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3GPP LTE的预编码和空间多路复用MIMO手艺

宣布时间:2009年09月23日 15:09    宣布者:贾延安
要害词: LTE , MIMO , 多路复用 , 手艺 , 空间
本帖最后由 贾延安 于 2009-9-23 15:31 编辑

Randall T. Becker 安捷伦科技 应用工程师 2009-09

  多路输入多路输入(MIMO)手艺经由历程频谱效力的刷新可供应更高的数据速率[1,2]。MIMO系统的性能与吸收到的信干噪比(SINR)及多蹊径信道和天线装备的相关属性直接相关[3]。无线信道可使某些MIMO吸收天线真个SINR降低,但经由历程在发射机端应用波束赋形,照样能够前进系统性能。虽然波束赋形与波束控制经常一起应用,但明确二者的差异是异常主要的,波束赋形是一种旌旗暗记处置赏罚赏罚手艺,波束控制是改变辐射主波瓣的偏向。波束赋形异常适用于MIMO应用。3GPP耐久演进(LTE)尺度[4]网罗几种发射波束赋形手艺,可在种种信道条件下优化系统性能。其中一种就是预编码手艺,它可以前进和/或平衡经由历程多个吸收机天线吸收到的 SINR。

  MIMO和预编码

  图 1a 显示了尺度2×2 MIMO空间多路复用图。假定无线信道将在发射天线和吸收天线之间供应 4 个自力毗连。每个信道毗连(图中以箭头来体现)均代表所有传输蹊径的一个希奇组合,其中网罗直接视距(LOS)蹊径(假定存在),和由于周围情形的反射、散射和衍射而天生的有数多蹊径。凭证得出的信道条件,假定任何一条吸收天线的SINR太慢,MIMO 系统则能够没法恢复发射的数据流(层)。如图1b所示,在明确以后信道条件后,发射机经由历程添加预编码,能够在传输之前有用地联络各层,到达经由历程多个吸收天线平衡旌旗暗记吸收的目的。预编码妄图是专门针对空间多路复用和发射分集应用而设计的[4]。

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  预编码以发射波束赋形的看法为基础,该看法支持多个波束同时在MIMO系统中阻拦传输。LTE尺度界说了一组严重年夜的加权矩阵,以便应用高达4×4的天线装备在传输之前对各层阻拦组合[4]。关于2×2的装备来讲,将加权矩阵W乘以输入层,便可以得出将要发射的预编码旌旗暗记。

2.jpg

  此处,x(q)(i) 是预编码(q=0, 1)之前的输入层,y(q)(i) 是应用于每个发射天线的预编码旌旗暗记。这个最质朴的预编码矩阵将每层映照到专门用于发射那一层的单一天线上,而不须要与其他天线阻拦任何耦合。在这类情形下,由码簿索引 0 界说的加权矩阵将酿成:

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  由码簿索引 1 界说的第二个预编码矩阵供应两个输入层相加和相减的线性组合。码簿 1 的加权矩阵为:

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  该码簿选择功效允许每个旌旗暗记层的一部门经由历程每个天线阻拦发射,并凭证信道条件,在试图刷新和平衡每个 MIMO 吸收机的 SINR 时,供应一定的无邪性。

  LTE 尺度针对预编码空间多路复用传输为两个发射天线装备供应了4个码簿矩阵,为4个发射天线系统供应了16个码簿矩阵。要想适当地选择最好的预编码矩阵,就必须要明鹤发射机以后的信道条件。信道条件由培植闭环系统的MIMO吸收机的反映供应。关于LTE预编码的下行链路传输,移动终端或用户装备(UE)将丈量信道特点,并一定预编码矩阵索引(PMI)、信道质量指导符(CQI)和/或排名索引(RI)。该信息将发送到基站(eNB),由基站来修改预编码码簿选择,从而前进整系一切性能。由于信道条件能够随着时间的变换而快速改变,是以系统在关闭反映环路时防止太过延迟是异常主要的。增添信令开支和相关反映延迟可经由历程限制码簿选择数目来完成。不幸的是,增添码簿数目也会限制可调剂的预编码数目,进而降低预编码的效力。

