多天線傳輸技術分類 | 帶你讀《大規模天線波束賦形 技術原理與設計 》之三

第1章

多天線及波束賦形技術發展概述

1.2 多天線及波束賦形理論基礎

| 1.3 多天線傳輸技術分類 |

使用多天線之後，其信道可以被分解為多個并行資料通道。對這些通道利用政策的差異，是對 MIMO 方案進行分類的基本依據。MIMO 系統直覺的增 益來自于多個獨立資料流的空間并行傳輸所帶來的傳輸速率提升，此類方案可 稱為速率大化方案；當然，也可以利用并行的通道，分别服務于多個不同的 使用者，這就是所謂的多使用者 MIMO（Multi-User MIMO）；如果對資訊傳輸的 可靠性的要求超過了對傳輸速率的要求，或者說可靠性是首要考慮因素時，可 以用并行的管道傳輸同一份資訊的多個樣本，或者選擇好的通道發送資訊。

在選擇 MIMO 方案時，發送端所能掌握的信道狀态資訊起到非常關鍵的作 用。所獲得信道狀态資訊的準确性和及時性，在很大程度上決定了能夠采用什 麼樣的 MIMO 技術方案。例如，同樣是為了保證傳輸的可靠性，如果發射機側 有準确的信道狀态資訊，可以通過波束賦形技術，對信号的空間分布特性進行 調整，并将所有資訊饋送至傳輸品質好的通道；如果發射機不能獲知準确的 信道狀态資訊，則隻能将具有備援的資訊通過多個通道分散傳輸，再在接收機 側進行集中合并以獲得分集增益。MIMO 技術分類如圖 1.4 所示。

1.3.1 閉環空間複用

如果信道條件可以支援多個并行的資料通道，而且發射機側能夠獲得及 時準确的信道狀态資訊，則可以采用閉環空間複用技術。此技術也是 LTE 等移動通信系統資料傳輸時重點考慮的一種傳輸方案。現有的 LTE 規範以 及 5G NR 的第一個版本已經可以支援單使用者下行多 8 層和上行多 4 層 的資料傳輸。

在閉環空間複用中，首先要根據信道能夠支援的并行傳輸流數量或者說數 據通道數量，确定發送的資料流數，此過程稱為秩自适應；而後需要根據每個資料通道的傳輸能力，合理地為每個通道配置設定資料速率，讓每個通道上傳輸的 調制和編碼方式與通道的傳輸能力比對起來。要充分利用每個管道的傳輸能力， 在保證差錯機率足夠低的前提下，盡可能使用更高的傳輸速率（需要說明的是， 在實際應用的 MIMO 系統中，由于某些現實因素的限制，如考慮到回報開銷， 可能無法獨立調整每一個資料通道的調制編碼方式）；後，我們要根據資料 通道的空間分布特性，在發端将資訊饋送到特定的空間去，在收端也要用和信 道比對的方式，在特定的空間去收取資訊。我們一般可以把在發射端根據信道 空間特性，對發送資訊進行空域預處理，将資訊發送到相應的方向或空間的過 程，稱為預編碼或波束賦形。

對于線性預編碼，收發信号之間的關系可以表示為

其中，Ws 表示發射機使用的預編碼矩陣。根據文獻[8]，如果發射機能及時 準确地獲得信道狀态資訊，則在如下優化準則下的佳預編碼矩陣均為 V 矩陣 的前 RI（Rank Indicator）列。其中，RI 為 H 的秩。

• 小奇異值準則：

  

• 均方誤差準則（以 MMSE 接收機為例）：

  

• 大容量準則：

  

• 大似然準則：

  

在理想情況下，如果發送和接收端分别使用與信道相比對的線性預編碼和 線性檢測方式，則發送和接收過程可以表示為

由于 U 矩陣的列向量模值均為 1，是以經過上述接收檢測後的等效加性噪 聲的功率并沒有被提升。由式（1-21）可以看出，在理想情況下，通過線性預 編碼和接收檢測，每個資料通道都能達到大的傳輸能力。

