LTE-Advanced下行链路多天线技术研究

2 码本设计

　　为了支持下行链路MIMO操作，8个发射天线端口的引入需要一个新码本。同时，与用户有关的DM-RS支持在eNodeB处灵活选择预编码器。为了实现这种潜在优势和增益，需要为eNodeB提供非常精确的CSI。在TDD的情形中，信道互易和探测参考信号在一定程度上可用于通过对来自于上行链路传输的相关信息进行估计，来获取CSI。但是，在FDD的情形中，除了长期DoA(到达方向)波束形成之外，实际上不可能使用短期CSI，因而需要在3GPP中指定更为详细的CSI反馈机制。简单解决方案是简单规定一个包含更多元素因而具有更高精度的新码本。遗憾的是，无论是从上行链路信令开销，还是从UE处PMI选择复杂性的角度来看，这种解决方案都是不切实际的。

　　码本设计的一种自然方法是把重点放在感兴趣场景与天线配置选择上。在用例方面，LTE R10 CSI反馈应当既支持下行链路SU-MIMO，又支持下行链路MU-MIMO，其中SU-MIMO主要用于信道方位(即角)扩散较大的不太相关场景，而MU-MIMO通常用于信道方位角扩散较小的高度相关场景。因此，对于SU-MIMO/MU-MIMO来说，最佳工作点与部署场景密切相关。另一方面，流量条件和可用多用户分集也会随着TTI的不同而发生变化，需要强制规定SU-MIMO和MU-MIMO之间的动态切换概率。从后者可以清晰得出，eNodeB需要拥有可用的SU-MIMO和MU-MIMO CSI反馈，以执行无缝传输模式选择。天线配置和相关信道建模在码本设计中发挥了主要作用。

　　对于eNodeB处配置8根天线的情形，通过关注窄距交叉极化(XP)阵列、窄距均匀线性阵列(ULA)和宽距交叉极化(XP)阵列，3GPP为最实用的天线配置赋予了优先级。前2种配置意味着更高的空间相关性，因而支持低等级SU-MIMO/MU-MIMO传输，由于较大元素间距导致的较低空间相关性，因而第三种配置更多用于高等级SU-MIMO。为eNodeB传输阵列处具有较低角扩散、较小元素间距的场景分配优先级表明，UE反馈主要针对低等级SU-MIMO和MU-MIMO操作，以实现：

　　a)采用精细空间粒度和建立在长期信道宽带相关特性的空域内UE分离，对支持MU-MIMO的反馈进行优化。

　　b)支持SU-MIMO的反馈侧重于短期窄带信道特性。

　　长期信道特性不会从一个CSI测量实例快速变化到另一个CSI测量实例。因此，将信道状态特性分离为长期和/或宽带部分是行得通的，这说明从长远的眼光来看，信道状态特性是相对稳定的(例如等级和宽带波束方向)，且短期和/或窄带部分主要针对非相关信道规划(例如2种不同的极化)上的波束选择和共相位。

　　利用这些事实，通过将长期和短期CSI构件分离开来，可以实现高效的反馈信令压缩，且辅以目标场景中非常具有竞争力的性能。这将导致3GPP在LTE R10 CSI反馈中采用双码本结构，以支持使用8根发射天线的下行链路MIMO。主要原理是子带的预编码器W是由2个矩阵构成的，这2个矩阵属于2个不同的码本：W1针对长期宽带信道特性，而W2适用于短期频率选择性CSI。由此形成的每个子带预编码器W是由2个矩阵W1和W2相乘得到的，即W=W1×W2。其原理如图4所示。考虑到最低上行链路信令开销，W1和W2的反馈速率可能是不同的。码本元素本身是基于固定波束族(GoB)构件的。众所周知，这些构件能够为MU-MIMO提供良好性能，而对于SU-MIMO来说，通过支持子带级的波束选择，可以维持频率选择性预编码。对于8×8下行链路单用户MIMO来说，当考虑使用8个空间层时，对于较低传输等级(即第1-2级，一定程度上也适用于第3-4级)来说，双码本概念就具有较大的吸引力，这取决于空间相关性。

　　

 

　　图4示出的是LTE R10中的双码本反馈操作原理。预编码器由W1和W2 2个部分构成：W1针对长期/宽带信道特性，W2提供了深度完善方案以及关于信道的短期/窄带性能的信息。

　　R10引入对2、4和8个CSI-RS天线端口的灵活支持，而URS用于解调。在这种环境中，仅有包含8根发射天线的码本是新近定义的。对于2根和4根发射天线来说，LTE R10码本仍保持不变，且是LTE R8中的对应码本，因为这些码本被证明具有足够的竞争力。

　　3 下行链路多天线增强方案的系统性能

　　与R8相比，R10提供的主要容量优势是与UE有关的RS以及CSI-RS上的多用户MIMO，主要是在4根发射天线的情形中，即4×2和4×4。当采用2×2天线配置时，R10解决方案并未带来真正益处，因为传输编码增益非常有限，不会补偿与UE有关的RS开销。在一般情况下，通过采用天线虚拟化的方法，可以降低CRS开销本身。在实践中，人们通常会在eNodeB发射阵列每个极化方向上配置1个CRS端口。

　　图5给出了下行链路平均频谱效率。假定eNodeB处使用的是均匀线性阵列，与采用2×2天线配置的R8相比，采用4×2天线配置的R10 MU-MIMO能够将容量提高40%。与R8相比，采用4×4天线配置的MU-MIMO能够将容量提高100%。使用4根发射天线的交叉极化阵列，增益数值略有减小。MU-MIMO对蜂窝边缘数据速率的好处甚至要高于对平均数据速率的好处，如图6所示：与采用2×2天线配置的R8相比，4×4天线配置能够将蜂窝边缘数据速率提高150%。但是，需要注意的是，蜂窝边缘吞吐量、峰值吞吐量和平均吞吐量数值可能会相互折衷，这取决于调度和多用户配对策略。已经证实，通过在第二空间层采用比例公平频域调度，选择保持公平性会导致覆盖性能显著提高。另一方面，选择针对第二个用户的频域调度的最大C/I类型将会提升峰值吞吐量，从而以牺牲覆盖范围为代价，提高了平均吞吐量增益。