LTE下行多天线技术分解.docx
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LTE下行多天线技术分解
4下行多天线技术
4.1天线端口
3GPP使用了“天线端口”的概念，天线端口的概念和传统意义上的物理天线振子有着重大区别，天线端口可以映射到物理天线振子。
下行天线端口根据参考信号进行定义，例如：
天线端口0与小区特殊参考信号有关，而天线端口6与定位参考信号有关。
下行天线端口和参考信号对应关系如表19所示：
AntennaPort
3GPPRelease
ReferenceSignals
Application
0to3
8
CellspecificReferenceSignal
Singlestreamtransmission，transmitdiversity，MIMO
4
8
MBSFNReferenceSignal
MultimediaBroadcastMulticastServices（MBMS）
5
8
UEspecificReferenceSignal
BeamformingwithoutMIMO
6
9
PositioningReferenceSignal
Locationbasedservices
7to8
9
UEspecificReferenceSignals
BeamformingwithMIMO;multi-userMIMO
9to14
10
UEspecificReferenceSignals
BeamformingwithMIMO;multi-userMIMO
15to22
10
CSIReferenceSignals
ChannelStateInformation（CSI）reporting
Table19-AntennaportsandtheirassociatedReferenceSignals
在有些情况下，天线端口和物理天线振子之间是一一对应的，当一个双极化天线用于下行2X2MIMO或下行发射分集情况下，天线端口0映射到物理天线振子0，天线端口1映射到物理天线振子1。
如图32所示：
Figure32-Exampleofone-to-onemappingbetweenantennaportandphysicalantennaelements
如果从终端角度观察：
有两个下行传输--天线端口0传输小区特定参考信号，天线端口1也传输小区特定参考信号。
在其他情况下，一个天线端口可以映射到多个物理天线振子上，波束赋形就使用了这个方法。
3GPP规范R8版本中介绍了天线端口5用于支持波束赋形，波束赋形使用多个物理天线振子直接将下行信号传输给特定的终端，这通常是通过使用由多列双极化天线振子组成的一个天线阵列来进行传输的，这个场景如图33所示。
波束赋形的原理在33.6章节描述。
如图33所示，一个天线阵列有8个物理天线振子（4列双极化天线对），天线端口5映射到所有的8个物理天线振子上。
Figure33-Exampleofmapping1antennaportontomultiplephysicalantennaelements
从终端的角度来说，只有一个天线端口5传输下行信号并携带与终端专用参考信号相关的天线端口5。
我们通常把天线端口看作是虚拟的，因为从终端的角度来说，它们只是终端的下行传输，而不是eNodeB端物理天线振子实际下行传输。
如图34所示天线端口和物理天线阵元之间的另一种映射，这种情形是基于一个天线阵列用于下行2×2MIMO或下行发射分集，例如：
同样的传输机制假定在图32的情形下。
Figure34-Exampleofmappingtwoantennaportsontomultiplephysicalantennaelements
在这种情形下，天线端口0和端口1分别映射到多个物理天线阵元，如图34所示天线端口与物理天线阵元之间的映射关系取决于使用的天线类型。
从终端的角度来说，他们的下行传输是相同的，并且也不需要知道天线端口类型。
4.2传输模式
在3GPPTS36.213中，有下列几种下行传输模式：
1、Rel-8版本中介绍的传输模式1-7；
2、Rel-9版本中介绍的传输模式8；
3、Rel-10版本中介绍的传输模式9。
eNodeB通过RRC连接建立、RRC连接重新配置或RRC重新建立消息向终端发送下行传输模式信息。
表格20总结了一组下行传输模式，当终端发起用户业务需求时，这些传输模式是可用的，当终端发起半持续调度业务（SPS-RNTI）时定义了一组不同的传输模式（参考27.6.2）。
