LTE-Advanced下行链路多天线设计

0 前言

下行链路MIMO无疑是LTE R8中的一个关键技术构件。已经规定了用于提供超过300Mbit/s峰值数据速率的1、2和4个eNodeB天线端口的传输模式。在LTE-Advanced[1-3]中，下一步自然是继续进行雄心勃勃的目标设定，以确保其作为领先无线接入技术的地位。为了保证这一点，LTE-Advanced支持下行链路采用多达8个发射天线端口进行数据传输。对应于20MHz载波上的600Mbit/s，如果采用8×8天线配置和多达8层的空间复用，则峰值频谱效率可提高到30(bit/s)/Hz。除了增加发射天线数量之外，3GPP R10强调改善多用户MIMO(MU-MIMO)操作性能。多用户MIMO是指并行流向空间上独立的不同UE传输，而在单用户MIMO(SU-MIMO)中，并行流仅传输给单个UE。

1 下行链路中的参考符号结构

在LTE R8和R9中，MIMO操作主要基于与蜂窝有关的通用参考符号(CRS)。在天线端口和规模之间，参考符号模式是正交的，这取决于发射天线端口的配置数量。信道状态信息(CSI)测量以及数据解调通常采用CRS来执行。TDD波束形成传输模式7是例外，在这种情形中，与UE有关的参考符号(URS)用于解调。LTE-Advanced中的简单解决方案已经为采用8根发射(TX)天线的情形定义了另一种与蜂窝有关的RS，它暗示着CSI测量和解调都可以使用CRS。但是，使用R8终端的后向兼容性会生成一个问题，即不知道新RS的存在情况。在这些情况下，由于数据和新RSS之间的持续碰撞，会导致传统终端性能不可避免地变差。8-TX CRS的另一个缺点是当给定大多数终端通常无法享受8层传输的优势的事实后，参考符号的开销过高。

为了应对这些挑战，LTE R10决定采取另一种参考符号范式。关键思路是将用于CSI测量的参考信号与那些用于数据解调的参考信号脱钩，方法如下：

a)在2/4/8发射天线的情形中，CSI(即CQI、PMI和RI)测量和报告引入信道状态信息参考符号(CSI-RS)。

b)在多达8个空间层的支持下，与UE有关的预编码正交参考符号用于数据解调。主要从3个方面证明这种选择的合理性。首先，与UE有关的参考符号支持eNodeB处灵活的传输预编码，它可以看作是竞争性下行链路MU-MIMO的一个引擎。其次，根据传输等级，参考符号开销增加，因而一些高等级能力终端无法对整个系统进行惩罚，主要是由于参考符号开销较高，这与采用CRS的情形类似。第三，与UE有关的参考符号将从发送预编码增益中受益，这反过来又会导致可靠的信道估计。等级为1-2的LTE R10 URS模式对应于LTE R9中的URS模式，而等级为3-8的LTE R10 URS模式可看作是一种扩展。

CSI-RS在时间和频率上是稀疏的，因为CSI测量要求不如数据解调严格。通常情况下，CSI-RS采用非常低的密度(1RE/port/PRB)进行定期传输(例如每10ms)。CSI-RS的周期是可配置的，其占空比值变化范围为5~80ms，因为下行链路MIMO增强方案的目标主要是低移动性场景。这意味着对传统LTE R8/9终端的影响仅限于子帧，CSI-RS在这些子帧中传输，其他时间传统终端可以进行工作，而无需受到任何惩罚。同时，CSI-RS相对较低的密度考虑了在子帧中使用CSI-RS将数据传输给R8终端，虽然性能有所下降。但是，需要相应降低MCS水平，以支持UE应对额外的干扰。

虽然引入CSI-RS的主要驱动力是对eNodeB处8根发射天线的支持，但是也为其他天线配置定义了CSI-RS模式。总体而言，规范非常明智，可以对CSI-RS和CRS进行独立配置。在图1中，分别描述了8个、4个和2个发射天线端口时的R10 CSI-RS情形。CSI-RS模式具有嵌套特性--针对少数天线端口的模式是针对大量天线端口模式的子集。除了图1中的模式，还支持其他可能的配置，且定义了针对正常和扩展循环前缀的独立CSI-RS配置。对于帧结构类型1和2来说，不同模式也是可用的--也就是说，对于FDD和TDD来说，TDD中存在着细微变化，即与天线端口5的碰撞可以避免。CSI-RS的另一个主要区别也是高重用因子，例如在2个天线端口的情形中，重用因子为20。相比之下，在2个天线端口的情形中，CRS重用因子为3。较高的重用因子使得网络规划更加容易，且从CSI-RS到CSI-RS的碰撞在很大程度上可以避免，这在局部网络负载情形中是非常有益的。

在图2中，给出了URS配置的2个实例。该规范支持使用12/24个资源元素(RE)，它可用于URS，这取决于传输等级。例如，与R9中的情形一样，1层和2层可以采用12个资源元素和长度为2的叠加正交码(OCC)进行工作，而24个资源元素和长度为4的叠加正交码可用于3-8层。采用频分复用加上可变长度的OCC，支持根据传输等级，对RS开销进行有效扩展。我们注意到通过采用天线虚拟化(如降至某个CRS端口)，CSI-RS为高效地降低CRS开