【文章內(nèi)容簡介】 落的概率也大大降低。也就是說，要獲得分集增益，多個獨(dú)立衰落信號的產(chǎn)生和多個獨(dú)立信號的合成是關(guān)鍵，一個合適的產(chǎn)生和合成方法將大大減輕合成信號的衰落。現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，基站一般會裝置多根天線，天線間距較大時，天線間的衰落相關(guān)性是較低的，因此恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計發(fā)送方式可以獲得空間發(fā)射分集增益。為多天線傳輸設(shè)計的編碼叫做空時(頻)編碼，空時編碼還可以用于多天線接收來對抗多徑衰落，從而提高信道容量。發(fā)射分集主要是利用空間信道的弱相關(guān)性，結(jié)合時間/頻率上的選擇性，為信號的傳遞提供更多的副本，提高信號傳輸?shù)目煽啃?，從而改善接收信號的信噪比。LTE主要支持的傳輸分集包括空時/空頻編碼、循環(huán)延時分集以及天線切換分集。. 預(yù)編碼技術(shù) 預(yù)編碼技術(shù)通過反饋的方式獲取信道狀態(tài)信息，從而可以通過一定的預(yù)處理方式對各個數(shù)據(jù)流的功率、速率乃至發(fā)射方向進(jìn)行優(yōu)化，并有可能通過預(yù)處理在發(fā)射機(jī)預(yù)先消除數(shù)據(jù)流之間的部分或全部干擾，以獲得更好的性能。在預(yù)編碼系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)可以根據(jù)信道條件對發(fā)送信號的空間特性進(jìn)行優(yōu)化，使發(fā)送信號的空間分布特性與信道條件相匹配，因此可以有效地降低對接收機(jī)算法的依賴程度。預(yù)編碼可以采用線性或非線性的方法，但由于復(fù)雜度等方面的原因，在目前的無線通信系統(tǒng)中只考慮線性預(yù)編碼。發(fā)射機(jī)可以通過上/下行信道之間的互易特性或通過UE反饋方式獲取信道狀態(tài)信息(Channel State Information， CSI)，預(yù)編碼系統(tǒng)根據(jù)所獲得的CSI，得知信道所能支持的并行傳輸流數(shù)量，將有限的發(fā)射功率分配給能夠有效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，從而避免發(fā)射功率的浪費(fèi)。從理論角度來說，可以根據(jù)每個子信道的傳輸能力，按照類似注水定理的原則對每個數(shù)據(jù)流的功率分配進(jìn)行優(yōu)化，提高M(jìn)IMO鏈路的信道容量，同時可用自適應(yīng)調(diào)制編碼的方式使每個子信道的傳輸速率最大化。根據(jù)所選的優(yōu)化目標(biāo)與具體的接收機(jī)檢測算法的區(qū)別，預(yù)編碼的理論設(shè)計準(zhǔn)則可以采用最小奇異值準(zhǔn)則、均方誤差準(zhǔn)則、最大容量準(zhǔn)則和最大似然準(zhǔn)則等。. 波束賦形 波束賦形(Beamforming，BF)與線性預(yù)編碼在操作上有很多相似之處，但是其工作原理與預(yù)編碼不同。預(yù)編碼要求基站側(cè)使用大間距的多根天線陣列，需要匹配瞬時的衰落變化；而波束賦形是一種應(yīng)用于小間距的天線陣列的多天線傳輸技術(shù)，其主要原理是利用空間信道的強(qiáng)相關(guān)及波的干涉原理產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖，使輻射方向圖的主瓣自適應(yīng)地指向用戶來波方向，從而改善信噪比，提高系統(tǒng)容量或覆蓋范圍。