多天线传输技术分类 | 带你读《大规模天线波束赋形 技术原理与设计 》之三-阿里云开发者社区

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多天线传输技术分类 | 带你读《大规模天线波束赋形 技术原理与设计 》之三

简介: 使用多天线之后,其信道可以被分解为多个并行数据通道。对这些通道利用策略的差异,是对 MIMO 方案进行分类的基本依据。

第1章

多天线及波束赋形技术发展概述

1.2 多天线及波束赋形理论基础

| 1.3 多天线传输技术分类 |

使用多天线之后,其信道可以被分解为多个并行数据通道。对这些通道利用策略的差异,是对 MIMO 方案进行分类的基本依据。MIMO 系统直观的增 益来自于多个独立数据流的空间并行传输所带来的传输速率提升,此类方案可 称为速率大化方案;当然,也可以利用并行的通道,分别服务于多个不同的 用户,这就是所谓的多用户 MIMO(Multi-User MIMO);如果对信息传输的 可靠性的要求超过了对传输速率的要求,或者说可靠性是首要考虑因素时,可 以用并行的管道传输同一份信息的多个样本,或者选择好的通道发送信息。
在选择 MIMO 方案时,发送端所能掌握的信道状态信息起到非常关键的作 用。所获得信道状态信息的准确性和及时性,在很大程度上决定了能够采用什 么样的 MIMO 技术方案。例如,同样是为了保证传输的可靠性,如果发射机侧 有准确的信道状态信息,可以通过波束赋形技术,对信号的空间分布特性进行 调整,并将所有信息馈送至传输质量好的通道;如果发射机不能获知准确的 信道状态信息,则只能将具有冗余的信息通过多个通道分散传输,再在接收机 侧进行集中合并以获得分集增益。MIMO 技术分类如图 1.4 所示。
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1.3.1 闭环空间复用

如果信道条件可以支持多个并行的数据通道,而且发射机侧能够获得及 时准确的信道状态信息,则可以采用闭环空间复用技术。此技术也是 LTE 等移动通信系统数据传输时重点考虑的一种传输方案。现有的 LTE 规范以 及 5G NR 的第一个版本已经可以支持单用户下行多 8 层和上行多 4 层 的数据传输。
在闭环空间复用中,首先要根据信道能够支持的并行传输流数量或者说数 据通道数量,确定发送的数据流数,此过程称为秩自适应;而后需要根据每个数据通道的传输能力,合理地为每个通道分配数据速率,让每个通道上传输的 调制和编码方式与通道的传输能力匹配起来。要充分利用每个管道的传输能力, 在保证差错概率足够低的前提下,尽可能使用更高的传输速率(需要说明的是, 在实际应用的 MIMO 系统中,由于某些现实因素的限制,如考虑到反馈开销, 可能无法独立调整每一个数据通道的调制编码方式);后,我们要根据数据 通道的空间分布特性,在发端将信息馈送到特定的空间去,在收端也要用和信 道匹配的方式,在特定的空间去收取信息。我们一般可以把在发射端根据信道 空间特性,对发送信息进行空域预处理,将信息发送到相应的方向或空间的过 程,称为预编码或波束赋形。
对于线性预编码,收发信号之间的关系可以表示为
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其中,Ws 表示发射机使用的预编码矩阵。根据文献[8],如果发射机能及时 准确地获得信道状态信息,则在如下优化准则下的佳预编码矩阵均为 V 矩阵 的前 RI(Rank Indicator)列。其中,RI 为 H 的秩。

