LTE Rel-12及其后续演进系统中的MIMO技术

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LTE Rel-12及其后续演进系统中的MIMO技术

苏 昕

摘要

        根据LTE系统标准化与网络部署的发展态势以及业界对MIMO技术的研究动向，从技术原理、发展现状以及标准化方向等角度对MIMO技术在LTE Rel-12及其后续版本中的潜在演进路线及应用方案进行了初步探讨：基于对LTE现有版本中MIMO技术的发展历程及Rel-11中MIMO技术的标准化进展情况的回顾，对Rel-12中已经确定的MIMO标准化方向—CSI反馈增强技术以及3D-MIMO/massive MIMO技术进行了讨论；结合近年来MIMO技术的研究动态以及业界对LTE后续系统部署架构的演进路线的预想，对高频段局域覆盖场景中的MIMO增强技术进行了介绍。

关键词

        LTE、MIMO、3D-MIMO、3D-beamforming、massive MIMO、CSI反馈、3GPP

2.2.2  3D-MIMO/ massive MIMO

        空间自由度是MIMO技术的安身立命之本。但是如前所述，在现有的被动式基站天线结构基础上，很难在UE级实现对信号垂直维分布的控制，也无法利用信道的垂直维自由度。Rel-10中引入的反馈增强机制已经比较超前地将天线端口数量扩展为8个，但是这些看似近乎极致的优化也仅仅限于水平维度内。信道的垂直维自由度对于MIMO技术而言，仍然是一片未经开垦的处女地。虽然3D-MIMO、3D-beamforming或vertical-beamforming等技术（文中统称为3D-MIMO）早已将目光汇聚于此，但是在AAS技术获得认可之前，一切都只是空中楼阁。最终，AAS技术的兴起为3D-MIMO技术注入了一剂强心针。有了AAS技术的支撑，垂直维自由度的大门已悄然向MIMO技术开启，MIMO技术中已积蓄多年的向着3D化发展的势头从此将一发而不可收。

        面对这样一个热门话题的出现，可以预见的是，3D-MIMO技术的标准化道路上免不了一场场恶斗。Rel-12正式启动之前，各友邦公司已经迫不及待地抛出一些初步方案与评估结果，一方面展示了其长期积累的技术实力，另一方面也像是一种食肉动物的护食行为，用餐前在呲牙咧嘴与低沉咆哮中宣示着自己的势力范围。

        由于MIMO技术在LTE系统中的基础性地位，MIMO技术的发展革新对LTE规范的影响往往是牵一发而动全身的。3D-MIMO的标准化过程中将会涉及的议题包括：

1）  信道模型

        信道模型是MIMO技术性能评估与对比的基础，因此3D-MIMO SI的首要任务便是定义统

一的3D信道模型。WINNER II/+以及IEEE期刊中公开的3D信道建模方法[2-4]可能将成为3GPP确定3D信道模型的基准点。

2）  传输与反馈

        传输与反馈机制向来是MIMO技术标准化的核心，因而也是争论的一大焦点。由于基于专

用导频的传输已经成为主流，因此下行传输过程基本已经属于实现问题。但是传输算法本身与反馈机制有着非常密切的关系，反馈机制的评估与筛选也必然以传输性能为依据，因此对传输机制的研究仍然是标准化推进中的重要环节。此外，而且传输算法的研究对于日后的产品实现也有着重要的参考价值。

         在3D信道环境中，CSI反馈机制的讨论可能主要会集中在隐式反馈和基于互易性的反馈之上。由于需反馈的信息量进一步增加，因此3D-MIMO中可能不会有显式反馈的生存空间。可以预见基于码本的反馈方式仍将占据主导地位，但是由于隐式反馈是基于下行测量而进行的，而导频开销的增加终究是有限度的，这一限制将可能成为制约隐式反馈性能的一个不利因素。在3D信道中基于互易性的反馈的性能优势可能会更加明显，这种情况下基于互易性的反馈方式可能还会得到进一步的扩展。

         3D-MIMO码本设计将是隐式反馈的核心问题，较为可行的方案包括：水平、垂直维度分别定义不同的码本或者针对2维AAS阵列定义统一的码本。对于前者而言，水平和垂直维仍然可以沿用现有的码本结构，而且这种结构与Rel-10的多颗粒度双级码本十分类似（当然，水平与垂直维本身可能就是双级），可以分别对不同的维度配置不同的反馈颗粒度与上报周期。但是这种方案中，需要对两个码本的组合方式以及数据流在水平维和垂直维的分布等问题进行定义。对于后一种方案而言，由于需要全新的码本设计，因此如何能够将多种方案收敛至相对统一的方向，同时又能以相近的复杂度与开销获得超越前者的性能，对其将会是一个挑战。