上述操作的關鍵上在于信道狀态資訊（CSI，Channel State Information）的 擷取。實際上，無論是 Rank 自适應、自适應調制編碼以及預編碼等發送端所 能夠進行的優化操作，其基礎均在于發送端所能獲得的信道狀态資訊的及時性 和準确程度。是以，CSI 擷取以及回報技術長期以來一直是研究與标準化工作 中的一項核心問題。

CSI 的擷取方式一般可以分為三類：基于信道互易性的回報、接收端隐式 回報以及接收端顯式回報。

1．基于信道互易性的回報

所謂互易性又稱為對稱性，是指上下行信道在一定時間内傳播特性基本是 一樣的。例如，對于 TDD（Time Division Duplex）系統，上下行信道使用相同 的頻點，不同方向的鍊路靠時隙區分。在理想情況下，在信道的相幹時間内， 可以認為通過上行信号測量的信道和下行信道是具有對稱性的。這種互易性， 一般稱之為瞬時或者短期的上下行互易性。

對于 FDD（Frequency Division Duplex）系統，由于信道的上下行鍊路之間 存在相對較大的頻率差，上下行信道的傳播特性，尤其是小尺度傳播特性會有 較大的差别。在這種情況下，一般認為短期或瞬時的信道互易性是不成立的。 盡管瞬時信道不再對稱，但是如果我們從長期統計的資訊來看，信号的到 達和離開方向基本還是對稱的，尤其是在以直視徑為主的環境中。從這個 意義上講，FDD 系統的信道在長期統計意義下也具有一定程度的互易性。

圖 1.5 中給出了基于信道互易性回報的處理過程示例。

需要注意的是，盡管 MIMO 信道矩陣 H 是可以通過上行信道利用互易性 測量的，但是終端仍然需要回報一個 CQI（Channel Quality Indication）。這是 因為，通過互易性，基站能夠估計出信道傳播特征，但是由于上行和下行鍊路 的幹擾和噪聲并不相同， 是以基站無法利用信道互易性獲知 UE（User Equipment）受幹擾和噪聲的影響情況。

基于互易性的回報方式具有以下技術優勢。

• 回報開銷小，因為 CSI 中為豐富的關于信道矩陣 H 本身的資訊是通過 對上行信道的估計而獲得的，需要回報的參量可以隻有 CQI。
• 如果上行信道估計足夠準确的話，基站能夠獲得充分的信道資訊，能夠 進行更為精确的預編碼，進而更好地比對信道。
• 基站側有了小區裡各個終端的、準确的信道狀态資訊之後，基站在排程與預編碼過程中，就可以在更大範圍内進行優化并計算出準确的預編碼方式， 來比對每個使用者的信道，達到更好的系統性能。

• 如果基站能夠準确獲知使用者的信道資訊，就可以更靈活地為終端選擇合 适的傳輸模式與傳輸參數。 但是，在實際應用中，基于互易性的回報和傳輸往往會受非理想因素影響。
• 互易性必須在足夠短的時間内才能得到保證，而實際上，從 SRS（Sounding Reference Signal）的發送到真正的下行資料傳輸，往往會有一段延遲。
• SRS 的信道估計性能會受到很多因素的限制，精度也未必能得到保證。
• 複基帶等效信道的傳輸特性是由中頻、射頻收發電路、天線及傳播媒介 等綜合因素共同決定的，為了保證收發互易性，需要在發送端進行校準（理論 上接收端也需要做校準，但在實際系統中性能影響不大）。
• 出于節省成本的考慮，終端的發射通道數可能會少于接收通道數。UE 收發射頻配置的不對稱性會導緻在上行無法獲知完整的下行 MIMO 信道。這 一問題雖然可以通過天線切換技術解決，但是射頻切換開關會增加功率損耗 和成本。
• 終端在計算 CQI 時，不知道基站會使用什麼樣的預編碼方式。是以，在基于互易性的回報中，UE 上報的 CQI 可能隻能較為粗略地反映出信噪比，這個信噪比往往和實際排程時的情況并不相符。比如在 LTE 系統中，對于基于互 易性的回報方式，UE 在計算 CQI 時假設基站是按照發射分集方式傳輸資料的。 基于這種假設計算信道品質時，無法反映出終端在接收多流資料時的真實檢測 算法的性能，是以鍊路自适應性能會受到一定影響。

