3D―MIMO技术在后LTE时代中的应用.docVIP

3D―MIMO技术在后LTE时代中的应用 　　【摘 要】基于有源天线阵列的3D-MIMO技术是目前LTE系统中MIMO技术的演进，对空间域的利用更加充分，可进一步提升无线通信系统的性能。通过介绍3D-MIMO的技术特点及典型应用场景，提出了一种基于矩阵奇异值分解的三维动态波束赋形算法，该算法对基站天线阵列两个维度与接收天线之间的信道矩阵的SVD分解向量进行组合得到发射端波束赋形向量，为3D-MIMO的实际应用提供参考。 　　【关键词】3D-MIMO 动态波束赋形 奇异值分解 　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2015.10.005 中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2015）10-0028-04 　　引用格式：张彬，温正阳. 3D-MIMO技术在后LTE时代中的应用[J]. 移动通信， 2015，39（10）： 28-31. 　　1 引言 　　众所周知，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）和OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）是LTE系统物理层的两大关键技术[1-3]，也是整个LTE系统的技术基础。其中，MIMO技术对于提高系统的有效性（即数据传输速率）与可靠性、控制干扰以及提高系统容量有着关键作用。在3GPP LTE第一个商用版本R8中，协议定义了TM1～TM7这7种传输模式，包含了发射分集、空间复用、波束赋形等MIMO的典型应用，在R8版本中预编码方式仅支持基于码本的预编码，解调是基于CRS（Cell-specific Reference Signals，公共参考信号），下行多用户MIMO最多只支持2个Rank1 UE。R9是R8的完善和增强版本，该版本中增加了传输模式TM8，即双流波束赋形；参考符号设计方面，在公共参考信号CRS基础上增加了专用导频，从而增加了波束赋形/预编码的灵活性；预编码反馈方面，除了基于码本的方案外，还增加了基于信道互易性的反馈方式，对TDD进行了针对性优化；多用户MIMO方面也有所增强，可以支持4个Rank1 UE或2个Rank2 UE[4]。 　　随着通信技术的发展及用户不断增长的数据业务需求，对系统传输速率与频谱效率的需求必然将不断提升，因此对MIMO技术的增强与优化始终是LTE系统演进的一个重要方向。在LTE-Advanced的R10版本中，对MIMO进一步增强，增加了传输模式TM9，下行传输最多支持8个数据流，与之对应的码本设计也进行了更新；参考信号方面增加了测量参考信号CSI-RS，与专用导频相配合，一个用来解调，一个用来测量，降低了系统的导频开销；R10还增加了对上行MIMO的支持，且最大可支持4个数据流，使MIMO技术的发展达到阶段性的顶峰。经过3个版本的发展后，MIMO技术在R11版本中进入“冬歇期”，然而通信工程师们对技术的追求总是无止境的，在R12中闪亮登场的3D-MIMO技术又掀起了一波研究高潮。具体如图1所示。 　　2 3D-MIMO技术介绍 　　在现有的通信系统当中，受限于传统的基站天线构架，基站发射端波束仅能在水平维度进行调整，而在垂直维度，一旦基站开通优化后，对小区内所有用户都是固定的下倾角，因此各种波束赋形/预编码技术等均是基于水平维信道信息的。事实上，由于传播信道是个三维空间，固定下倾角的方法往往不能使系统的吞吐量达到最优。如图2所示，随着小区用户数的增多，用户分布在小区内的不同区域，包括小区中心和小区边缘，使用传统的二维波束赋形只能根据水平维的信道信息进行水平方向上的区分，而不能在垂直维对用户进行区分，当两个用户的水平分布角度相同时，就不可避免地会产生干扰。 　　传统二维波束赋形的这种不足是与天线结构密切相关的。众所周知，目前的基站天线端口对应于一个水平方向上排列的线性阵列，调整各物理天线端口的幅度相位就只能控制信号在水平维的分布。随着AAS（Active Antenna System，有源天线系统）的发展，改变了原有天线结构，AAS阵列由多个功率相对较低且相对独立的阵子与射频集成模块构成，可以通过独立控制每个有源天线阵子而具有高效灵活的波束控制能力。目前一些设备厂商已有AAS产品，如阿尔卡特朗讯的LightRadio、诺西的LiquidRadio以及中兴的BeamHop等。基于有源天线的二维天线阵列使得MIMO系统得以充分利用垂直维度的传播空间，将2D-MIMO演进为3D-MIMO，为LTE传输性能提升开拓了更广阔的空间，使进一步降低小区间干扰、提高系统吞吐量和频谱效率成为可能[5]，受到多个厂家及研究人员的关注，成为3GPP R12的研究重点。