没有RRC信令时也允许eNodeB在一些传输模式之间进行切换，例如：
TM3下允许eNodeB在发射分集与开环空间复用之间进行动态切换。
在物理下行控制信道上传输的下行控制信息（DCI）可以用来分配信号资源到终端，不同的传输技术使用不同格式的DCI，例如：
当使用发射分集技术，1个使用TM3的终端，可以获得格式1A下行控制信息（DCI），当使用开环空间复用技术，可以获得格式2A下行控制信息（DCI）。
在第九章中详细描述了不同DCI格式的概念。
搜索空间在检查终端资源分配时定义了一组物理下行控制信道（PDCCH），这可以避免终端对所有的PDCCH解码。
在9.2中详细描述了搜索空间的概念。
Mode
PDSCHTransmissionSchemes
DCIFormat
SearchSpace
ChannelStateInformationFeedbackfromUE
1
SingleAntennaPort，Port0
1A
CommonandUESpecific
CQI
1
UESpecific
2
TransmitDiversity
1A
CommonandUESpecific
CQI
1
UESpecific
3
TransmitDiversity
1A
CommonandUESpecific
CQI，RI
OpenLoopSpatialMultiplexing，orTransmitDiversity
2A
UESpecific
4
TransmitDiversity
1A
CommonandUESpecific
CQI，RI，PMI
ClosedLoopSpatialMultiplexing，orTransmitDiversity
2
UESpecific
5
TransmitDiversity
1A
CommonandUESpecific
CQI，PMI
Multi-userMIMO
1D
UESpecific
6
TransmitDiversity
1A
CommonandUESpecific
CQI，PMI
closedLoopSpatialMultiplexing，usingaSingleTransmissionLayer
1B
UESpecific
7
SingleAntennaPort，Port0，orTransmitdiversity
1A
CommonandUESpecific
CQI
SingleAntennaPort，Port5
1
UESpecific
8
SingleAntennaPort，Port0，orTransmitdiversity
1A
CommonandUESpecific
CQI（PMI&RIifinstructedbyeNodeB）
DualLayerTransmission，port7and8，orSingleAntennaPort，PORT7or8
2B
UESpecific
9
SingleAntennaPort，Port0，orTransmitdiversity
1A
CommonandUESpecific
CQI（PTI，PMI&RIifinstructedbyeNodeB）
Upto8LayerTransmission，ports7-14
2C
UESpecific
Table20—PDSCHtransmissionmodeswhenusingC-RNTItoaddresstheUE
TM1支持单天线端口传输。
下行控制信息格式1和1A提供标准和紧凑的方法来分配下行资源块。
预编码不适用于下行数据的传输，终端只需根据信道质量指标提供反馈信息。
eNodeB根据信道质量指示（CQI）报告为当前的信道环境制定一个合适的比特率。
TM2支持发射分集。
对于LTE，3GPP规范只指定了开环发射分集，因此终端只需根据CQI提供反馈。
可以分为两天线端口的发射分集和四天线端口的发射分集，这两种情形下，在每一个子帧过程中都传输一个传输块。
TM3支持开环空间复用。
TM3允许eNodeB在发射分集与开环空间复用之间动态切换，而且不需要RRC信令完成重新配置。
eNodeB会根据信道环境在这两种传输机制下切换。
开环空间复用使用DCI格式2A来分配资源，这个DCI允许为1或2个传输块进行信息传送，并且在4×4开环空间复用下包括允许信息的预编码，这个预编码信息标志着使用的层数而不是预编码权重。
终端需要根据信道质量指示（CQI）和秩指示（RI）来提供反馈。