  LTE 系统设计请求对系统性能、预编码选件和反映限制的平衡异常无能。一个无邪的丈量系统能够以希奇的视角,在种种仿真信道条件(网罗噪声、滋扰和天线/信道相关)下对预编码阻拦深刻剖析。

  预编码丈量实例

  在种种信道条件下检测预编码和 MIMO 的使命性能时,须要有种种须要的丈量工具。图 2 显示了尺度的2×2 MIMO丈量设置,它由无线信道仿真器、旌旗暗记源和旌旗暗记剖析仪组成。信道仿真器用于培植真实的多信道、多蹊径情形(网罗天线和空间相关的影响)。某些商用仿真用具有内置基带发生器,经由历程在软件工具中开发的尺度模子或定制模子,可天生严重年夜的波形。信道仿真器输入严重年夜的基带波形,代表预编码MIMO旌旗暗记已被多蹊径、噪声和/或滋扰所修改。以后,这些基带波形将应用许多射频矢量旌旗暗记发生器供应的模拟同相(I)和正交相位(Q)输入,调制到射频载波上。基带数据也可经由历程旌旗暗记发生器的数字I和Q输入调制到射频载波上。这是首选妄图,由于这类妄图可供应最好性能,而且能够推行系统的自动功率校准。在图2所示的丈量系统中,两个射频旌旗暗记发生器就是双信道MIMO吸收机的输入。请重视,应用多个旌旗暗记发生器仿真MIMO系统时,虽然不请求对装备阻拦锁相,但在测试历程当中,各个发生器之间须要有一个稳固的相位关系,这是很是主要的。“锁相”通常被称为“相位相关性”,它显露在特定载波频率上使命的两个或多个旌旗暗记发生器的射频输入间的结实相位关系。由于每个数据层的旌旗暗记在阻拦传输之前都要凭证已知的信道条件添加一个矢量,是以准确的相位关系对预编码操作很是主要。假定用来仿真多个发射机的旌旗暗记发生器有一个未知和/或随时间变换的相位关系,吸收到的旌旗暗记便可以够泛起不欲望的相位偏置,从而招致一个或多个恢双数据流的性能降低。在应用两个现代射频旌旗暗记源的测试系统中,两台发生器将经由历程共享一台发生器的未调制的当地振荡器(LO)来保持相位相关性(参见图 2)。在某些具有多个射频旌旗暗记发生器(例如4×4和2×4装备)的测试系统中,推荐应用伶仃的射频旌旗暗记发生器作为主当地振荡器,以便为旌旗暗记发生器的当地振荡器输入供应足够的驱动电平。

5.jpg

  在图 2 所示的丈量实例中,双信道 MIMO 吸收机应用两台矢量旌旗暗记剖析仪(VSA)来装备,经由历程电缆将两台旌旗暗记发生器直接毗连到 MIMO 吸收机的输入端,可以应用类似装备测试现实 2x2 MIMO 吸收机系统的性能。在本例中,信道仿真器引入了能够在现内情形中泛起的多蹊径和信道减损。在测试 MIMO 发射机或 eNB 时,发射机可以直接毗连到旌旗暗记剖析仪上。凭证测试装备上的丈量端口总数,可有多种将 MIMO 发射机毗连到旌旗暗记剖析仪的能够装备。例如,经由历程应用功率组合器将 MIMO 发射机的多个旌旗暗记添加到剖析仪的通用端口,可以应用单路输入剖析仪阻拦 MIMO 极限测试。在这类情形下,由于发射的下行链路参考旌旗暗记在频率和/或时间上成正交关系,每个传输天线端口的单个参考旌旗暗记都可经由历程单路输入剖析仪来剖析 EVM 特点和准时误差。当应用两个单路输入剖析仪阻拦测试时,双信道 MIMO 发射机可以直接应用电缆毗连到剖析仪。在这类情形下,即就是在码字接纳预编码而招致每层都网罗一些自力码字组合的情形下,剖析仪也能恢复每个码字的自力数据。这类装备关于评测撒播信道(将会发生信道的交织串扰和交织耦合)的影响也异常有用。

