多用户MIMO标准化进展

《2010信息通信网技术业务发展研讨会》论文集

LTE-Advanced中的多用户MIMO

的标准化进展

焦慧颖

工业和信息化部电信研究院

【摘要】 下行增强MIMO是LTE-Advanced的关键技术之一，文章讨论了LTE R8和R9的多用户MIMO的传输模式，并且就LTE-Advanced中的多用户MIMO的主要问题进行了讨论，比较了各种可能的导频设计，下行控制信令、反馈及增强的码本设计方法，探讨了多用户MIMO适用的场景以及每个用户支持多于两个layer的可能性，并介绍了标准化进展情况。

【关键词】 多用户MIMO LTE-Advanced 上行反馈

增强码本

增强的下行MIMO是LTE-Advanced的关键技术之一，相对LTE R8，除了将天线扩展外，还引入了很多优化的机制，如增强的多用户MIMO（MU-MIMO）。LTE R8支持每用户单流的两个用户配对的多用户MIMO，码本并不是针对多用户MIMO的最优设计，在全频带反馈预编码矩阵指示（PMI），下行控制信令设计不足，这些问题影响了多用户MIMO的性能，因此LTE-Advanced考虑增强的多用户MIMO。

本文首先介绍了LTE R8和LTE R9中的多用户MIMO的基本情况，然后具体分析了在LTE-Advanced中引入增强多用户MIMO需要进一步考虑的细节问题，最后介绍了标准化进展情况。

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1、LTE R8中的多用户MIMO

LTE R8中的多用户MIMO，通过传输模式5半静态的配置用户处于多用户MIMO状态，并且每个用户只有一个layer，下行控制信令format 1D和多用户MIMO的传输模式相关。总体来说，LTE R8中的多用户MIMO具有以下特点： （1） 仅限于基于码本的预编码方式，采用的是单用户MIMO（SU-MIMO）优

化的码本，4发射天线配置的粒度是4比特。解调是基于公用参考信号，编码信息是基站的下行信令指示的。由于没有与其共同调度UE相关的下行信令，限制了基于UE的干扰抑制/消除的有效性和灵活性。

（2） 反馈上报支持的模式有非周期mode 3-1上报和周期mode 1-1和mode 2-1

上报，只支持宽带PMI预编码上报，这种反馈机制在相关性强的天线配置情况，也就是频率选择性弱的场景下更有用。并且只支持rank1上报。 （3） 尽管R8标准中没有明确的限制在一个资源块上调度多于两个用户，因为

单个的功率偏置比特，实际中最多只能同时调度两个用户。另外，每个UE限制接收一个layer。 2、LTE R9中的多用户MIMO

LTE R9中引入双流波束赋形，基于解调导频（DM RS）端口的设计，定义两个新的天线端口port7和port8，定义新的传输模式8和下行控制信令format 2B。 （1） LTE R9传输模式8支持“有PMI/RI”和“没有PMI/RI”的反馈模式，在

无反馈的情况下，采用发射分集（SFBC）的传输方式，有反馈的时候采用闭环空间复用的传输方式。

（2） 通过format 2B指示DM RS端口和DM RS的扰码初始化ID。

（3） R8中是高层半静态配置不同的传输模式支持单用户和多用户MIMO，而

R9是没有显式的信令来指示是否存在共同调度的用户的，也就是说对用户来说，不知道自己是否处于多用户MIMO状态。

LTE R9中双流波束赋形的普通子帧DM RS的设计方案如图1所示，采用码分复用（CDM）的方式复用。

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图1LTE R9双流波束赋形中的普通子帧DM RS导频图案

解调导频的序列定义为：

r(m)?12?1?2?c(2m)??j12max, DL?1?2?c(2m?1)?, m?0,1,...,12NRB?1伪随机序列发生器在每个子帧初始化为：

cell16 cinit???n2?1?2N?1?2?nSCID????ID?s?其中

nSCID?{0,1}是在DCI format 2B中动态配置的，如果没有配置，就假设为0。

这样可以用来在一个小区中支持最大四流的发送。 3、LTE-Advanced中的多用户MIMO

在LTE R9双流波束赋形的基础上，LTE-Advanced还可以对多用户MIMO进行增强，这里从多用户MIMO系统中发送和接收端的干扰消除算法的角度，看看需要对哪些方面进行增强。

首先，多用户MIMO中发送端的干扰消除算法有迫零（zero forcing）算法，块对角化（block diagonization）算法等，前提均为需要较为精确的信道状态反馈信息；接收端的干扰消除算法有最小均方差（MMSE）算法和干扰消除（IRC）算法等，均需要知道共同调度UE带来的干扰，这就需要下行控制信令显示或者隐式的指示与之共同调度的UE信息，并且要求正交的DM RS，从而干扰信息可以通过检测另外一个配对用户对应的DM RS来获得。

由以上分析可以看出，多用户MIMO中需要考虑下行信令的设置，参考信号的设计以及上行反馈及反馈精度等问题，以下对这些问题分别进行阐述。 3.1 参考信号的设计

目前的LTE-Advanced（R10版本）已经支持UE专用的导频，也就是导频和传

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输数据一起进行预编码，并且LTE R9 双流波束赋形中已经支持共同调度的UE采用正交导频复用的方法，来获得好的信道估计性能，因此R10中rank4的导频图案应该是R9 rank2导频的自然扩展，可以基于CDM或者FDM的结构，来进行干扰估计和不同资源块上的功率谱密度分配，目前的基准是采用码分复用与频分复用混合（CDM+FDM）的方式复用。 3.2 下行控制信令的设计

多用户MIMO中的下行控制信令可以采用透明和非透明的方式。

如果是透明的，从UE角度看，没有显式或者隐式的下行信令指示在同一个时频资源块上共同调度的其他UEs，也不指示空间信号信息的存在，DM-RS的位置等。这种情况下，接收端不能准确地获得空间信号的干扰信息，用户间的干扰抑制将变得比较困难，而发送端的干扰消除变得非常必要，而发送端的波束赋形/预编码信息又取决于信道特性、天线配置、共同调度的用户数目和基站所知道的信道信息等。

如果是非透明的，通过下行控制信令可以显式或者隐式的指示UE与之共同调度的UE信息，如果能够提供共同调度的UEs数量和每个UE的rank数信息，将有益于接收端采用先进的干扰消除算法来进一步提高多用户MIMO性能，而且由于考虑到了用户间干扰，用户可以反馈更精确的信道状态信息，从而在发送端获得干扰抑制的增益。这种非透明多用户MIMO的缺点是增加了信令开销。 3.3 单用户和多用户的动态切换

由于实际中动态的流量变化，更适合于多用户和单用户之间的动态切换，以便在瞬间容量高的情况下，采用多用户MIMO，其他情况下采用单用户发送。目前3GPP支持单用户和多用户的动态切换，不需进行RRC重配置的操作。 3.4 上行反馈及精度

多用户MIMO中的上行反馈方式有三种：显式反馈、隐式反馈和基于SRS的反馈。其中显式反馈的内容包括信道部分和噪声干扰部分，其中信道部分馈接收端看到的信道状态，在一个子帧中需要上报信道特性，包括瞬时的信道矩阵Hi，统计的发送信道相关矩阵Ri和瞬时信道的主特征值部分，噪声和干扰部分的反馈可以是噪声和干扰的接收总功率，或者是噪声和干扰的相关矩阵等。隐式反馈同

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