         除了上述问题之外，规范中还需要定义CQI计算时对PDSCH传输方案的假设，对于垂直、水平维分别采用不同码本的情况，这里需要定义两个码本的组合方式。同时，可能还需要根据反馈机制的设计引入新的上报模式。

3）  参考符号

       由于3D-MIMO需要垂直维度的信道信息，单靠一个CSI-RS pattern所能提供的最多8个端

口就显得有些捉襟见肘了。针对这个问题，再额外增加CSI-RS端口似乎不太可行，但是可以沿用CoMP中定义的测量机制，例如为UE配置两个CSI-RS pattern（分别对应于CoMP中需要测量的两个传输点），分别用于垂直和水平维CSI的测量与反馈。

4）  传输模式/传输方案及控制信令

        引入3D-MIMO之后，可能需要定义新的传输模式与传输方案，并定义相关的L1/L2控制信令与高层信令， 例如DCI设计与码本子集约束方案等。这类相对比较零碎的入门级议题上容易出专利而且门槛低，不需要太深厚的研究功底也可以侃侃而谈。因此这一议题必将继续成为MIMO技术标准化过程中最能体现参与意识的舞台。

        AAS技术不但为3D-MIMO的发展带来了福音，也让massive MIMO这样初出茅庐的新技术成了得志少年，转眼间就要从IEEE的论文上一步跨入LTE规范中。massive MIMO或称大规模MIMO是指采用大规模天线阵列的MIMO技术，其设计思路类似于扩频通信。在扩频通信技术中，发射机利用伪随机序列使信号趋于白化，使信号可以以极低的SINR隐没于噪声和干扰之中，而又能被接收机所检测出来。massive MIMO则利用大规模阵列使信号的空间分布趋于白化，随着基站天线数量的增加，各用户的信道系数向量之间逐渐趋于正交，高斯噪声以及互不相关的小区间干扰趋于可以忽略的水平，因此系统内可以容纳的用户数量剧增，而给每个用户分配的功率可以任意小。理论研究结果表明，若基站配置400根天线，在20MHz带宽的同频复用TDD系统中，每小区用MU-MIMO方式服务42个用户时，即使小区间无协作，且接受/发送只采用简单的MRC/MRT时，每个小区的平均容量也可高达1800Mbits/s[5]。

        Massive MIMO应用的基础是大规模阵列，若非采用二维AAS阵列，单纯基于传统的水平维线阵形式是无法支持这一技术的。因此从实现角度考虑，3D-MIMO和massive MIMO并不存在本质上的差别：massive MIMO必然使用二维AAS阵列，使用了二维AAS阵列之后，信道就成为三维的，而基于三维信道的传输自然也属于3D-MIMO的范畴。

        单纯从技术角度考虑，两者的研究与标准化似乎更应该是递进的关系，即先确定3D-MIMO的框架，再逐渐扩展其规模。3D-MIMO阶段有可能会利用类似CoMP中为UE配置多个CSI-RS pattern的方式增加等效端口数。但很明显的是，尽管不能排除在massive MIMO阶段继续增加导频端口的可能性，但是一味地通过增加导频开销来满足massive MIMO需求的方式，无论从性能增益还是标准化复杂度角度考虑，都将是不可行的。因此一种更为现实的方式是：3D-MIMO阶段引入一些新的机制，以实现垂直维信道测量，而massive 阶段在这一基础之上，可能会更偏重于通过上行信道来获取CSI（目前关于massive MIMO的理论研究主要是基于TDD假设的）。也就是说测量机制可能会成为3D-MIMO与massive MIMO技术在LTE标准化过程中一个隐性的分界点。

        随着天线阵列规模的增大，从控制阵列尺寸的角度考虑，似乎更适合在高频段使用3D-MIMO或massive MIMO这类技术。在高频段范围内，不太容易找到适于FDD系统的成对频带。因此除了下行导频开销因素之外，3D-MIMO与massive MIMO的引入，也可能会使LTE系统向着更有利于TDD技术的方向发展。可以预见到，随着单小区3D-MIMO/massive MIMO技术的标准化，这类技术可能会继续向多小区、协作化的方向发展，继而衍生出诸如3D-CoMP、massive CoMP之类的应用方案。

