1.MIMO技术原理

MIMO技术是利用空间信道的多径衰落特性，在发送端和接收端采用多个天线，通过空时处理技术获得分集增益或复用增益，以提高无线系统传输的可靠度和频谱利用率，在LTE的标准定义过程中充分挖掘了MIMO的潜在优势。

（1）空间分集与空间复用

分集增益与复用增益是MIMO技术获得广泛应用的两个原因。前者通过发送和接收多天线分集合并使得等效信道更加平稳，实现无线衰落信道下的可靠接收；后者利用多天线上空间信道的弱相关性，通过在多个空间信道上并行传输不同的数据流，获得系统频谱利用率的提升。其中，空间分集包括发送分集和接收分集两种。

发送分集依据分集的维度分为STTD（Space Time Transmission Divisity，空时发送分集）、SFTD（Space Frequency Transmission Divisity，空频发送分集）和CDD（Cyclic Delay Divisity，循环延迟分集）。STTD中通过对发送信号在空域和时域联合编码达到空时分集的效果，常用的STTD方法包括STTC（Space Time Trellis Code，空时格码）和STBC（Space Time Block Code，空时块码）。SFTD中将STTD的时域转换为频域，对发送信号在空域和频域联合编码达到空频分集的效果，常用的方法为SFBC（Space Frequency Block Code，空频块码）等。CDD中通过引入天线间的发送延时获得多径上的分集效果，LTE中大延时CDD是一种空间分集与空间复用相结合的方法。

接收分集是通过接收端多天线接收信号上的不同获得合并分集的效果。

（2）开环MIMO与闭环MIMO

根据发送端在数据发送时是否根据信道信息进行预处理，MIMO可以分为开环MIMO和闭环MIMO。

根据发送端信道信息的获取方式不同及预编码矩阵生成上的差异常用的闭环MIMO可分为基于码本的预编码和非码本的预编码。

基于码本的方法中，接收端根据既定码本对信道信息进行量化反馈，发送端根据接收端的反馈计算预编码矩阵，预编码矩阵需要从既定的码本中进行选取，比如，3GPP Release 8中基于CRS（Cell-specific Reference Signal，小区特定参考信号）进行数据接收的情况。基于非码本的方法中，如TDD（Time Division Duplexing，时分双工）系统，发送端通过信道互易性或信道长时特性上的上、下行对称性获取信道信息。当UE可以支持基于DMRS（De-Modulation Reference Signal，解调参考信号）的数据解调时，比如基于3GPP Release 10，发送预编码矩阵即可去除基于码本的限制。

（3）SU-MIMO与MU-MIMO

根据同一时频资源上复用的UE数目，MIMO包括SU-MIMO（Single-User MIMO，单用户MIMO）和MU-MIMO（Multi-User MIMO，多用户MIMO）。其中，SU-MIMO指在同一时频资源上单个用户独占所有空间资源；MU-MIMO，亦称为SDMA（Space Division Multiple Ac-cess，空间多址接入），指在同一时频资源上由多个用户共享空间资源。

2.LTE下行MIMO定义

LTE系统中关于下行MIMO的标准定义包含以下几个方面。

（1）TM（Transmission Mode，传输模式）与信令

LTE的下行传输模式主要包括以下几种^[3]：

·TM1：单天线端口传输，应用于单天线传输的场合，采用端口0传输。

·TM2：发送分集模式，适于高速移动和小区边缘UE。

·TM3：开环空间复用，采用大延迟分集，适于信噪比条件较好和高速移动UE。

·TM4：闭环空间复用，适于信噪比条件较好和低速移动UE。

·TM5：MU-MIMO传输模式，支持2 UE的复用。

·TM6：闭环Rank 1传输，适于低速移动和小区边缘UE。

·TM7：单流Beamforming模式，基于端口5，适于小区边缘UE。

·TM8：双流Beamforming模式，基于端口7和8。

·TM9：Release 10中引入的MIMO增强模式。

·TM10：Release 11中引入的CoMP模式。

相比于LTE Release 8，LTE Release 10中引入了TM 9，对MIMO传输进行了较大的增强，包括支持动态的SU和MU-MIMO切换，最大8层的SU-MIMO传输及最大4层的MU-MIMO传输等。

