LTE中的多天線系統-2

2008年9月28日星期日 LTE中的多天线系统LTE中的多天线系统 付建军 无线宽带解决部 摩托罗拉公司 2008年10月 2008年9月28日星期日 LTE的性能目标 î总体性能目标 – 灵活的频谱使用，增强的吞吐能力 Æ吞吐能力 : – 在20MHz的带宽下，下行峰值速率达到 100Mbit/s (频谱效率约5bit/s/Hz) – 在20MHz的带宽下，上行峰值速率达到 50Mbit/s (频谱效率约2.5bit/s/Hz) Æ时延性能 : – 控制平面 减少状态转换时延 (100ms) Significant reductions in transition times from idle or dormant states to active state (50-100ms) – 用户平面 无线接入网络数据传输时延小于 5 毫秒 Radio access network latency below less than 5 ms in unloaded condition (ie single user with single data stream) for small IP packet Br oa db an d E xp eri en ce Br oa db an d E xp eri en ce An yw he re An yw he re 2008年9月28日星期日 LTE 关键技术 OFDM 多天线技术 扁平化 IP架构 2008年9月28日星期日 LTE吞吐能力估算 ※简单估算 （20MHz带宽LTE系统）. Æ Resource Block (RB) –频域：12个15KHz宽度的子载波 时域： 1个子帧 （1ms） Æ 假设采用64QAM调制，编码比例（Coding Rate）1，则1个符号可传输6个 比特 Æ 20MHz传输带宽下共100 RB （无线资源块） Æ 采用短CP (Normal CP)，每个子帧共14个符号，假设其中2个符号用于控 制信息 Æ 理论峰值吞吐能力估算: SISO: 12 x (14-2) x 6 x 100 x 1000 = 86.4 Mbps MIMO (2x2, 4x2) doubles the rate > 150 Mbps MIMO (4x4) quadruples the rate > 300 Mbps • High class UEs category 5 (With 4 RX antenna) may exceed 300 Mbps 2008年9月28日星期日 LTE中的多天线技术 Æ多天线技术是实现LTE系统100Mbps传输能力的重要手段 Æ通用的多天线技术有如下几类： –发射分集 Transmit Diversity (用于控制和数据信道) –空间复用 Spatial Multiplexing (用于数据信道) –波束赋形 Beam Forming (用于数据信道) Æ UE侧使用两个接收天线 2008年9月28日星期日 MAS –发射分集技术 (1) 2 Antennas SFBC (采用Alamouti算法的空频块编码) A stream to 2 / 4 Antennas 目的：在下行链路方向，利用多天线来增加发射数据的分集 度，从而克服信道衰落，增强数据传输的可靠性 特点：开环技术，多采用非相关天线（Uncorrelated Antennas） 2008年9月28日星期日 MAS –发射分集技术 (2) Æ 发射分集多用于公共/共享控制信道和共享数据信道，来增强数据传输的可靠性 Ø 采用2个发射天线时，多采用SFBC (Space Frequency Block Coding) Ø 采用4个发射天线时，多采用SFBC+FSTD (Combination of SFBC and Frequency Switched Transmit Diversity) ü Alamouti’s rate-1 block coding is applied in SFBC ü Transmit antenna switching sub-carrier by sub-carrier in FSTD Æ 适用于同步信道的发射分集技术Tx Diversity for Synchronization Channel ( SCH ) Ø 预编码向量交换PVS – Precoding Vector Switching ü Switching of set of fixed precoding vectors in time domain ü PVS does not require a priori knowledge of number of transmitter antennas 2008年9月28日星期日 MAS – SFBC and SFBC+FSTD SFBC (2 TX Antennas) SFBC + FSTD (4 TX Antennas) 两天线发射分集 四天线发射分集 2008年9月28日星期日 MAS –开环空间复用 Æ开环空间复用模式下的Large-delay CDD – Node-B cyclically assigns different precoders, taken from a fixed codebook subset, to different data sub-carriers in the scheduled subband. A different precoder is used every v data RE subcarriers, where v is the transmission rank. – Large-delay CDD scheme is used only for rank>1 For Rank-1, transmit diversity (SFBC for 2Tx and SFBC-FSTD for 4Tx) is used; – Dynamic rank adaptation between rank-1 transmit diversity and the above open-loop large delay CDD is supported Æ不需要PMI反馈，两个码字相关的CQI没有空间差异 – Designed for high speed and good C/I UEs. – Less feedback overhead. Matrix D(i) supporting cyclic delay diversity 2008年9月28日星期日 MAS –闭环空间复用 ※在数据发射之前，eNB先进行数据预编码 ※系统从预先定义的“码本”中选择最适合的预编码矩阵进行预编码 （predefined “codebook” known at Node B and UE side） ※ UE在评估信道质量的基础上，选择该时刻最好的预编码矩阵，并矩 阵索引发送给eNB 2008年9月28日星期日 MAS –下行小区参考信号结构 2008年9月28日星期日 MAS –预编码和码本 Æ预编码目的 : u改善SNR u减少干扰 Æ反馈内容 : u Channel Quality Indication Wideband （宽带） Narrowband （窄带） u Precoding Matrix Indicator (PMI) Æ支持频率选择性调度和频率非选择性调度 Æ DL SU-MIMO的码本数量 u For 2-Tx antennas: 6 and For 4-Tx antennas: 16. Æ码本方案可适用于不同的天线配置 u相关天线和非相关天线阵列 Correlated and un-correlated. u交叉极化和线性天线阵列 Cross-polarization and linear array. 