波束賦形通過調(diào)整天線陣列中的每個陣元產(chǎn)生具有指向性的波束，從而獲得明顯的陣列增益。波束賦形的權(quán)值僅僅需要匹配信道的慢變化，比如來波方向和平均路損。因此，在進(jìn)行波束賦形時，可以不利用終端來反饋所需信息，來波方向和路損信息可以在基站側(cè)通過測量上行接收信號獲得，并且不需要上行使用多根天線進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。157波束賦形技術(shù)可分為自適應(yīng)波束賦形、固定波束賦形和切換波束賦形。固定波束即天線的方向圖是固定的，把基站中的3個120176。扇區(qū)分割即為固定波束。切換波束是對固定波束的擴(kuò)展，將每個120176。的扇區(qū)再分為多個更小的分區(qū)，每個分區(qū)有一固定波束，當(dāng)用戶在一扇區(qū)內(nèi)移動時，切換波束機(jī)制可自動將波束切換到包含最強(qiáng)信號的分區(qū)，但切換波束機(jī)制的致命弱點(diǎn)是不能區(qū)分理想信號和干擾信號。自適應(yīng)波束賦形器可依據(jù)用戶信號在空間傳播的不同路徑，最佳地形成方向圖，在不同到達(dá)方向上給予不同的天線增益，實時地形成窄波束對準(zhǔn)用戶信號，而在其他方向盡量壓低旁瓣，采用指向性接收，從而提高系統(tǒng)的容量。由于移動臺的移動性以及散射環(huán)境，基站接收到的信號的到達(dá)方向是時變的，使用自適應(yīng)波束賦形器可以將頻率相近但空間可分離的信號分離開，并跟蹤這些信號，調(diào)整天線陣的加權(quán)值，使天線陣的波束指向理想信號的方向。. 雙流波束賦形 根據(jù)調(diào)度用戶的情況不同，雙流波束賦形技術(shù)可以分為單用戶雙流波束賦形技術(shù)和多用戶雙流波束賦形技術(shù)。（1）單用戶 單用戶雙流波束賦形技術(shù)如圖22所示。由基站測量上行信道，得到上行信道狀態(tài)信息后，基站根據(jù)上行信道信息計算兩個賦形矢量，利用該賦形矢量對要發(fā)射的兩個數(shù)據(jù)流進(jìn)行下行賦形。采用單用戶雙流波束賦形技術(shù)，使得單個用戶在某一時刻可以進(jìn)行兩個數(shù)據(jù)流傳輸，同時獲得賦形增益和空間復(fù)用增益，可以獲得比單流波束賦形技術(shù)更大的傳輸速率，進(jìn)而提高系統(tǒng)容量。圖22 單用戶雙流波束賦形（2）多用戶 多用戶雙流波束賦形技術(shù)如圖23所示。基站根據(jù)上行信道信息或者UE反饋的結(jié)果進(jìn)行多用戶匹配，多用戶匹配完成后，按照一定的準(zhǔn)則生成波束賦形矢量，利用得到的波束賦形矢量為每一個UE、每一個流進(jìn)行賦形。多用戶雙流波束賦形技術(shù)利用了智能天線的波束定向原理，實現(xiàn)多用戶的空分多址。圖23 多用戶雙流波束賦形. 多用戶MIMO （1）下行多用戶MIMO 在多用戶MIMO系統(tǒng)中，基站會采用相同的時頻資源與多個用戶同時通信。多用戶MIMO技術(shù)利用多天線提供的空間自由度分離用戶，各個用戶可以占用相同的時頻資源，信號依賴發(fā)射端的信號處理算法抑制多用戶之間的干擾，通過時頻資源復(fù)用方式有效地提高小區(qū)平均吞吐量。在小區(qū)負(fù)載較重時，通過簡單的多用戶調(diào)度算法就可以獲得顯著的多用戶分集增益，是獲得系統(tǒng)容量的有效手段。由于小間距天線能夠形成有明確指向性的波束，因此多用戶MIMO適用于小間距、高相關(guān)天線系統(tǒng)。小間距天線形成的較寬的波束也保證了在信道變化比較快時，分離各個用戶的有效性。理論上，多用戶MIMO的信道容量與廣播信道的容量是一致的。一種可以達(dá)到多用戶MIMO的信道容量的算法為DPC (Dirty Paper Coding)算法。