表4-1 TM4和TM9的主要特性比较

相应地，LTE Release 10 TM9中对MIMO传输相关的DCI（Downlink Control Information，下行控制信息）进行了重新设计，引入了DCI 2C格式。

（2）RS（Reference Signal，参考信号）

RS是由发送端提供给接收端用于信道估计的一种信号，LTE中的RS主要有两个目的：一是进行信道质量的测量从而进行信道信息的反馈；二是进行信道估计从而进行数据的解调。目前，LTE中与下行MIMO相关的RS有以下三类：

1）CRS

CRS从Release 8时便被引入，它发给小区中所有的UE，既可用于信道信息的反馈，也可用于数据的解调。为了实现良好的信道估计性能，LTE中CRS采取在时频二维点阵上进行摆放的设计。LTE系统中支持1、2、4个天线端口的CRS配置，天线端口2、3对应的CRS密度为端口0、1的一半，如图4-1所示。

图4-1 四个天线端口的CRS资源映射^[3]

为了降低发送波形的峰值平均功率，LTE的CRS中固定采用QPSK调制，CRS发送信号可以表示为^[3]：

其中，m，n_s和l分别是RS序号，广播帧的时隙序号及时隙内的符号序号；c（i）是长度为31的Gold序列。小区的CRS序列还与小区ID相关，相邻小区间的CRS位置在频域有不同的偏移，以避免CRS间的冲突。

2）CSI-RS（Channel State Information RS，信道状态信息参考信号）

随着支持流数的进一步增多，沿用Release 8的设计思路在LTE Release 10中针对CRS进一步扩展变得非常困难。为了实现性能和开销上的良好折中，引入了信道信息反馈RS和信道估计RS分离的设计思想。LTE Release 10中支持1、2、4、8个天线端口的CSI-RS配置，不同的天线端口之间采用码分的方式进行复用，如图4-2所示。

图4-2 CSI-RS资源映射

CSI-RS信号作为一种公用的导频信号，由于需在全频段发送，其开销的增加较敏感。所以为了避免开销过大，其在频域采用了较稀疏的方式（12个子载波的密度），在时域上采用了可配置的方式，一方面可以调节发送的时间间隔，另一方面可以尽量避免邻小区的CSI-RS的重叠。CSI-RS的配置可以是逐UE进行的，eNB利用RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）信令对UE的CSI-RS图样进行配置，包括周期和子帧偏置等。(www.daowen.com)

3）DMRS

DMRS仅发给专门的UE，嵌入在UE数据相应的PRB（Physical Resource Block，物理资源块）中，用于数据的解调接收。LTE中引入了DMRS，DMRS的序列由多个M序列产生，其初始值为^[3]：

其中，n_s为时隙号；N^cell_ID为小区ID；n_SCID为扰码初始值。LTE Release 10中为了支持TM9，对同一PRB内不同的DMRS采用如图4-3所示的复用方式。其中不同层之间的DMRS采用了CDM（Code-Division Multiplexing，码分复用）/FDM（Frequency-Division Multiplexing，频分复用）的复用方式，针对MU-MIMO及秩不超过2的SU-MIMO采用长度为2的OCC（Orthogonal Cover Code，正交码）及密度为12 RE（Resource Elements，资源单元）/PRB的映射，SU-MIMO秩为3、4时采用长度为2的OCC及密度为24的RE/PRB的映射，SU-MIMO rank大于4时采用长度为4的OCC及密度为24 RE/PRB的映射。

图4-3 DMRS资源映射

（3）反馈与码本

1）反馈设计

除了CQI（Channel Quality Indicator，信道质量指示）之外，LTE中与MIMO相关的反馈包括RI（Rank Indicator，秩指示）和PMI（Precoding Matrix Indicator，预编码矩阵指示）。RI表示空间复用流的数目，PMI从反馈粒度上可分为宽带PMI和子带PMI两种。宽带PMI适于反馈开销受限的场景，UE基于在整个带宽上传输的假设进行PMI选择。宽带PMI一般采用PUCCH（Physical Uplink Control Channel，物理上行控制信道）进行周期性反馈，也可应用于PUSCH（Physical Uplink Share Channel，物理上行共享信道）存在的情况。另一种更精确的反馈方法是子带PMI反馈，其中UE反馈多个PMI，每个子带对应一个PMI。子带PMI反馈一般由PUSCH承载进行非周期反馈。