  • 小奇异值准则:
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  • 均方误差准则(以 MMSE 接收机为例):
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  • 大容量准则:
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  • 大似然准则:
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在理想情况下,如果发送和接收端分别使用与信道相匹配的线性预编码和 线性检测方式,则发送和接收过程可以表示为
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由于 U 矩阵的列向量模值均为 1,因此经过上述接收检测后的等效加性噪 声的功率并没有被提升。由式(1-21)可以看出,在理想情况下,通过线性预 编码和接收检测,每个数据通道都能达到大的传输能力。
上述操作的关键上在于信道状态信息(CSI,Channel State Information)的 获取。实际上,无论是 Rank 自适应、自适应调制编码以及预编码等发送端所 能够进行的优化操作,其基础均在于发送端所能获得的信道状态信息的及时性 和准确程度。因此,CSI 获取以及反馈技术长期以来一直是研究与标准化工作 中的一项核心问题。
CSI 的获取方式一般可以分为三类:基于信道互易性的反馈、接收端隐式 反馈以及接收端显式反馈。
1.基于信道互易性的反馈
所谓互易性又称为对称性,是指上下行信道在一定时间内传播特性基本是 一样的。例如,对于 TDD(Time Division Duplex)系统,上下行信道使用相同 的频点,不同方向的链路靠时隙区分。在理想情况下,在信道的相干时间内, 可以认为通过上行信号测量的信道和下行信道是具有对称性的。这种互易性, 一般称之为瞬时或者短期的上下行互易性。
对于 FDD(Frequency Division Duplex)系统,由于信道的上下行链路之间 存在相对较大的频率差,上下行信道的传播特性,尤其是小尺度传播特性会有 较大的差别。在这种情况下,一般认为短期或瞬时的信道互易性是不成立的。 尽管瞬时信道不再对称,但是如果我们从长期统计的信息来看,信号的到 达和离开方向基本还是对称的,尤其是在以直视径为主的环境中。从这个 意义上讲,FDD 系统的信道在长期统计意义下也具有一定程度的互易性。
图 1.5 中给出了基于信道互易性反馈的处理过程示例。
需要注意的是,尽管 MIMO 信道矩阵 H 是可以通过上行信道利用互易性 测量的,但是终端仍然需要反馈一个 CQI(Channel Quality Indication)。这是 因为,通过互易性,基站能够估计出信道传播特征,但是由于上行和下行链路 的干扰和噪声并不相同, 因此基站无法利用信道互易性获知 UE(User Equipment)受干扰和噪声的影响情况。
基于互易性的反馈方式具有以下技术优势。

  • 反馈开销小,因为 CSI 中为丰富的关于信道矩阵 H 本身的信息是通过 对上行信道的估计而获得的,需要反馈的参量可以只有 CQI。
  • 如果上行信道估计足够准确的话,基站能够获得充分的信道信息,能够 进行更为精确的预编码,从而更好地匹配信道。
  • 基站侧有了小区里各个终端的、准确的信道状态信息之后,基站在调度与预编码过程中,就可以在更大范围内进行优化并计算出准确的预编码方式, 来匹配每个用户的信道,达到更好的系统性能。

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  • 如果基站能够准确获知用户的信道信息,就可以更灵活地为终端选择合 适的传输模式与传输参数。 但是,在实际应用中,基于互易性的反馈和传输往往会受非理想因素影响。
  • 互易性必须在足够短的时间内才能得到保证,而实际上,从 SRS(Sounding Reference Signal)的发送到真正的下行数据传输,往往会有一段延迟。
  • SRS 的信道估计性能会受到很多因素的限制,精度也未必能得到保证。
  • 复基带等效信道的传输特性是由中频、射频收发电路、天线及传播媒介 等综合因素共同决定的,为了保证收发互易性,需要在发送端进行校准(理论 上接收端也需要做校准,但在实际系统中性能影响不大)。
  • 出于节省成本的考虑,终端的发射通道数可能会少于接收通道数。UE 收发射频配置的不对称性会导致在上行无法获知完整的下行 MIMO 信道。这 一问题虽然可以通过天线切换技术解决,但是射频切换开关会增加功率损耗 和成本。
  • 终端在计算 CQI 时,不知道基站会使用什么样的预编码方式。因此,在基于互易性的反馈中,UE 上报的 CQI 可能只能较为粗略地反映出信噪比,这个信噪比往往和实际调度时的情况并不相符。比如在 LTE 系统中,对于基于互 易性的反馈方式,UE 在计算 CQI 时假设基站是按照发射分集方式传输数据的。 基于这种假设计算信道质量时,无法反映出终端在接收多流数据时的真实检测 算法的性能,所以链路自适应性能会受到一定影响。

