3GPP LTE的预编码和空间多路复用MIMO技术

本帖最后由 贾延安 于 2009-9-23 15:31 编辑

Randall T. Becker 安捷伦科技 应用工程师 2009-09

　　多路输入多路输出(MIMO)技术通过频谱效率的改进可提供更高的数据速率[1,2]。MIMO系统的性能与接收到的信干噪比(SINR)及多路径信道和天线配置的相关属性直接相关[3]。无线信道可使某些MIMO接收天线端的SINR降低，但通过在发射机端使用波束赋形，还是能够提高系统性能。虽然波束赋形与波束控制经常一起使用，但明白二者的差别是非常重要的，波束赋形是一种信号处理技术，波束控制是改变辐射主波瓣的方向。波束赋形非常适用于MIMO应用。3GPP长期演进(LTE)标准[4]包括几种发射波束赋形技术，可在各种信道条件下优化系统性能。其中一种就是预编码技术，它可以提高和/或均衡通过多个接收机天线接收到的 SINR。

　　MIMO和预编码

　　图 1a 显示了标准2×2 MIMO空间多路复用图。假设无线信道将在发射天线和接收天线之间提供 4 个独立连接。每个信道连接(图中以箭头来表示)均代表所有传输路径的一个独特组合，其中包括直接视距(LOS)路径(如果存在)，以及由于周围环境的反射、散射和衍射而生成的无数多路径。根据得出的信道条件，如果任何一条接收天线的SINR太慢，MIMO 系统则可能无法恢复发射的数据流(层)。如图1b所示，在了解当前信道条件后，发射机通过添加预编码，能够在传输之前有效地结合各层，达到通过多个接收天线均衡信号接收的目的。预编码方案是专门针对空间多路复用和发射分集应用而设计的[4]。



　　预编码以发射波束赋形的概念为基础，该概念支持多个波束同时在MIMO系统中进行传输。LTE标准定义了一组复杂的加权矩阵，以便使用高达4×4的天线配置在传输之前对各层进行组合[4]。对于2×2的配置来说，将加权矩阵W乘以输入层，就能得出将要发射的预编码信号。



　　此处，x(q)(i) 是预编码(q=0, 1)之前的输入层，y(q)(i) 是应用于每个发射天线的预编码信号。这个最简单的预编码矩阵将每一层映射到专门用于发射那一层的单一天线上，而不需要与其他天线进行任何耦合。在这种情况下，由码簿索引 0 定义的加权矩阵将变为：



　　由码簿索引 1 定义的第二个预编码矩阵提供两个输入层相加和相减的线性组合。码簿 1 的加权矩阵为：



　　该码簿选择功能允许每个信号层的一部分通过每个天线进行发射，并根据信道条件，在试图改进和均衡每个 MIMO 接收机的 SINR 时，提供一定的灵活性。

　　LTE 标准针对预编码空间多路复用传输为两个发射天线配置提供了4个码簿矩阵，为4个发射天线系统提供了16个码簿矩阵。要想恰当地选择最佳的预编码矩阵，就必须要了解发射机当前的信道条件。信道条件由创建闭环系统的MIMO接收机的反馈提供。对于LTE预编码的下行链路传输，移动终端或用户设备(UE)将测量信道特征，并确定预编码矩阵索引(PMI)、信道质量指示符(CQI)和/或排名索引(RI)。该信息将发送到基站(eNB)，由基站来修改预编码码簿选择，从而提高整体系统性能。由于信道条件可能随着时间的变化而快速改变，因此系统在关闭反馈环路时避免过分延迟是非常重要的。减少信令开销和相关反馈延迟可通过限制码簿选择数量来实现。不幸的是，减少码簿数量也会限制可调整的预编码数量，进而降低预编码的效力。

　　LTE 系统设计要求对系统性能、预编码选件和反馈限制的平衡非常精通。一个灵活的测量系统能够以独特的视角，在各种仿真信道条件(包括噪声、干扰和天线/信道相关)下对预编码进行深入分析。

　　预编码测量实例

　　在各种信道条件下检测预编码和 MIMO 的工作性能时，需要有各种必要的测量工具。图 2 显示了典型的2×2 MIMO测量设置，它由无线信道仿真器、信号源和信号分析仪组成。信道仿真器用于创建真实的多信道、多路径环境(包括天线和空间相关的影响)。某些商用仿真器具有内置基带发生器，通过在软件工具中开发的标准模型或定制模型，可生成复杂的波形。信道仿真器输出复杂的基带波形，代表预编码MIMO信号已被多路径、噪声和/或干扰所修改。之后，这些基带波形将使用许多射频矢量信号发生器提供的模拟同相(I)和正交相位(Q)输入，调制到射频载波上。基带数据也可通过信号发生器的数字I和Q输入调制到射频载波上。这是首选方案，因为这种方案可提供最佳性能，并且能够执行系统的自动功率校准。在图2所示的测量系统中，两个射频信号发生器就是双信道MIMO接收机的输入。请注意，使用多个信号发生器仿真MIMO系统时，虽然不要求对设备进行锁相，但在测试过程中，各个发生器之间需要有一个稳定的相位关系，这是十分重要的。“锁相”通常被称为“相位相干性”，它表示在特定载波频率上工作的两个或多个信号发生器的射频输出间的固定相位关系。由于每个数据层的信号在进行传输之前都要根据已知的信道条件添加一个矢量，因此正确的相位关系对预编码操作十分重要。如果用来仿真多个发射机的信号发生器有一个未知和/或随时间变化的相位关系，接收到的信号就可能出现不希望的相位偏置，从而导致一个或多个恢复数据流的性能降低。在使用两个现代射频信号源的测试系统中，两台发生器将通过共享一台发生器的未调制的本地振荡器(LO)来保持相位相干性(参见图 2)。在某些具有多个射频信号发生器(例如4×4和2×4配置)的测试系统中，推荐使用单独的射频信号发生器作为主本地振荡器，以便为信号发生器的本地振荡器输入提供足够的驱动电平。