其核心思想是當(dāng)發(fā)射端已知干擾時，對干擾進(jìn)行補(bǔ)償，此時的信道容量和系統(tǒng)中沒有干擾時一樣，對于多用戶MIMO來說，其他用戶發(fā)射信號造成的干擾在基站側(cè)是已知的，理論上也可以通過設(shè)計線性預(yù)編碼抑制該干擾。無論是應(yīng)用線性預(yù)編碼還是非線性預(yù)編碼的DPC算法，發(fā)射端進(jìn)行干擾抑制或者干擾補(bǔ)償?shù)囊粋€前提條件是必須獲取基站到終端的信道狀態(tài)信息。多用戶MIMO系統(tǒng)中，接收端不僅接收到多天線基站發(fā)送給自己的經(jīng)過信道響應(yīng)的信號，還有基站發(fā)送給其他終端的經(jīng)過信道響應(yīng)的信號，以及加性噪聲，后兩項對于相應(yīng)終端來說，都是干擾。對于多用戶MIMO系統(tǒng)來說，一項根本任務(wù)就是提高本用戶信號接收可靠性的同時盡量減少其他用戶的干擾，這可以通過線性或者非線性算法來實現(xiàn)。（2）上行虛擬MIMO虛擬MIMO技術(shù)通常用在上行傳輸中，主要原因是終端的天線數(shù)少于基站的天線數(shù)。為了更加充分地利用上行信道的信道容量，R8版本引入了虛擬MIMO傳輸方式。傳統(tǒng)MIMO傳輸對于發(fā)送端來說是可控的，即可以選擇發(fā)送的天線數(shù)和流數(shù)，但是在虛擬MIMO中，終端只是單流天線傳輸，并沒有意識到其他發(fā)送終端的存在，但從接收端的角度看，是一個多發(fā)多收模式，由多個發(fā)送終端和基站組成一個虛擬多發(fā)多收的MIMO系統(tǒng)。虛擬MIMO的本質(zhì)是利用了來自不同終端的多天線提高了空間的自由度，充分利用了潛在的信道。上行虛擬MIMO技術(shù)中，每個終端只有單個發(fā)送通道，多個終端可以組成虛擬的上行MUMIMO傳輸，由于上行虛擬MIMO是多用戶MIMO傳輸方式，每個終端的導(dǎo)頻信號需要采用不同的正交導(dǎo)頻序列以利于估計上行信道信息。對于單個終端而言，并不需要知道其他終端是否采用虛擬MIMO方式，只要根據(jù)下行控制信令的指示，在所分配的時頻資源中發(fā)送導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)信號，在基站側(cè)，由于知道所有終端的資源分配和導(dǎo)頻信號序列，因此可以檢測出多個終端發(fā)送的信號信息。圖24上行虛擬MIMO示意圖上行虛擬MIMO技術(shù)并不會增加終端發(fā)送的復(fù)雜度，但在基站端，需要完成用戶的選擇配對和多用戶的檢測。在應(yīng)用虛擬MIMO技術(shù)時，首先需要考慮的因素是盡可能使得配對用戶之間的干擾小一些，表現(xiàn)在信道上是互相正交的，同時兩個用戶的信噪比應(yīng)該相當(dāng)，便于獲得更好的空間復(fù)用增益。. 調(diào)度技術(shù)快速分組調(diào)度技術(shù)是在分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上提供帶寬分配和復(fù)用，它是實現(xiàn)LTE系統(tǒng)頻率分集和多用戶分集增益的重要保證之一。LTE的快速分組調(diào)度技術(shù)包含調(diào)度算法和相關(guān)的信令支撐。為了更好地適應(yīng)無線環(huán)境中帶寬有限、用戶移動性、信道的易錯和誤碼的突發(fā)性等特點(diǎn)，提高無線系統(tǒng)性能，提出了很多適合無線信道的高效分組調(diào)度算法，其中比較有代表性并在實際系統(tǒng)中采用的有以下3種：(1) Max CIR (Max Carrier to Interference，最大載干比調(diào)度算法) 是一種典型的利用“多用戶分集效果”來實現(xiàn)最大化系統(tǒng)容量的調(diào)度算法。