2.接收端隐式反馈
对于 FDD 系统,由于瞬时互易性的缺失,信道状态信息的获取主要依靠接 收方的测量与反馈。具体而言,反馈信息可分为隐式及显式两种。
考虑到直接反馈信道矩阵的开销代价,所谓隐式反馈并不直接反馈信道矩 阵本身,而是反馈终端所推荐的预编码矩阵。系统可以预先定义一个由有限个 预编码矩阵所构成的集合,反馈过程中只需要上报预编码矩阵所对应的标号, 或称 PMI(Pre-coding Matrix Indicator)。为了减少反馈开销,通常的码本实际 上是从所有可能的预编码矩阵中选取出的一个粗略的代表集合。基于码本的隐 式反馈,本质上是一个矢量量化的过程。一般衡量码本好坏的指标是,对于任 意需要量化的对象,经过量化之后,其误差尽可能小。满足这样需求的码本, 一般在预编码矩阵空间中具有比较“均匀”的分布,这样每个预编码矩阵都可 以在码本里就近找到和自己误差较小的码字。图 1.6 中给出了基于码本的隐式 反馈机制的一个示例。
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相对于基于互易性的反馈以及显式反馈,隐式反馈的上报信息中并没有包 含信道矩阵本身,而是上报了 UE 所推荐的对自己而言更为有利的预编码矩阵 所对应的标号,以及相应的 RI 和 CQI,以此作为基站进行预编码、Rank 自适 应和自适应调制编码以及调度的依据。此反馈方式可以适用于 FDD 和信道互易 性缺失情况下的 TDD 系统,能够以相对稳健的方式为 MIMO 预处理的优化提 供所需的信道状态信息。
基于码本的隐式反馈存在的问题如下。

  • CSI 的测量依赖于下行参考信号的设计,测量的空间分辨率与参考信号 的开销之间存在矛盾。
  • 码本是对预编码矩阵空间的量化,而量化精度与反馈开销和计算复杂度 之间也存在矛盾。码本的量化精度对 SU-MIMO(Single-User Multiple-Input Multiple-Output)的影响相对较小,但是对 MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output)而言却是限制其性能增益的一个重要瓶颈。
  • 在基于码本的隐式反馈中,终端只向基站推荐了对自己有利的预编码方 式,但是并没有顾及该预编码方式对其他终端的影响,在 PMI 计算时也不便体 现其他用户共同调度时对自身的影响,因此对 MU-MIMO 传输的性能会造成不利影响。

综合以上因素,在进行 MU-MIMO 时,基站很难判断应当在哪些资源上把 哪些用户组合在一起,也很难对 MU-MIMO 调度后的性能进行估计,从而无法 准确地预判应当对哪些用户使用什么样的数据速率,MU-MIMO 的性能提升有限。
3.接收端显式反馈
所谓显式是相对于隐式反馈而言的,显式反馈中直接将 MIMO 的信道矩 阵,或者是 H 的一些统计参量,比如相关矩阵或者特征向量反馈给发送端。如 果基站能够及时准确地获得完整的信道信息,那么实际上这种反馈方式所能达 到的效果和基于互易性的反馈应该是一样的。这些好处集中体现在预编码的精 度、MU-MIMO 调度和用户间干扰的优化等方面。
但是显式反馈也有着互易性反馈类似的缺陷,因为终端上报 CSI 的时候, 不知道基站会使用什么样的预编码方式,因此计算 CQI 时无法基于一个对传输 方式的正确假设。在这种情况下,终端计算的 CQI 也是不准确的。
除此之外,反馈精度和性能之间的矛盾也很突出。反馈精度高则性能增益 明显,但是开销会占据更多的控制信道资源;如果出于控制开销的考虑而压缩 CSI 反馈量,则其性能未必能超过隐式反馈。
正是由于以上原因,在 LTE 的初期版本中,始终没有选择显式反馈机制。

1.3.2 开环空间复用

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