RI将记录的层数提供给eNodeB。
在这种情况下，空间复用归类为开环是由于终端并不需要根据PMI来提供反馈。
TM4支持闭环空间复用。
TM4允许eNodeB在发射分集与闭环空间复用之间动态切换，而且不需要RRC信令完成重新配置。
eNodeB会根据信道环境在这两种传输机制下切换。
闭环空间复用下，使用DCI格式2来分配资源。
DCI格式2允许为1或2个传输块进行信息传送，这里也包括了信息的预编码。
终端需要根据CQI、RI和PMI来提供反馈，PMI将一组推荐设置的预编码权重提供给eNodeB。
TM5支持多用户MIMO版本，并且限定每终端只能传输一层（在每个子帧过程中，只有一个传输块可以被发送个每个终端）。
TM5允许eNodeB在发射分集与多用户MIMO之间动态切换，而且不需要RRC信令完成重新配置。
多用户MIMO下，使用DCI格式1D来分配资源，多用户MIMO可以在一个子帧过程中传输2个传输块，也可以将这2个传输块传送给2个不同的终端。
终端需要根据CQI和PMI提供反馈值。
当为多用户MIMO选择预编码权重时，eBodeB会使用PMI指数，由于多用户MIMO始终是单层传输，因此终端并不需要提供RI。
TM6支持单层传输闭环空间复用。
这相当于TM4的简易版本。
限制到单层传输将不需要终端提供RI指数报告，终端仍然可以根据PMI指数来选择优先预编码权重。
使用DCI格式1B来分配资源。
TM7支持单层传输波束赋形。
这种传输模式使用天线端口5来传输终端专用参考信号。
波束赋形可以应用于终端专用的参考信号和该组的资源块分配，并指导它们传向适合的终端。
波束赋形不能应用于小区专用参考信号，这是由于在该小区中它们被所有的终端使用。
终端专用和小区专用参考信号使用不同的资源元素，因此在同一个资源块中2者都可以进行传输。
多用户MIMO也可以使用TM7，通过产生多个天线波束来隔离它们的传输，多用户终端可以再次使用相同的资源块。
在TM7下，终端只报告CQI指数。
TM8支持2个终端同时从双层波束赋形得到资源，例如：
总数为4层的可以被传输，或者，这4层被用于单层波束赋形传向4部终端。
相对于单层波束赋形，双层波束赋形的吞吐量可以达到其两倍。
因此，这种传输模式支持波束赋形与多用户MIMO的结合；天线端口7和端口8与2个加扰识别码结合用来产生一组4个终端专用参考信号。
终端默认记录CQI指数，同时eNodeB可以要求终端也记录PMI和RI指数，当支持双层传输时，PMI和RI指数是有用的。
3GPP规范在Rel-9版本中引入了DCI格式2B用于支持TM8。
TM9支持多到8层的波束赋形。
对于多用户MIMO而言，TM9类似于TM8，例如：
2个终端同时从双层波束赋形得到资源。
对应于单用户波束赋形，使用天线端口7-14，对应于多用户MIMO，结合两种加扰识别码，使用天线端口7、8。
终端默认记录CQI指数，同时eNodeB可以要求终端也记录PMI和RI指数。
TM9还采用了预编码器类型指示（PTI）来标出后续PMI报告内容的类型。
3GPP规范在Rel-10版本中引入了DCI格式2C支持TM9。
Ø3GPPReference:
TS36.211，TS36.212，TS36.213
4.3多输入多输出（MIMO）
多输入多输出是指在发送端和接收端使用多个天线阵元，MIMO对应于接收分集只需要在接收端有多根天线，MIMO对应于发射分集仅需要发射端有多根天线。
图35给出了MIMO一般概念。
多输入相当于在传播信道上有多个传输通道，多输出相当于信号经过传播信道后，有多个信号在接收端被接收。
与术语MIMO类似，SIMO表示单输入多输出，MISO表示多输入单输出，SISO表示单输入单输出。
Figure35-GeneralconceptofMIMO
如图35所示，给出了四种典型MIMO，例如：
分别使用4端口天线传输和4端口天线接收信号，我们称之为4×4MIMO。
另一种情况是发送端和接收端分别使用数量不相等的多天线端口。
如图36所示：
Figure36-MIMOwithunequalnumbersoftransmitandreceiveantennaports
图37总结了MIMO技术的优点
1、在发射机和/或接收机中的多天线可以用于提供分集以对抗无线信道的衰落。
此时要求保持不同天线信道间的不相关性，也就是衰落的不相关，例如：
当一个传播路径经历衰落时而另一传播路径不经历该衰落。
2、在发射机和/或接收机中的多天线可以用于成型整个天线波束，波束赋形的方法可能是最大化在目标接收机/发射机方向的整体天线阵列增益，或抑制特定的干扰信号。