        3D-MIMO与massive MIMO技术大规模应用后，每当那无比硕大的天线面板在风中摇曳之时，单薄的塔架之下必定有一群雷达界同僚心中窃喜。首先，AAS阵列、3D-MIMO这些目前被MIMO界奉若救世主的技术并非完全是通信工程师的创举，大规模的二维有源天线阵列早在数十年前就已用于相控阵雷达系统中。其次，在某些陆基相控阵雷达系统中，动辄就使用数以万计的天线阵子，因此所谓的3D-MIMO/beamforming与massive MIMO在他们看来可能也无非就是Q版的相控阵雷达技术。此外，AAS阵列在移动通信领域的大规模应用也为传统的雷达设计、开发单位带来了可观的市场空间。在云计算加AAS的发展趋势之中，眼看着基站的主要基带功能没入云端渐行渐远，而射频功能又高高地挂上了天线面板，传统的基站功能被一分为二。这种划分可能为众多往日的看客提供了分一杯羹的机会，但是在这一划分对于很多没有高瞻远瞩眼光的传统通信厂商，尤其是过分专注基站产品的厂商来讲更像是一个高难度的隔空大劈叉，若不是有深厚的功底怕是难以消受。

【未完待续】

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时间:  2013-3-10 23:44

作者: Codename-47     标题: 【原创】LTE Rel-12及其后续演进系统中的MIMO技术（Part 5）

本帖最后由 Codename-47 于 2013-3-10 23:59 编辑 

声明：

1）本文系本人原创，如需转载，敬请注明出处

2）本文撰写于2012年，目前的标准化进展与成文时的情况不尽相同

3）文中的观点仅限于与各位同行的交流，不代表任何公司或组织

目录：

1. 背景

2. LTE Rel-12中的MIMO技术

2.1 CSI反馈增强

2.2 基于2维AAS阵列的MIMO技术

2.2.1 AAS技术

2.2.2 3D/massive MIMO

3. LTE Rel-12后续版本中的MIMO技术

4. 总结

LTE Rel-12及其后续演进系统中的MIMO技术

苏 昕

摘要

        根据LTE系统标准化与网络部署的发展态势以及业界对MIMO技术的研究动向，从技术原理、发展现状以及标准化方向等角度对MIMO技术在LTE Rel-12及其后续版本中的潜在演进路线及应用方案进行了初步探讨：基于对LTE现有版本中MIMO技术的发展历程及Rel-11中MIMO技术的标准化进展情况的回顾，对Rel-12中已经确定的MIMO标准化方向—CSI反馈增强技术以及3D-MIMO/massive MIMO技术进行了讨论；结合近年来MIMO技术的研究动态以及业界对LTE后续系统部署架构的演进路线的预想，对高频段局域覆盖场景中的MIMO增强技术进行了介绍。

关键词

LTE、MIMO、3D-MIMO、3D-beamforming、massive MIMO、CSI反馈、3GPP

1.       LTE Rel-12后续版本中的MIMO技术

据统计，目前有70%左右的业务发生在室内，而且这一比例近期有可能增长到90%。此外，随着频带资源的日益紧张，LTE系统正逐渐向更高频段寻求发展空间。而高频段的应用会导致覆盖区域的减小。因此无论从业务分布还是频段特点角度考虑，局域应用将逐渐成为LTE系统进一步优化的主要方向。针对这一趋势，Rel-12开展之前，众多公司纷纷提出了soft-cell、enhanced local area以及LTE-Hi等应景的概念。

热点覆盖场景中，尤其是室内应用场景中，一般具有较丰富的散射/反射路径，相对于宏小区而言信噪比较高，而且终端移动性较低。这些因素对于MIMO技术的应用都是十分有利的，因此早期的MIMO学术研究几乎都是针对与之类似场景所进行的。但是LTE系统中现有的MIMO技术却主要是针对宏小区场景设计的，无法体现对高频段/室内/热点环境特点的优化，因而不能并充分地发挥MIMO技术在局域覆盖场景中的优势。

LTE Rel-10虽然将MIMO增强作为一个重点工作方向，在下行链路中通过全面引入基于CSI-RS的测量与基于专用导频的解调机制实现了灵活的预编码，通过双级码本设计与多颗粒度反馈机制尽可能地提高了反馈精度，并能够支持高达8层的数据传输，在上行链路中则引入了最高4层的空间复用技术与控制信道的发射分集技术，但是受到其设计目标及宏小区覆盖的一些特殊要求的限制，现有的LTE MIMO技术方案的设计思路明显不能适用于热点覆盖场景。例如：

