3GPP長期演進中的預(yù)編碼和空間多路復(fù)用 MIMO 技術(shù)

作者：應(yīng)用工程師 Randall T. Becker

多路輸入多路輸出（MIMO）技術(shù)通過頻譜效率的改進可提供更高的數(shù)據(jù)速率[1，2]。MIMO 系統(tǒng)的性能與接收到的信干噪比（SINR）及多路徑信道和天線配置的相關(guān)屬性直接相關(guān)[3]。無線信道可使某些 MIMO 接收天線端的 SINR 降低，但通過在發(fā)射機端使用波束賦形，還是能夠提高系統(tǒng)性能。雖然波束賦形與波束控制經(jīng)常一起使用，但明白二者的差別是非常重要的，波束賦形是一種信號處理技術(shù)，波束控制是改變輻射主波瓣的方向。波束賦形非常適用于 MIMO 應(yīng)用。3GPP 長期演進（LTE）標(biāo)準(zhǔn)[4]包括幾種發(fā)射波束賦形技術(shù)，可在各種信道條件下優(yōu)化系統(tǒng)性能。其中一種就是預(yù)編碼技術(shù)，它可以提高和/或均衡通過多個接收機天線接收到的 SINR。

MIMO 和預(yù)編碼

圖 1a 顯示了標(biāo)準(zhǔn) 2x2 MIMO 空間多路復(fù)用圖。假設(shè)無線信道將在發(fā)射天線和接收天線之間提供 4 個獨立連接。每個信道連接（圖中以箭頭來表示）均代表所有傳輸路徑的一個獨特組合，其中包括直接視距（LOS）路徑（如果存在），以及由于周圍環(huán)境的反射、散射和衍射而生成的無數(shù)多路徑。根據(jù)得出的信道條件，如果任何一條接收天線的 SINR 太慢，MIMO 系統(tǒng)則可能無法恢復(fù)發(fā)射的數(shù)據(jù)流（層）。如圖 1b 所示，在了解當(dāng)前信道條件后，發(fā)射機通過添加預(yù)編碼，能夠在傳輸之前有效地結(jié)合各層，達到通過多個接收天線均衡信號接收的目的。預(yù)編碼方案是專門針對空間多路復(fù)用和發(fā)射分集應(yīng)用而設(shè)計的[4]。本文將探討空間多路復(fù)用 MIMO 系統(tǒng)中的預(yù)編碼。

圖 1. 簡化方框圖顯示了（a）未采用預(yù)編碼的 MIMO 與（b）采用預(yù)編碼的 MIMO 之間的差別

預(yù)編碼以發(fā)射波束賦形的概念為基礎(chǔ)，該概念支持多個波束同時在 MIMO 系統(tǒng)中進行傳輸。LTE 標(biāo)準(zhǔn)定義了一組復(fù)雜的加權(quán)矩陣，以便使用高達 4x4 的天線配置在傳輸之前對各層進行組合[4]。對于 2x2 的配置來說，將加權(quán)矩陣 W 乘以輸入層，就能得出將要發(fā)射的預(yù)編碼信號。

此處，x^(q)(i) 是預(yù)編碼（q=0, 1）之前的輸入層，y^(q)(i) 是應(yīng)用于每個發(fā)射天線的預(yù)編碼信號。這個較簡單的預(yù)編碼矩陣將每一層映射到專門用于發(fā)射那一層的單一天線上，而不需要與其他天線進行任何耦合。在這種情況下，由碼簿索引 0 定義的加權(quán)矩陣將變?yōu)椋?/P>

得出以下發(fā)射數(shù)據(jù)：

由碼簿索引 1 定義的第二個預(yù)編碼矩陣提供兩個輸入層相加和相減的線性組合。碼簿 1 的加權(quán)矩陣為：

得出以下發(fā)射數(shù)據(jù)：

該碼簿選擇功能允許每個信號層的一部分通過每個天線進行發(fā)射，并根據(jù)信道條件，在試圖改進和均衡每個 MIMO 接收機的 SINR 時，提供一定的靈活性。