LTE中针对不同的CQI反馈粒度和PMI反馈粒度组合定义了多个反馈模式，如表4-2所示。其中模式3-2在LTE Release 12中定义，其余在LTE Release 8中定义。此外，由于LTE Release 10中引入了双码本的反馈方法，即既需要反馈长周期PMI也需要短周期PMI，因此在反馈模式上也进行了增强。比如，模式2-1中引入PTI（Precoding Type Indicator，预编码类型指示），当PTI=0时，两PMI都采用宽带反馈，当PTI=1时仅对短周期PMI采用子带反馈。

表4-2 LTE支持的反馈模式

2）码本设计

码本的设计是LTE中MIMO性能发挥的重要因素，除了性能之外，码本的设计中还需要考虑相应的计算复杂度和信令开销。LTE对码本设计提出了以下要求：

·恒模特性：指预编码后各端口的平均功率恒定，从而使得输出到每个天线功率放大器的功率相同。

·嵌套特性：指低阶码本由高阶码本的列向量组成，嵌套特性有助于降低PMI/CQI的计算复杂度。

为了进一步降低预编码相关的计算复杂，LTE Release 8中码本各元素均来自于QPSK（Quadrature Phase Shift Key，正交相移键控）星座。此外，码本的设计中还需要考虑码本向量之间的正交性、反馈开销等。

LTERelease 8中，2天线秩为2的码本由单位阵和两个DFT（Discrete Fourier Transforma-tion，离散傅里叶变换）矩阵组成，4天线时采用了基于Householder变换的码本，其中每个预编码矩阵由W_n的若干列向量构成，其中n是码字索引，u_n是基列向量。具体如表4-3所示^[4]：

表4-3 4天线码本生成矩阵

（续）

LTE Release 10中，针对8天线的传输采用了双码本的设计：

W=W₁.W₂ （4-4）其中，W₁为块对角矩阵，反映长时及高相关性信道特征，·表示Kronecker乘积，W₂反馈短时及交叉极化信道特征。双码本的基本思想如图4-4所示。此外，LTE Release 12中将双码本的设计从4天线扩展到8天线。

3.LTE上行MIMO定义

（1）TM

LTE上行MIMO包括上行MU-MIMO和SU-MI-MO。前者要求eNB具有多个接收天线，对UE发送天线数没有要求，在LTE Release 8中即可以支持。为了进一步提升UE的上行峰值速率，LTE Release 10中引入了上行SU-MIMO。

图4-4 双码本思想示意

LTE的上行传输模式主要包括以下两种：

·TM1，单天线端口传输。

·TM2，多天线端口传输，包括2和4天线端口传输。

（2）发送分集

当UE支持多天线传输时，可以在上行采用发送分集提高传输的鲁棒性。为了提升PUCCH的性能，LTE Release 10针对PUCCH引入了SORTD（Space Orthogonal Resource Transmission Diversity，空间正交资源发送分集），该机制同时向后兼容Release 8的PUCCH设计。

目前LTE Release 10中支持2天线的SORTD，其基本思想是将UCI（Uplink Control Sig-naling，上行控制信令）分成两路，使用不同的正交资源进行映射和传输，利用的正交资源包括循环移位和正交扩展码等，具体结构如图4-5所示。对于4天线的情况，可以通过天线虚拟化的操作实现SORTD，即通过一个透明的机制将2天线端口的信号映射到4天线上进行发送。

图4-5 SORTD结构示意

（3）反馈与码本

LTE中目前支持最大4流的PUSCH传输。上行闭环MIMO传输的预编码和码本设计思路与下行相似，主要的差别在于上行的码本设计需要着重考虑每个发送天线上信号的单载波特性，获得尽可能低的CM（Cubic Metric，立方度量）。

2天线时，上行MIMO码本设计与下行码本相似。区别在于秩为1时上行增加了两个天线选择的向量，而秩为2时为了避免不同层的信号叠加带来的CM增加问题，上行仅保留了单位阵矩阵。4天线下，上行无法像下行对不同秩下的码本进行统一设计，需要针对不同秩进行分别优化，在秩为1～4上，上行码本分别包含24、16、12和1个预编码向量或矩阵。

在未来大规模天线的标准化定义中，应充分考虑既有LTE MIMO的设计思路和经验。