浅析LTE论文_温庆华,陈小浪,黄沛江

摘要：多天线技术能够在不增加带宽的条件下，大幅提高系统容量和链路可靠性，因而成为LTE 的关键技术之一。多天线技术性能不仅取决于空时信号处理，天线本身的指标也很大程度上影响其网络部署。LTE的多天线技术包含了分集、空间复用和波束赋形技术。与之相对应，LTE规定了8种传输模式。文章介绍了多天线技术的分类，对TM3与TM7的切换做了简要分析，探讨了波束赋形与发送分集的性能对比。

关键词：LTE；多天线；传输模式；波束赋形

1 LTE多天线技术的分类

在下行链路，LTE的多天线发送方式可分为发射分集、空间复用和波束赋形等传输模式。

1.1发射分集

发射分集方案有多种实现方法，例如延迟发射分集、循环延迟发射分集、切换发射分集、空时（频）编码等；LTE标准中采用空频编码（SFBC）作为两天线端口的发射分集方案、4天线端口的发射分集方案为SFBC+FSTD（空频编码+频率切换发射分集）。其中，两天线端口的发射分集方案- 空频编码SFBC：待发送信息经过星座映射后，以两个符号为单位进入空频编码器。在第一个频率（子载波），天线端口1传输符号c1，天线端口2传输符号c2；在另一个子载波上，天线端口1与天线端口2分别传输符号- c2与c1。两天线端口的SFBC发射机结构如图1所示。

4天线端口的发射分集方案- SFBC+FSTD：在FSTD中，发射天线按照不同的子载波进行切换，不同的天线支路使用不同的子载波集合进行发送，减小了子载波之间的相关性，使等效信道产生了频率选择性。SFBC+FSTD方案将待传输的数据符号以4个为一组进行编码操作，记为c1、c2、c3、c4，这4个符号按照表1所示的关系映射到子载波0、1、2、3和天线端口0、1、2、3上。

在子载波0和1上，天线端口0和2传输数据，端口1和3不传输数据；类似的，子载波2和3上，天线端口1和3传输数据，端口0和2不传输数据。子载波0与1、2与3构成了两个子载波组，天线端口0与2、1与3构成了两个天线组，两个天线组使用不同的子载波，形成FSTD。在一个天线组内部，例如天线端口0和2之间构成了一个SFBC编码。在不同的子载波（组）上进行天线（组）的切换，即SFBC+FSTD。

1.2空间复用

LTE的物理层处理过程中，预编码是其核心功能模块，PDSCH的几种主要传输模式是通过预编码实现的。在空分复用模式中，MIMO信道可等效为多个并行的子信道。MIMO系统所能支持的最大数据流数由信道矩阵的秩决。如果发射机能够通过某种方式获得一定的CSI（channel state information），就可以通过一定的预处理方式对各个数据流加载的功率、速率乃至发射方向进行优化，并有可能通过预处理在发射机预先消除数据流之间的部分或全部干扰，以获得更好的性能。可以将预编码分为非码本方式的预编码和基于码本的预编码。码本是指有限个预编码矩阵所构成的集合。基于码本的预编码中，可用的预编码矩阵只能从码本中选取。而非码本的预编码中，并不对可选用的预编码矩阵的个数进行限值，因此预编码矩阵可以是任何符合规则与应用条件限制的矩阵，而并不限于取自某个特定的码本。

LTE系统中空分复用和波束赋形是通过预编码来实现的。从理论角度考虑，可以对每个并行传输的数据流进行独立的自适应调制编码，从而提高频谱效率。但在实际应用中，会造成大量的信令开销（每个数据流的MCS以及HARQ信息）与反馈信令开销（每个数据流的CQI与ACK/NACK）。因此，在TD- LTE下行传输中，对于每个UE的业务数据，最多只能独立