LTE 標(biāo)準(zhǔn)針對預(yù)編碼空間多路復(fù)用傳輸為兩個發(fā)射天線配置提供了 4 個碼簿矩陣，為四個發(fā)射天線系統(tǒng)提供了 16 個碼簿矩陣。要想恰當(dāng)?shù)剡x擇較佳的預(yù)編碼矩陣，就必須要了解發(fā)射機當(dāng)前的信道條件。信道條件由創(chuàng)建閉環(huán)系統(tǒng)的 MIMO 接收機的反饋提供。對于 LTE 預(yù)編碼的下行鏈路傳輸，移動終端或用戶設(shè)備（UE）將測量信道特征，并確定預(yù)編碼矩陣索引（PMI）、信道質(zhì)量指示符（CQI）和/或排名索引（RI）。該信息將發(fā)送到基站（eNB），由基站來修改預(yù)編碼碼簿選擇，從而提高整體系統(tǒng)性能。由于信道條件可能隨著時間的變化而快速改變，因此系統(tǒng)在關(guān)閉反饋環(huán)路時避免過分延遲是非常重要的。減少信令開銷和相關(guān)反饋延遲可通過限制碼簿選擇數(shù)量來實現(xiàn)。不幸的是，減少碼簿數(shù)量也會限制可調(diào)整的預(yù)編碼數(shù)量，進而降低預(yù)編碼的效力。

LTE 系統(tǒng)設(shè)計要求對系統(tǒng)性能、預(yù)編碼選件和反饋限制的平衡非常精通。一個靈活的測量系統(tǒng)能夠以獨特的視角，在各種仿真信道條件（包括噪聲、干擾和天線/信道相關(guān)）下對預(yù)編碼進行深入分析。

預(yù)編碼測量實例

在各種信道條件下檢測預(yù)編碼和 MIMO 的工作性能時，需要有各種必要的測量工具。圖 2 顯示了典型的 2x2 MIMO 測量設(shè)置，它由無線信道仿真器、信號源和信號分析儀組成。信道仿真器（例如 Agilent N5106 PXB 接收機測試儀）用于創(chuàng)建真實的多信道、多路徑環(huán)境（包括天線和空間相關(guān)的影響）[3]。某些商用仿真器具有內(nèi)置基帶發(fā)生器，通過在軟件工具（例如 Agilent Signal Studio、Agilent ADS 和 Agilent SystemVue） 中開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)模型或定制模型，可生成復(fù)雜的波形。信道仿真器輸出復(fù)雜的基帶波形，代表預(yù)編碼 MIMO 信號已被多路徑、噪聲和/或干擾所修改。之后，這些基帶波形將使用許多射頻矢量信號發(fā)生器提供的模擬同相（I）和正交相位（Q）輸入，調(diào)制到射頻載波上�；鶐�數(shù)據(jù)也可通過信號發(fā)生器（例如 Agilent MXG 系列）的數(shù)字 I 和 Q 輸入調(diào)制到射頻載波上。這是首選方案，因為這種方案可提供較佳性能，并且能夠執(zhí)行系統(tǒng)的自動功率校準(zhǔn)。在圖 2 所示的測量系統(tǒng)中，兩個射頻信號發(fā)生器就是雙信道 MIMO 接收機的輸入。請注意，使用多個信號發(fā)生器仿真 MIMO 系統(tǒng)時，雖然不要求對設(shè)備進行鎖相，但在測試過程中，各個發(fā)生器之間需要有一個穩(wěn)定的相位關(guān)系，這是十分重要的。術(shù)語“鎖相”通常被稱為“相位相干性”，它表示在特定載波頻率上工作的兩個或多個信號發(fā)生器的射頻輸出間的固定相位關(guān)系。由于每個數(shù)據(jù)層的信號在進行傳輸之前都要根據(jù)已知的信道條件添加一個矢量，因此正確的相位關(guān)系對預(yù)編碼操作十分重要。如果用來仿真多個發(fā)射機的信號發(fā)生器有一個未知和/或隨時間變化的相位關(guān)系，接收到的信號就可能出現(xiàn)不希望的相位偏置，從而導(dǎo)致一個或多個恢復(fù)數(shù)據(jù)流的性能降低。本文在后面將會提供一個實例，說明信號發(fā)生器相位偏置與系統(tǒng)性能的關(guān)系。在使用兩個現(xiàn)代射頻信號源（例如 Agilent MXG 信號發(fā)生器）的測試系統(tǒng)中，兩臺發(fā)生器將通過共享一臺發(fā)生器的未調(diào)制的本地振蕩器（LO）來保持相位相干性（參見圖 2）。在某些具有多個射頻信號發(fā)生器（例如 4x4 和 2x4 配置）的測試系統(tǒng)中，推薦使用單獨的射頻信號發(fā)生器作為主本地振蕩器，以便為信號發(fā)生器的本地振蕩器輸入提供足夠的驅(qū)動電平。