现有的8Tx码本主要针对高相关场景设计，因而主要对低rank部分进行了优化，而局域覆盖场景中由于应用环境中具有丰富的散射、反射体，信号的到达角度分布明显有别于宏小区场景，天线之间更趋于非相关，因此原有的码本结构将不能适应新的场景；为了控制反馈信道的信令开销，保证宏小区应用中反馈信令传输的可靠性，Rel-10的下行MIMO反馈机制中使用了多种码本压缩方案。这一机制在一定程度上与提高反馈精度的目标相抵触，制约了MIMO传输的性能；受限于宏小区覆盖场景中对终端功放效率的需求，现有的上行MIMO技术所采用的码本设计方案更多地采用了类似天线选择式的预编码方式。这一方式并不能充分体现出闭环预编码技术的增益，限制了上行MIMO技术的效能。

伴随着LTE系统发展的潮流，LTE系统中的MIMO技术首先以宏小区场景为切入点走向了标准化、产业化的道路。而热点覆盖场景的兴起，终于给了MIMO技术一次回归本源的机会。基于热点覆盖场景中MIMO信道的特性，结合现有的LTE MMO技术框架，对热点覆盖场景中MIMO技术增强可能需要对以下几方面的问题进行优化设计：

1）  高阶MIMO

载波频段的提高，有利于天线阵列的小型化，而热点覆盖场景中天线阵列的布置可以较为灵活，因此有条件使用更大规模的天线阵列（可能是分布式的），支持更高阶的MIMO传输。

2）  上行MIMO增强

现有的上行传输方案设计过程中，基于功率利用效率与覆盖角度的考虑，选择了SC-FDMA技术。上行MIMO技术的标准化过程中，PAPR/CM性能也是压倒一切的先决指标。但是在热点覆盖场景中，由于接入点与终端之间的间距较小，因此上行传输技术设计时，对功放效率的限制可适当放松。甚至可以考虑针对局域场景，单独设计一套基于OFDM的空口机制。在此基础之上，上行MIMO传输，尤其是码本的设计可以更为灵活，可以将注意力更多地集中于改善MIMO传输质量上。

3）  CSI反馈增强

热点覆盖场景中，终端的移动性普遍较低，而且对反馈开销与功耗的限制也相对宽松。因此CSI反馈机制还可以进一步优化。例如可考虑采用逐步细化的反馈方式，在信道的相关时间内，逐次上报具有不同分辨率的CSI信息以便于网络侧进行更精准地调度与预编码/波束赋形。高频段场景中，可能很难找到适用于FDD的成对带宽。这种情况下热点覆盖很可能成为TDD技术的重要应用场景，因此有必要继续深入研究基于信道互易性的反馈技术。此外，还可以考虑引入类似显式反馈的机制。

4）  RS设计

如果引入更高阶MIMO技术，则需要定义新的参考符号。针对热点场景的高阶MIMO的RS设计应当同时考虑支持MIMO传输的测量/解调需求以及系统对参考符号开销的约束条件，尽可能地利用信道的相关性，在保证测量精度的前提下尽可能控制其对系统效率的影响。

5）  控制信令与反馈信道

引入上述技术之后，需要定义新的控制信令及相应的控制流程与反馈、控制信道。

关于局域场景的增强将会是Rel-12中的一大热点，但是对局域场景中的MIMO增强可能并不会成为Rel-12的目标。其原因不是因为研究基础的成熟性有所欠缺也不是因为发展需求的匮乏，而更主要是由于Rel-12中与MIMO相关的议题已经爆满。CSI反馈增强已经苦等了一个release，Rel-12中怕是不好再耽误这些老江湖们出头的最后机会。虽说这个议题下没有太重大的革新，但凡事就怕认真两字，这其中的每一个方向要深究起来都有潜力使MIMO技术在Rel-12的标准化过程陷入旷日持久的苦战。3D-MIMO更是Rel-12的焦点，众位食客早已系好围嘴备好刀叉饥渴而又专注地期盼着盛宴的开始。而且从时不时地被滚沸的浓汤顶开的锅盖下，人们还又惊喜而又兴奋地瞥见了massive MIMO。至此，Rel-12的餐桌上再也摆不下局域场景MIMO增强这道相对的小菜。然而这对于MIMO技术在局域场景中的进一步优化来讲，这又未必是件坏事。在Rel-12引入的新的MIMO功能基础之上，在针对局域应用优化的空口技术框架成形之后，针对局域场景增强的MIMO技术将可以以更为体面的方式成为LTE Rel-13及其后续版本中的主角。