波束赋形的方法可以直接将信号传送给终端并且提高了接收信号的信噪比。
3、在发射机和接收机中的多天线可以通过空间复用增益提高吞吐量，使用一组相同时频资源并行的传输多个数据流，接收端接收到来自互不相关传输路径不同的数据流。
Figure37—BenefitsofMIMO
在覆盖较好时（高信噪比），终端利用空间复用增益的优点，可以接收到多路并行的数据流。
并行数据流的最大数量值取决于发送和接收端天线数的最小值。
例如：
2×2MIMO，4×2MIMO以及2×4MIMO最大都只能传输2路并行的数据流。
系统的最大吞吐量也取决于发送端和接收端的传播信道不相关性。
在弱覆盖时（低信噪比），终端可以利用分集增益提高接收信号的信噪比。
分集增益的大小取决于接收端天线的数量以及传播信道间的不相关性。
例如：
接收端天线数量越多，传播信道间的不相关性越大，增益就越大。
根据信道环境的不同：
当信道环境良好时，使用MIMO来传输多路并行的数据流从而增加系统吞吐量，当信道环境较差时，使用MIMO来传输一个单数据流从而尽量增大分集增益。
图38给出了这两种情景的示意图，两种场景都很好的展示了当发送和接收天线间传播路径互不相关的情况。
Figure38—MIMOscenariosforUEingoodandpoorcoverage
多天线技术的缺点是它增加了设备的复杂度以及对硬件提出了更高的需求。
多天线技术需要在发送端和接收端增加额外的处理过程，根据来自接收端的反馈值以及发送端的资源分配情况，MIMO也需要增加信令，同时在发送端和接收端也需要增加的天线阵元，如果已经使用接收分集这些天线阵元也是可用的。
在3GPPTS36.211中多天线技术可以参考空间复用技术，该规范中有单独的章节介绍了空间复用、单天线端口传输和发射分集。
3GPPRel-8和Rel-9版本支持：
1、2×2MIMO：
2个发送天线端口+2个接收天线端口
2、4×4MIMO：
4个发送天线端口+4个接收天线端口
3GPPRel-10版本支持：
1、8×8MIMO：
8个发送天线端口+8个接收天线端口
3GPP已经指定了以下几种多天线技术：
1、开环空间复用
2、闭环空间复用
3、多用户MIMO
开环空间复用需要终端根据RI和CQI指数提供反馈，之所以命名为开环是由于终端并不需要根据PMI指数提供反馈。
闭环空间复用需要终端根据RI、CQI和PMI指数提供反馈，终端选择一个PMI值使得在接收端接收信号的信噪比最大化，在eNodeB端应用该组预编码权重表示与发送端相联系的一种最大比例的形式。
多天线技术也可以与波束赋形结合将资源块直接分配给指定的终端，增加天线阵元的数量会增强波束赋形在水平面上的指向性。
在每个子帧1ms的过程中，MIMO能够传输1个或2个码字2，一个码字就是一个在物理层根据循环冗余码校验加法、信道编码以及匹配率被处理过的传输块。
当传输2个码字时，它们的大小并不一定相等，每一个码字的CQI报告、链路自适应以及混合自动重传请求（HARQ）都是独立进行的。
在某些情况下，由于信令容量的限制，多码字传输使用1个单独的混合自动重传请求确认，例如：
TDD情形下多码字传输时的确认反馈/出错反馈。
4×4MIMO在一个子帧1ms过程中不能传输4个码字，但是可以传输2个大的码字，并将它们分为4个部分。
8×8MIMO可以传输2个更大的码字，并且可以将它们分为8个部分。
LTE标准中，最大允许传输两个码字，其目的是使接收端的性能和处理过程达到最优，并根据CQI和HARQ确认报告来减小信令需求。
在发送端产生一个MIMO信号包括：
1、层映射—属于1或2个码字的调制符号映射到多个层，并且层数小于或等于天线端口的数量；
2、预编码—适用于编码和调制符号的层优先映射到资源元素上，并随之产生OFDMA信号。
层映射和预编码的一般过程如图39所示，层映射和预编码的具体过程将在下一节详细描述。
Figure39—Conceptsoflayermappingandprecoding
2×2MIMO只限于两天线端口发送层1-2层：
1、使用层1可以在每个子帧的1ms的过程中传输码字1，并且适用于当射频信道环境相对较差或eNodeB传输的数据较少的情况。
2、使用2层可以在每个子帧的1ms的过程中传输2个码字，并且适用于当射频信道环境较好的情况，通过2层来传输2个码字可以使连接峰值吞吐量翻倍。
4×4MIMO可以通过四天线端口传输1-4层：