调整两个码字的数据流速率。所以，现在的下行空间复用最多只有两个码字。在这里，每个独立的编码-调制器所对应的数据块称为一个码字，一个码字数据块可以包含多个并行传输数据流。LTER8与R9下行传输中最多能够支持4个数据流的空间并行传输。实际能够支持的并行数据流取决于下行信道条件。eNB会根据UE上报的秩（RI）等信息来计算并选择并行数据流数量，用层来表示，每个层代表一个独立数据流，层是预编码模块的输入。码字和层的映射关系见图2、图3所示。

对于TM3，预编码矩阵的选择是按照一种预先设定的顺序进行轮询的，因此UE不需要上报PMI，但是UE需要上报信道的秩RI；对于TM4，UE需要上报PMI和RI等信息。

1.3波束赋形

传统意义上的波束赋形或智能天线特指基于小间距的天线阵列，使用较多天线单元。LTE的波束赋形是基于预编码的波束赋形。从广义角度讲，波束赋形和预编码都是数据阵列信号的预处理技术，它们所使用的算法可以完全相同。平均路损和来波方向可通过基站测量终端发射的SRS信号。UE则需要通过对专用导频的测量来估计波束赋形后的等效信道，并进行相关检测。UE需要根据CRS计算CQI。图4是波束赋形的处理过程图。

2 LTE的几种下行传输模式

根据LTE多天线技术的不同分类，LTE共规定了8种天线传输模式，如表2所示。

天线的传输模式是针对单个终端而言的，同一个小区内的不同终端可以有不同的传输模式。在TM3- TM8中，均含有一个回退模式：发射分集。当信道条件恶化时，eNB可以迅速切换到模式内发射分集方式。在LTE的宏基站中，一般采用TM2/3/7；在室内分布系统中双通道一般采用TM2/3/4，单通道情况下使用TM1。天线传输模式的选择是eNB根据UE的上报测量值自行选择的。

3 TM3和TM7切换原理

3.1 TM3与TM7吞吐量对比

TM3与TM7的吞吐量对比见图5。TM3/7的吞吐量都随着SNR的提高而增加，尤其是对于TM3而言，当SNR足够高时，可以得到很大的吞吐量。但是波束赋形增益是影响TM7吞吐量的另一个因素。我们可以看到，波束赋形增益为4dB，当SNR<=20dB时，TM7的吞吐量是高于TM3的；而当波束赋形的增益降低到2dB 时，TM7 与TM3 的吞吐量已经差不多（SNR<20dB），当SNR超过18dB时，TM3的吞吐量大大高于TM7。当波束赋形增益只有0dB时，TM7的吞吐量就低于TM3了。

这就关系到波束赋形增益是如何计算的。eNB无法直接测量波束赋形增益，而SNR是根据CRS的测量计算的，所以也无法通过SNR计算波束赋形增益。对于波束赋形增益的计算，不同的设备厂商有不同的算法来实现。

3.2 TM3/7转换原则

本文TM3/7转换原则都是在SNR<20dB的情况下。天线的相关性越好，说明信道的相关性越好。而波束赋形技术正适合用在相关性好的信道环境下。相反，信道环境的相关性越差就越有利于TM3的双流技术的应用。所以这就形成了TM3转换为TM7的第一个条件，天线的相关性大于限值0.5。TM3转换为TM7的第二个条件是UE上报的rank值小于1.7。也就是说不相关的信道个数小于1.7个。满足以上两个条件，eNB就会从TM3转换为TM7，反之从TM7转换为TM3。

4 结束语

LTE的多天线技术是发射分集、空分复用、波束赋形等技术的统称。对于每个终端，具体选用哪一种传输模式是根据信道环境来进行选择的。对于多天线技术的实现，预编码起到了核心的作用。本文对TM3/7转换和TM7的增益做了介绍，希望能够对LTE在现网中的规划设计提供依据.

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论文作者:温庆华,陈小浪,黄沛江

论文发表刊物:《基层建设》2016年14期

论文发表时间:2016/11/2

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