在圖 2 所示的測量實例中，雙信道 MIMO 接收機使用兩臺矢量信號分析儀（VSA）來配置，例如裝有Agilent 89600 VSA 軟件的 Agilent MXA 信號分析儀。通過電纜將兩臺信號發(fā)生器直接連接到 MIMO 接收機的輸入端，可以使用類似配置測試實際 2x2 MIMO 接收機系統(tǒng)的性能。在本例中，信道仿真器引入了可能在實際環(huán)境中出現(xiàn)的多路徑和信道減損。在測試 MIMO 發(fā)射機或 eNB 時，發(fā)射機可以直接連接到信號分析儀上。根據(jù)測試設(shè)備上的測量端口總數(shù)，可有多種將 MIMO 發(fā)射機連接到信號分析儀的可能配置。例如，通過使用功率組合器將 MIMO 發(fā)射機的多個信號添加到分析儀的通用端口，可以使用單路輸入分析儀進行 MIMO 極限測試。在這種情況下，由于發(fā)射的下行鏈路參考信號在頻率和/或時間上成正交關(guān)系，每個傳輸天線端口的單個參考信號都可通過單路輸入分析儀來分析 EVM 特征和定時誤差。當(dāng)使用兩個單路輸入分析儀進行測試時，雙信道 MIMO 發(fā)射機可以直接使用電纜連接到分析儀。在這種情況下，即便是在碼字采用預(yù)編碼而導(dǎo)致每層都包含一些獨立碼字組合的情況下，分析儀也能恢復(fù)每個碼字的獨立數(shù)據(jù)。這種配置對于評測傳播信道（將會發(fā)生信道的交叉串?dāng)_和交叉耦合）的影響也非常有用。

圖 2. 使用 N5106A PXB MIMO 接收機測試儀、N5182A MXG 矢量信號發(fā)生器和 N9020A MXA 信號分析儀演示，在各種多路徑和信道條件下表征 LTE 預(yù)編碼性能的測量設(shè)置。

使用 LTE 預(yù)編碼實現(xiàn)潛在系統(tǒng)改進的測量實例現(xiàn)在將通過上面介紹的基本 2x2 MIMO 系統(tǒng)來演示。信道仿真器經(jīng)過配置可生成一個“靜態(tài)”的多路徑信道，從而造成一個接收信號具有高 SINR，另一個接收機信號具有低 SINR。圖3 顯示了采用（下圖）和未采用（上圖）預(yù)編碼的雙信道 MIMO 信號進行恢復(fù)后所測得的星座圖。對于未采用預(yù)編碼的測量（參考了 LTE 標(biāo)準(zhǔn)中的碼簿索引 0），數(shù)據(jù)層直接映射到兩個發(fā)射天線，并通過仿真的多路徑信道進行發(fā)射，這就使接收到的第一個信號 rx0 具有相對較高的 SINR，而接收到的第二個信號 rx1，則受到了嚴(yán)重的衰減，具有很低的 SINR。第二個信號的質(zhì)量及這兩個信號間巨大的 SINR 差別使正確解碼這個兩信道 MIMO 信號變得非常困難。在本例中，當(dāng)使用預(yù)編碼時，通過碼簿索引 1，較差的信道條件所帶來的負(fù)面效應(yīng)可在一定程度上消除，因為預(yù)編碼將試圖均衡在每個接收機上測得的 SINR。從這個測量實例的結(jié)果可以看出，較差質(zhì)量的信號 rx1 的 SINR 得到了改進，另一個信號 rx0 的 SINR 雖然有所降低，但仍在可接受的范圍內(nèi)。通過對兩個接收信道進行適當(dāng)?shù)鼐�衡，MIMO 接收機能夠輕松恢復(fù)正交發(fā)射信號。 

圖 3. 使用 89600 系列矢量信號分析軟件，在采用和未采用預(yù)編碼的情況下測得的星座圖。[6]

前面已經(jīng)提到，射頻信號發(fā)生器之間的相位相干性對于正確解調(diào)獨立的數(shù)據(jù)層非常重要。當(dāng)已選擇好預(yù)編碼索引（index）來均衡接收機性能時，我們假設(shè)信

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