　　在图 2 所示的测量实例中，双信道 MIMO 接收机使用两台矢量信号分析仪(VSA)来配置，通过电缆将两台信号发生器直接连接到 MIMO 接收机的输入端，可以使用类似配置测试实际 2x2 MIMO 接收机系统的性能。在本例中，信道仿真器引入了可能在实际环境中出现的多路径和信道减损。在测试 MIMO 发射机或 eNB 时，发射机可以直接连接到信号分析仪上。根据测试设备上的测量端口总数，可有多种将 MIMO 发射机连接到信号分析仪的可能配置。例如，通过使用功率组合器将 MIMO 发射机的多个信号添加到分析仪的通用端口，可以使用单路输入分析仪进行 MIMO 极限测试。在这种情况下，由于发射的下行链路参考信号在频率和/或时间上成正交关系，每个传输天线端口的单个参考信号都可通过单路输入分析仪来分析 EVM 特征和定时误差。当使用两个单路输入分析仪进行测试时，双信道 MIMO 发射机可以直接使用电缆连接到分析仪。在这种情况下，即便是在码字采用预编码而导致每层都包含一些独立码字组合的情况下，分析仪也能恢复每个码字的独立数据。这种配置对于评测传播信道(将会发生信道的交叉串扰和交叉耦合)的影响也非常有用。

　　使用 LTE 预编码实现潜在系统改进的测量实例现在将通过上面介绍的基本 2×2 MIMO 系统来演示。信道仿真器经过配置可生成一个“静态”的多路径信道，从而造成一个接收信号具有高 SINR，另一个接收机信号具有低 SINR。图3 显示了采用(下图)和未采用(上图)预编码的双信道 MIMO 信号进行恢复后所测得的星座图。对于未采用预编码的测量(参考了 LTE 标准中的码簿索引 0)，数据层直接映射到两个发射天线，并通过仿真的多路径信道进行发射，这就使接收到的第一个信号 rx0 具有相对较高的 SINR，而接收到的第二个信号 rx1，则受到了严重的衰减，具有很低的 SINR。第二个信号的质量及这两个信号间巨大的 SINR 差别使正确解码这个两信道 MIMO 信号变得非常困难。在本例中，当使用预编码时，通过码簿索引 1，较差的信道条件所带来的负面效应可在一定程度上消除，因为预编码将试图均衡在每个接收机上测得的 SINR。从这个测量实例的结果可以看出，较差质量的信号 rx1 的 SINR 得到了改进，另一个信号 rx0 的 SINR 虽然有所降低，但仍在可接受的范围内。通过对两个接收信道进行适当地均衡，MIMO 接收机能够轻松恢复正交发射信号。



　　前面已经提到，射频信号发生器之间的相位相干性对于正确解调独立的数据层非常重要。当已选择好预编码索引(index)来均衡接收机性能时，我们假设信号发生器有一个已知的相位偏置。如果发生器间的相位关系发生改变，一个数据层的性能下降，而另一个可能会提高。例如，我们继续来看图 3 所示的预编码测量，为了均衡两个接收机间的性能和它们相关的星座图，我们选择了预编码索引 1。在本例中，射频信号发生器的相位相干采用 0偏置。星座图质量的品质因数是误差矢量幅度(EVM)。EVM 是一个数字，通常用百分比表示，它可定量分析接收到的信号与离理想星座图的偏差。低 EVM 值代表高质量的信号。在图 3 所示的预编码测量中，两个接收机上的 EVM 大约为 13.5%。现在，如果在两个信号发生器间引入相位偏置，则一个接收机的 EVM 会降低，另一个则会提高。图 4 显示了 EVM 与上面介绍的 2x2 系统中每个数据流的相位偏置的对应关系。如图所示，当相位偏置为 0时，说明为仿真的无线信道选择了恰当的码簿。当相位偏置增加时，数据流 1 的 EVM 会降级，数据流 2 的EVM 将改进。当相位偏置减少时，也可观察到相反的效应。两个接收机间 EVM 的降低会导致选择的码簿与预期的信道特征失配。如果相位偏置是一个固定值，选择不同的码簿可能会再次均衡接收机性能。遗憾的是，当使用非相干信号发生器时，随时间变化的相位关系会极大地影响测得的 EVM 结果和系统性能。为了解决这个问题，相位相干信号发生器(如图 2 中所描述的测量设置)将会消除多个发生器间随时间变化的相位偏置。