【原创】LTE Rel-12及其后续演进系统中的MIMO技术（Part 1）

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1）本文系本人原创，如需转载，敬请注明出处

2）本文撰写于2012年，目前的标准化进展与成文时的情况不尽相同

3）文中的观点仅限于与各位同行的交流，不代表任何公司或组织

目录：

1. 背景

2. LTE Rel-12中的MIMO技术

    2.1  CSI反馈增强

    2.2  基于2维AAS阵列的MIMO技术

        2.2.1  AAS技术

        2.2.2  3D/massive MIMO

3. LTE Rel-12后续版本中的MIMO技术

4. 总结

LTE Rel-12及其后续演进系统中的MIMO技术

苏 昕

摘要

        根据LTE系统标准化与网络部署的发展态势以及业界对MIMO技术的研究动向，从技术原理、发展现状以及标准化方向等角度对MIMO技术在LTE Rel-12及其后续版本中的潜在演进路线及应用方案进行了初步探讨：基于对LTE现有版本中MIMO技术的发展历程及Rel-11中MIMO技术的标准化进展情况的回顾，对Rel-12中已经确定的MIMO标准化方向—CSI反馈增强技术以及3D-MIMO/massive MIMO技术进行了讨论；结合近年来MIMO技术的研究动态以及业界对LTE后续系统部署架构的演进路线的预想，对高频段局域覆盖场景中的MIMO增强技术进行了介绍。

关键词

LTE、MIMO、3D-MIMO、3D-beamforming、massive MIMO、CSI反馈、3GPP

1.       背景

        LTE系统物理层的基本构架建立在OFDM+MIMO的基础之上，MIMO技术对于提高数据传输的峰值速率与可靠性、扩展覆盖、抑制干扰、增加系统容量、提升系统吞吐量有着重要作用。面对速率与频谱效率需求的不断提升，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。

        LTE Rel-8基于发射分集、闭环/开环空间复用、波束赋形与多用户MIMO这几种MIMO技术定义了多种下行传输模式以及相应的反馈机制与控制信令，基本涵盖了LTE系统的典型应用场景。LTE Rel-8中的下行MIMO技术主要是针对单用户传输进行优化的，其MU-MIMO方案在预编码方式、预编码频域颗粒度、CSI反馈精度及控制信令设计方面存在的缺陷在很大程度上限制了MU-MIMO传输与调度的灵活性，不能充分发挥MU-MIMO技术的优势。

        针对这一问题，LTE Rel-9中引入的双流波束赋形技术从参考符号设计及传输与反馈机制角度对MU-MIMO传输的灵活性及MU-MIMO功能进行了如下改进：采用了基于专用导频的传输方式，可以支持灵活的预编码/波束赋形技术；采用了统一的SU/MU-MIMO传输模式，可以支持SU/MU-MIMO的动态切换；采用了高阶MU-MIMO技术，能够支持2个rank2 UE或4个rank1 UE共同传输；支持基于码本与基于信道互易性的反馈方式，更好地体现了对TDD的优化。

        LTE Rel-10的下行MIMO技术沿着双流波束赋形方案的设计思路进行了进一步的扩展：通过引入8端口导频以及多颗粒度双级码本结构提高了CSI测量与反馈精度；通过导频的测量与解调功能的分离有效地控制了导频开销；通过灵活的导频配置机制为多小区联合处理等技术的应用创造了条件；基于新定义的导频端口以及码本，能够支持最多8层的SU-MIMO传输。Rel-10的上行链路中也开始引入空间复用技术，能够支持最多4层的SU-MIMO。

        历经三个版本的演进，LTE中的MIMO技术日渐完善，其SU与MU-MIMO方案都已经得到了较为充分地优化，MIMO方案研究与标准化过程中制定的导频、测量与反馈机制也已经为CoMP等技术的引入提供了良好的基础。在缺乏新的技术推动力与场景需求的情况下，LTE Rel-11中MIMO技术的发展不可避免地陷入了低潮。Rel-11关于下行MIMO增强的SI最初将目标锁定在real-life issues、CSI反馈增强以及控制信道增强三个方向。经过短暂的讨论之后，real-life议题中关注的若干问题被认为没有必要通过RAN1的标准化改进来予以解决。除了因延续了Rel-10的双级结构而略微显露出一丝新意的4Tx码本增强方案之外，MU-CSI、PUSCH 3-2等CSI反馈增强方案基本都是久经翻炒的冷饭，几家或是执着或是投机的公司坚持要根据自己的口味在这一议题里添油加醋的热情显然没法打动那些刚刚在Rel-10里饱食了TM9大餐的食客们。面对技术发展需求匮乏的现状，在Rel-11中进一步引入新的MIMO增强方案的努力不得已草草收场。而介于MIMO与控制信令/控制信道设计之间的控制信道增强则成了RAN1在Rel-11中唯一与MIMO沾边的议题，于是各公司标准推进与研究部门中的众多MIMO从业人员在控制领域找到了一个既能口沫飞溅地排解满腔愤懑，又能避免兔死狗烹鸟尽弓藏下场的临时避风港。

        就在MIMO技术标准化发展陷入沉寂的时候，有源天线技术的发展与成熟为MIMO技术的进一步演进带来了一丝曙光。有源天线技术的引入，将对基站射频-基带系统结构并可能会对整个网络构架带来影响。对于MIMO技术而言，由于天线阵列向2维化发展，MIMO信道的空间自由度得以进一步扩展，使基站在3维空间中控制信号的空间分布特性成为可能。同时，由于MIMO传输中可独立控制的天线单元数量的增加，具有更高传输效率与功率效率的massive MIMO技术也将有可能得到应用。

        此外，随着频带资源的日益紧张，LTE系统向高频段/局域覆盖优化方向发展的趋势已经十分明显，针对局域应用的物理层增强方案不断涌现，而高频段/局域应用场景本身又十分有利于MIMO技术的应用。因此，随着LTE系统优化的重点向这一场景的倾斜，MIMO技术似乎又可以找到新的发展空间。

        目前3GPP刚刚结束了针对Rel-12研究与标准化方向讨论的workshop，根据业界各公司展示的对LTE技术发展路线的构想，Rel-12将会是LTE系统发展的又一个重要阶段，局域覆盖将成为LTE系统设计与优化的重点，而这一趋势将可能会影响到LTE Rel-12之后MIMO方案的标准化发展走向。此外，AAS技术大规模应用后可能会带动网络构架方案的变革，而AAS阵列的应用所引发的MIMO技术3D化趋势将对MIMO信道建模、反馈方案、导频设计以及控制信令设计提出新的挑战。

        针对上述发展趋势，第2节与第3节中分别对LTE Rel-12及其后续版本中可能被标准化的MIMO反馈增强、3D/massive MIMO以及局域应用场景中的MIMO方案进行介绍。第4节对全文进行了总结。

【未完待续】