在小區(qū)所屬用戶中挑選信道質(zhì)量最好的用戶進(jìn)行調(diào)度，可以最大化小區(qū)平均吞吐量和頻譜效率，但是不能保證公平性和業(yè)務(wù)的QoS要求。(2) RR (Round Robin，輪循算法) 基于公平性的考慮，通過輪循的方式給每個用戶以傳輸機(jī)會，保證小區(qū)內(nèi)的用戶按照某種確定的順序循環(huán)占用等時間的無線資源進(jìn)行通信。但是，由于小區(qū)中各用戶鏈路情況參差不齊，公平調(diào)度會降低小區(qū)平均吞吐量和頻譜效率。(3) PF (Proportional Fair，比例公平算法) PF算法同時兼顧了用戶公平性和小區(qū)吞吐率兩個性能指標(biāo)，盡量讓具有高傳輸速率的用戶分配資源時具有高優(yōu)先級，同時也通過平均速率調(diào)整來保證用戶的公平性。比較適合Interactive業(yè)務(wù)，使其響應(yīng)時延控制在較小范圍內(nèi)，其小區(qū)平均吞吐量和頻譜效率也介于Max CIR和RR算法之間。LTE系統(tǒng)配置高帶寬時，在較大時延擴(kuò)展的環(huán)境中，信道具有頻選特性；在多用戶調(diào)度中，通過調(diào)度算法為合適的用戶分配合適的頻帶資源，可以提升小區(qū)平均吞吐量和頻譜效率。在實際網(wǎng)絡(luò)中，一個好的資源調(diào)度算法是系統(tǒng)容量、小區(qū)邊緣速率、用戶使用感受等多方面的折中，使用者可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的不同時期、業(yè)務(wù)發(fā)展情況做及時、有效地調(diào)整。. 上行調(diào)度 上行調(diào)度位于LTE系統(tǒng)的MAC層，但是涉及RRC層的參數(shù)下發(fā)和配置過程，以及物理層的信令和過程。上行調(diào)度特性主要解決在合適的時刻選擇合適的UE分配合適的資源的問題，需要在滿足用戶QoS的前提下，盡量利用信道信息最大化系統(tǒng)吞吐量，同時要考慮用戶差異化和公平性，保證小區(qū)覆蓋。在上行鏈路上， EUTRAN可以在每個TTI上通過用UE的CRNTI加擾的PDCCH為UE動態(tài)分配資源(PRB和MCS)。當(dāng)UE能夠進(jìn)行下行鏈路接收時(UE的活動由DRX控制)，為了得到可能分配給該UE的上行鏈路傳輸資源， UE需要一直監(jiān)視PDCCH。此外，EUTRAN可以為UE分配半靜態(tài)上行鏈路資源，該資源用于HARQ首次傳輸及可能進(jìn)行的重傳：(1) RRC定義半靜態(tài)調(diào)度周期；(2) PDCCH指示上行鏈路調(diào)度是否為半靜態(tài)資源，即PDCCH所指示的上行鏈路資源是否可隱式用于所有半靜態(tài)調(diào)度TTI，其半靜態(tài)調(diào)度間隔為RRC所定義的半靜態(tài)調(diào)度周期。在UE有半靜態(tài)上行調(diào)度資源的子幀，如果UE沒有發(fā)現(xiàn)其CRNTI加擾的PDCCH，UE就使用為該TTI所配置的半靜態(tài)資源進(jìn)行上行鏈路傳輸。網(wǎng)絡(luò)側(cè)在預(yù)定義的PRB上用預(yù)定義的MCS進(jìn)行解碼。否則，在UE有半靜態(tài)上行調(diào)度資源的子幀，如果UE檢測到其CRNTI加擾的PDCCH，那么PDCCH中所分配的資源將會覆蓋靜態(tài)調(diào)度資源， UE在新分配的資源上進(jìn)行上行鏈路傳輸，不再在原來的半靜態(tài)調(diào)度資源上進(jìn)行上行鏈路傳輸。重傳可以在半靜態(tài)分配的資源上進(jìn)行，或者是在通過PDCCH顯式分配的資源上進(jìn)行。由于上行鏈路不支持盲檢，當(dāng)UE沒有足夠的數(shù)據(jù)填充分配的資源時，采用padding模式。