2．接收端隐式回報

對于 FDD 系統，由于瞬時互易性的缺失，信道狀态資訊的擷取主要依靠接 收方的測量與回報。具體而言，回報資訊可分為隐式及顯式兩種。

考慮到直接回報信道矩陣的開銷代價，所謂隐式回報并不直接回報信道矩 陣本身，而是回報終端所推薦的預編碼矩陣。系統可以預先定義一個由有限個 預編碼矩陣所構成的集合，回報過程中隻需要上報預編碼矩陣所對應的标号， 或稱 PMI（Pre-coding Matrix Indicator）。為了減少回報開銷，通常的碼本實際 上是從所有可能的預編碼矩陣中選取出的一個粗略的代表集合。基于碼本的隐 式回報，本質上是一個矢量量化的過程。一般衡量碼本好壞的名額是，對于任 意需要量化的對象，經過量化之後，其誤差盡可能小。滿足這樣需求的碼本， 一般在預編碼矩陣空間中具有比較“均勻”的分布，這樣每個預編碼矩陣都可 以在碼本裡就近找到和自己誤差較小的碼字。圖 1.6 中給出了基于碼本的隐式 回報機制的一個示例。

相對于基于互易性的回報以及顯式回報，隐式回報的上報資訊中并沒有包 含信道矩陣本身，而是上報了 UE 所推薦的對自己而言更為有利的預編碼矩陣 所對應的标号，以及相應的 RI 和 CQI，以此作為基站進行預編碼、Rank 自适 應和自适應調制編碼以及排程的依據。此回報方式可以适用于 FDD 和信道互易 性缺失情況下的 TDD 系統，能夠以相對穩健的方式為 MIMO 預處理的優化提 供所需的信道狀态資訊。

基于碼本的隐式回報存在的問題如下。

• CSI 的測量依賴于下行參考信号的設計，測量的空間分辨率與參考信号 的開銷之間存在沖突。
• 碼本是對預編碼矩陣空間的量化，而量化精度與回報開銷和計算複雜度 之間也存在沖突。碼本的量化精度對 SU-MIMO（Single-User Multiple-Input Multiple-Output）的影響相對較小，但是對 MU-MIMO（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output）而言卻是限制其性能增益的一個重要瓶頸。
• 在基于碼本的隐式回報中，終端隻向基站推薦了對自己有利的預編碼方 式，但是并沒有顧及該預編碼方式對其他終端的影響，在 PMI 計算時也不便體 現其他使用者共同排程時對自身的影響，是以對 MU-MIMO 傳輸的性能會造成不利影響。

綜合以上因素，在進行 MU-MIMO 時，基站很難判斷應當在哪些資源上把 哪些使用者組合在一起，也很難對 MU-MIMO 排程後的性能進行估計，進而無法 準确地預判應當對哪些使用者使用什麼樣的資料速率，MU-MIMO 的性能提升有限。

3．接收端顯式回報

所謂顯式是相對于隐式回報而言的，顯式回報中直接将 MIMO 的信道矩 陣，或者是 H 的一些統計參量，比如相關矩陣或者特征向量回報給發送端。如 果基站能夠及時準确地獲得完整的信道資訊，那麼實際上這種回報方式所能達 到的效果和基于互易性的回報應該是一樣的。這些好處集中展現在預編碼的精 度、MU-MIMO 排程和使用者間幹擾的優化等方面。

但是顯式回報也有着互易性回報類似的缺陷，因為終端上報 CSI 的時候， 不知道基站會使用什麼樣的預編碼方式，是以計算 CQI 時無法基于一個對傳輸 方式的正确假設。在這種情況下，終端計算的 CQI 也是不準确的。

除此之外，回報精度和性能之間的沖突也很突出。回報精度高則性能增益 明顯，但是開銷會占據更多的控制信道資源；如果出于控制開銷的考慮而壓縮 CSI 回報量，則其性能未必能超過隐式回報。

正是由于以上原因，在 LTE 的初期版本中，始終沒有選擇顯式回報機制。

1.3.2 開環空間複用