4.       总结

        对于构建在OFDM+MIMO构架之上的LTE系统而言，MIMO作为其标志性技术之一，在LTE的几乎所有发展阶段都是其最核心的支撑力量。LTE的演进几乎总是伴随着MIMO功能的增强，在MIMO技术构建的坚实基础之上，LTE系统一次次刷新着速率与频谱效率这样最引人注目的技术指标。于此同时，也正是因为LTE系统的出现与发展才使MIMO技术获得了无与伦比的展现机会，从MIMO信道容量理论的出现到MIMO技术的标准化与产业化只经历了不足二十年。数据通信业务飞速发展是推动MIMO技术发展的内在需求，而数字电路等实现技术的成熟则为MIMO技术的标准化、产业化提供了必要的条件。搭上LTE这样的快车，对MIMO技术本身而言可谓是一大幸事。相比之下，OFDM与CDMA这些前辈们在从学术刊物上的油墨颗粒转化为实用技术的道路上经历了太多的质疑与冷遇。短短十余年间，MIMO的主要技术流派都有机会在LTE系统中一试身手，并找到了立足之地，而且能够逐步发展壮大。短短十余年间，通信界有多少学生乘着MIMO的风头，凭着一篇篇水文拿到了博士学位，又有多少学者专家教授抱着MIMO粗壮有力的大腿一路高歌猛进，吃的肥肠灌脑。

        这一过程中，不得不提的是Bell实验室。1995年，Bell的E. Telatar提出了MIMO信道容量理论，开创了MIMO理论研究之先河；1996年，Bell的G. J. Foschini提出了分层空时结构，掀起了MIMO技术实用方案与算法研究的高潮；2010年，同样出自Bell的T. L. Marzetta发表了关于massive MIMO技术的理论研究成果，将MIMO技术的理论发展推向了顶点。很显然，相比于那些以MIMO之名行混饭之实的学者专家教授们，这些潜心于基础研究工作，真正能够改变人类文明发展轨迹的大师们才是值得我等景仰的。但是massive MIMO技术的出现，也为MIMO技术的发展带来了一丝悲凉，在一定程度上也预示着以多取胜的MIMO技术迅猛发展时代的终结。实际上，从MIMO技术在LTE系统中的发展历程，已能看出MIMO技术的颓势。Rel-8至Rel-10中备受追捧，Rel-11中突然又被打入冷宫，紧随于沉寂其后的又是Rel-12中的猛烈爆发。然而，不同于Rel-8至Rel-10的高速发展阶段，Rel-12中MIMO技术的大跃进并不像是一个新的上升周期的开端，而更像是垂暮之人回光返照的表现。众人急切地推动着MIMO技术向前迈进，无奈的是，煽风点火者众，而有心添油加薪者却寥寥无几，这一过程无形中使MIMO技术加速走向了油枯灯尽的境地。短暂的辉煌之中，无论是大师还是投机的食利者，每一个参与者似乎都兼具了推手与掘墓人的双重身份。

        除了MIMO之外，整个物理层的地位又未尝如此。LTE等新一代无线接入系统已经将要耗尽物理层数十载的学术积累，随之而来的必然是物理层技术标准化发展的低潮阶段。对于整个通信系统而言，日渐缺乏前进动力的物理层越来越像是一块不起眼的上马石，没有物理层谁都坐不上马鞍子，可有了物理层垫脚大家又自顾扬鞭而去，绝尘之中恐怕无人还会惦记这块石头的来历。

参考文献

[1]       Alcatel-Lucent, “LightRadio white paper: technical overview”, http://www.alcatel-lucent.com

[2]       IST-4-027756 WINNER II, “ D1.1.2 V1.2 WINNER II Channel Models”

[3]       CELTIC / CP5-026 WINNER +, “D5.3: WINNER+ Final Channel Models”

[4]       Mansoor Shafi, Min Zhang, Aris L. Moustakas, Peter J. Smith, Andreas F. Molisch, Fredrik Tufvesson, and Steven H. Simon, “Polarized MIMO Channels in 3-D:Models, Measurements and Mutual Information”, IEEE Journal on selected areas in communications, vol.24, No.3, March 2006

[5]       T. L. Marzetta, “Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas,” IEEE Wireless Communications, vol. 9, no. 11, pp. 3590–3600, Nov. 2010.

【完】