  应用 LTE 预编码完成潜在系统刷新的丈量实例现在将经由历程下面简介的基本 2×2 MIMO 系统来演示。信道仿真器经由装备可天生一个“静态”的多蹊径信道,从而组成一个吸收旌旗暗记具有高 SINR,此外一个吸收机旌旗暗记具有低 SINR。图3 显示了接纳(下图)和未接纳(上图)预编码的双信道 MIMO 旌旗暗记阻拦恢复后所测得的星座图。关于未接纳预编码的丈量(参考了 LTE 尺度中的码簿索引 0),数据层直接映照到两个发射天线,并经由历程仿真的多蹊径信道阻拦发射,这就使吸收到的第一个旌旗暗记 rx0 具有相对较高的 SINR,而吸收到的第二个旌旗暗记 rx1,则遭到了严重的衰减,具有很低的 SINR。第二个旌旗暗记的质量及这两个旌旗暗记间巨年夜的 SINR 差异使准确解码这个两信道 MIMO 旌旗暗记变得异常艰辛。在本例中,当应用预编码时,经由历程码簿索引 1,较差的信道条件所带来的负面效应可在一定水平上扫除,由于预编码将试图平衡在每个吸收机上测得的 SINR。从这个丈量实例的效果可以看出,较差质量的旌旗暗记 rx1 的 SINR 取得了刷新,此外一个旌旗暗记 rx0 的 SINR 虽然有所降低,但仍在可吸收的规模内。经由历程对两个吸收信道阻拦适当地平衡,MIMO 吸收机能够轻松恢复正交发射旌旗暗记。

6.jpg

  前面曾经提到,射频旌旗暗记发生器之间的相位相关性关于准确解调自力的数据层异常主要。当已选择好预编码索引(index)来平衡吸收机性能时,我们假定旌旗暗记发生器有一个已知的相位偏置。假定发生器间的相位关系发生改变,一个数据层的性能降低,而此外一个能够会前进。例如,我们一连来看图 3 所示的预编码丈量,为了平衡两个吸收机间的性能和它们相关的星座图,我们选择了预编码索引 1。在本例中,射频旌旗暗记发生器的相位相关接纳 0偏置。星座图质量的品行因数是误差矢量幅度(EVM)。EVM 是一个数字,通常用百分比体现,它可定量剖析吸收到的旌旗暗记与离理想星座图的误差。低 EVM 值代表高质量的旌旗暗记。在图 3 所示的预编码丈量中,两个吸收机上的 EVM 年夜约为 13.5%。现在,假定在两个旌旗暗记发生器间引入相位偏置,则一个吸收机的 EVM 会降低,此外一个则会前进。图 4 显示了 EVM 与下面简介的 2x2 系统中每个数据流的相位偏置的对应关系。如图所示,当相位偏置为 0时,诠释为仿真的无线信道选择了适当的码簿。当相位偏置增添时,数据流 1 的 EVM 会升级,数据流 2 的EVM 将刷新。当相位偏置增添时,也可不雅不雅察到相反的效应。两个吸收机间 EVM 的降低会招致选择的码簿与预期的信道特点掉落配。假定相位偏置是一个结实值,选择不合的码簿能够会再次平衡吸收机性能。遗憾的是,当应用非相关旌旗暗记发生器时,随时间变换的相位关系会极年夜地影响测得的 EVM 效果和系统性能。为明确决这个效果,相位相关旌旗暗记发生器(如图 2 中所形貌的丈量设置)将会扫除多个发生器间随时间变换的相位偏置。

7.jpg

  参考文献:

  [1] 安捷伦应用指南:3GPP Long Term Evolution: System Overview, Product Development, and Test Challenges[R]. 5989-8139EN,2008. 5

  [2] 安捷伦应用指南 1509:MIMO Wireless LAN PHY Layer (RF) Operation & Measurement[R]. 5989-3443EN,2008.4

  [3] 安捷伦应用指南:MIMO Channel Modeling and Emulation Test Challenges[R].5989-8973EN,2008. 10

  [4] 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Channels and Modulation (Release 8)[R]. 3GPP TS 36.211 V8.4.0 (2008-09), 2008

  [5] 安捷伦应用指南:Improving Methods for Measuring Distortion in Broadband Devices [R].5989-9880EN,2008. 12

  [6] Rumney, Moray. LTE and the Evolution of 4G Wireless: Design and Measurement Challenges[R].安捷伦科技公司,2009
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