圖25上行調(diào)度示意圖(1)UE通過調(diào)度請求申請上行傳輸；(2)調(diào)度區(qū)不需要詳細(xì)的資源調(diào)度區(qū)內(nèi)容來分配初始資源；(3)更詳細(xì)的緩沖區(qū)狀態(tài)報告后緊跟著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；(4)為每個UE分配上行鏈路； (5) UE在RB之間進(jìn)行優(yōu)先排序；(6)在3GPP中，仍然保留開放性接口。 . 下行調(diào)度在下行鏈路上， EUTRAN可以在每個TTI上通過用UE的CRNTI加擾的PDCCH為UE動態(tài)分配資源。當(dāng)UE能夠進(jìn)行下行鏈路接收時(UE的活動由DRX控制)，為了得到可能分配給該UE的資源，UE需要一直監(jiān)視PDCCH。另外， EUTRAN能夠為UE的HARQ首次傳輸半靜態(tài)分配下行資源：(1) RRC定義半靜態(tài)調(diào)度下行授權(quán)的周期；(2) PDCCH指示了該下行授權(quán)是否是一個半靜態(tài)授權(quán)，也即表明該授權(quán)是否能隱式重用于后續(xù)的TTI，TTI的周期由RRC確定。重傳也可通過PDCCH顯式指示。UE在有半靜態(tài)資源配置的子幀，如果UE沒有檢測到用自己的CRNTI加擾的PDCCH，UE就會認(rèn)為下行鏈路傳輸是在半靜態(tài)分配的資源上進(jìn)行的。否則，如果UE在半靜態(tài)分配的子幀上檢測到用其CRNTI加擾的PDCCH，PDCCH中所分配的資源將會覆蓋半靜態(tài)分配的資源， UE不對半靜態(tài)資源進(jìn)行解碼。圖26下行調(diào)度示意圖(1)基于下行參考符號，UE提供信道質(zhì)量報告(CQI)； (2)基于QoS、CQI等進(jìn)行RB資源調(diào)度分配；(3)數(shù)據(jù)傳輸和資源分配同時進(jìn)行； (4)在3GPP中，仍然保留開放性接口。 . 干擾抑制技術(shù) 子載波之間的正交特性是OFDM技術(shù)一個非常重要的特性，因為這會消除小區(qū)內(nèi)部的干擾。然而，移動網(wǎng)絡(luò)實際的部署都是多小區(qū)環(huán)境，在這種情況下，小區(qū)之間的干擾（ICI）始終存在，而且對網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。更加準(zhǔn)確地講，當(dāng)相同的頻率資源被相鄰的小區(qū)復(fù)用時，基于OFDM技術(shù)的LTE系統(tǒng)就會產(chǎn)生干擾。舉例說明，兩個用戶分別位于不同的小區(qū)內(nèi)，但是他們同時占用相同的頻率資源塊，這樣那些被占用的頻率資源塊的信噪比會降到非常低的程度，結(jié)果造成非常差的網(wǎng)絡(luò)性能。為了解決這個問題， 3GPP在LTE技術(shù)研究過程中分析了各種小區(qū)之間的干擾消除技術(shù)。目前有3種干擾消除技術(shù)曾被廣泛地討論過。(1)小區(qū)間干擾隨機(jī)化算法 隨機(jī)化算法的目的是對干擾信號進(jìn)行隨機(jī)化處理。(2)小區(qū)間干擾消除算法 小區(qū)間干擾消除算法是通過限制UE超過門限的干擾電平的方法實現(xiàn)的。(3)小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(ICIC)算法 小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)算法通過協(xié)調(diào)約束各個小區(qū)的下行資源（包括時頻資源及功率等）的管理來消除干擾。頻域上的干擾來自不同的小區(qū)之間，由于