1、使用层1可以在每个子帧的1ms的过程中传输码字1，并且使用于当射频信道条件相对较差的环境或eNodeB传输的数据较少的情况。
2、使用4层可以在每个子帧的1ms的过程中传输2个较大的码字，并且适用于射频信道环境较好的情况，通过4层来传输2个较大的码字可以使连接峰值吞吐量增加4倍。
3、当信道环境不允许层的最大数目时，使用2-3层进行传输，例如：
一些的发射天线之间的传播路径和接收天线之间的传播路径相关性太高。
8×8MIMO可以通过八天线端口传输1-8层
1、使用层1可以在每个子帧的1ms的过程中传输码字1，并且使用于当射频信道条件相对较差的环境或eNodeB传输的数据较少的情况。
2、使用8层可以在每个子帧的1ms的过程中传输2个非常大的码字，并且适用于射频信道环境较好的情况，通过8层来传输2个非常大的码字可以使连接峰值吞吐量增加8倍。
3、当信道环境不允许层的最大数目时，使用中间数目的层数进行传输，例如：
一些的发射天线之间的传播路径和接收天线之间的传播路径相关性太高。
Ø3GPPReference：
TS36.211，TS36.213
4.4LTE技术
4.4.1发射分集
发射分集可以有效的抵抗传播信道上的衰落
发射分集需要在发送端有多天线阵元，接收端有一个或多个天线阵元
发射分集在3GPPRel-8版本中给出了详细介绍
3GPPRel-8版本详细介绍了两天线端口发射分集和四天线端口发射分集：
1、天线端口0和天线端口1用于两分支发射分集；
2、天线端口0，1，2和3用于四分支发射分集。
3GPP指定开环发射分集技术，因此终端并不需要优先提供预编码建议，终端根据CQI提供反馈值，以便帮助eNodeB选择合适的传输块大小。
在每个子帧的1ms的过程中，发射分集传输一个调制码字。
当码字调制完成后，发射分集基带处理经过下面2个阶段完成：
1、层映射—调制符号映射到多个层，并且层数与天线端口的数量是相等的
2、预编码—经过编码，每一层的调制符号将会产生一个码流，再由每个天线端口传输
层映射将调制符号交替的分配到每一层，例如：
两天线端口情况下，编号为偶数的符号映射到第一层，编号为奇数的符号映射到第二层。
如图40所示：
Figure40—Layermappingfortransmitdiversity
当使用二层时，每一层的码元速率是初始码元速率的二分之一，当使用四层时，每一层的码元速率是初始码元速率的四分之一。
图41展示了两天线端口发射分集的预编码，如图所示，每一对输入经过预编码过程，产生两对输出，这样每个天线的码元速率与层映射之前的原始码元速率相等。
Figure41—Precodingfortransmitdiversitywith2antennaports
两天线端口的预编码包含属于每一层的符号乘以
，并且
1、天线端口1通过每一层的时间复用符号产生符号流
2、天线端口2通过每一层的时间复用符号（取第一层符号复共轭与第二层符号复共轭的相反数后）产生符号流
预编码过程是固定的并且LTE开环发射分集是非自适应的
图42展示了四天线端口发射分集的预编码，如图所示，每一组输入经过预编码过程，产生四组输出，这样每个天线的码元速率与层映射之前的原始码元速率相等。
Figure42—Precodingfortransmitdiversitywith4antennaports
四天线端口的预编码包含属于每一层的符号乘以
，并且
1、天线1通过层1和层2的时间复用符号产生符号流，其非连续传输周期为每3个和4个符号。
2、天线2通过层3和层4的时间复用符号产生符号流，其非连续传输周期为每1个和2个符号。
3、天线3通过层2的时间复用符号（取复共轭的负数后）和层3的时间复用符号（取复共轭后）产生符号流，其非连续传输周期为每3个和4个符号。
4、天线4通过层4的时间复用符号（取复共轭的负数后）和层3的时间复用符号（取复共轭后）产生符号流，其非连续传输周期为每1个和2个符号。
四天线发射分集使用非连续传输意味着天线端口1和3使用一组不同的资源元素到天线端口2和4，例如：
天线端口1和3占据的资源元素是在天线端口2和4上的非连续传输，反之亦然。
这就使得增加发射功率来适用于被占据的资源元素，例如：
下行链路总发射功率被分布较少的资源元素共享。
图43展示了经过预编码输出映射到一组被用来产生下行OFDMA信号之前的资源元素上，每个天线端口都有它们各自的资源元素网格。
Figure43—MappingontoR
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