2008年9月28日星期日 MAS – SU-MIMO (DL) î SU (单用户) – MIMO – 改善单用户速率 – 同时传送多个数据流给一个用户 – 有效改善信道条件好的用户的数据传输效果 2008年9月28日星期日 MAS – MU-MIMO (DL) 多用户MIMO （MU-MIMO）: ü多个用户空中频域时域的传输资源 ü可以充分利用多个用户不同的空间传输特性 （multi-user diversity on spatial domain） ü信道质量反馈CQI的开销要小于单用户MIMO （SU-MIMO） ü可以有效改善小区的整体吞吐能力，对单个用 户的吞吐效果没有帮助 ü在3GPP Rel8中还没有完全完成标准化工作 2008年9月28日星期日 MAS –专用参考信号的波束赋形 （Beamforming with dedicated RS） î 闭环波束赋形（使用专用参考信号Closed-loop beamforming with dedicated RS） – 需要每个波束赋形信道的专用参考信号Dedicated RS. – 天线数量增加是可以使用相对更少的参考信号. – 在基站侧需要发射校准（relative Rx to Tx path calibration） – TDD系统，可以充分利用上下行传输链路相同的传输特性 – 需要上行sounding或其它信息来进行下行发射的波束赋形 – 适合于天线数量大于4的情况 î 闭环空间复用 – 每个发射天线使用公共参考信号（Common RS）. – 需要定义对应不同天线数量的码本，终端UE需要计算和 反馈PMI – 通常需要快速的PMI反馈. – 不需要校准. 2008年9月28日星期日 多天线配置与适合技术 Æ 天线数目（Up to 4 antennas versus more than 4 antennas） – Up to 4 antennas, the precoding is defined and the gain is confirmed with both correlated and uncorrelated antennas. – More than 4 antennas, Common RS for more than 4 antennas will make the overhead very high – Agreement on Beamforming with dedicated RS Æ天线间距（Half lambda spacing versus any antenna spacing） – Precoding based approach is feasible for any antenna spacing. – Beamforming with dedicated RS is more applicable to correlated antennas. Æ小结: – Precoding is more flexible in terms of antenna spacing, polarization and TDD/FDD while the beamforming with dedicated RS is more flexible in terms of number of antennas. OL Beamforming gain is significant if number of Tx antennas > 4 2008年9月28日星期日 上行MIMO技术 î 上行单用户MIMO（Uplink SU-MIMO）并没有包括在 3GPP Rel8中 î 上行64QAM包括在UE的能力中 î 上行多用户MIMO（MU-MIMO）被要求透明支持 î 规范中增加了上行闭环天线选择方案： – 可选功能 – 在负荷不高的网络中有一定增益（Gains tend to be in lightly loaded cells where UEs anyway have good data rates） – 在负荷大的网络中多用户调度对性能增益有一定影响（Multiuser scheduling reduces gains in heavily loaded cases where better UE throughput is most needed） 2008年9月28日星期日 LTE 多天线技术总结 2008年9月28日星期日 UE等级和MIMO支持能力 OptionalSimultaneous reception of dedicated MBMS OptionalSupport of 7.5KHz sub- carrier OptionalSupport of MBSFN RS MBMS MandatoryNot supported4x4 MIMO MandatoryOptional2x2 MIMO Performance shall be defined based on performance of 2 Rx diversity2 Rx diversity UE support for single codeword transmission with 1,2 and 4 Tx antenna at the eNB mandatory Multi-antenna QPSK,16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM [64QAM] QPSK, 16QAM [64QAM] QPSK, 16QAM, [64QAM] QPSK, 16QAMUL QPSK, 16QAM, 64QAMDLModulation 20MHz RF bandwidth Capability for physical functionalities 755050255UL 3001501005010 DLPeak rate Mbps Class 5Class 4Class 3Class 2Class 1 2008年9月28日星期日 交叉极化天线阵列和线性天线阵列性能比较 Comparison of Cross-Polarization versus Linear Array î 性能仿真假设: – 4x2 SU-MIMO. – 10 MHz带宽. î 结论Observation: – 相似的小区吞吐能力 – 小间距的线性天线阵列有更好的小区边缘吞吐能力 Sector Throughput 0 5 10 15 20 25 Linear Array 1 lambda Linear Array 10 lambda Cross-pol 1 lambda Cross-pol 10 lambda (M bp s) Cell-edge Throughput 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Linear Array 1 lambda Linear Array 10 lambda Cross-pol 1 lambda Cross-pol 10 lambda (K bp s) 2008年9月28日星期日 不同MIMO性能比较（4天线配置） Comparison of various MIMO schemes with 4 Tx Antennas MU-MIMO 类型: Option 1: SU-MIMO rank 1 CQI + offset with constraint on UE pairing; Option 2: SU-MIMO rank 1 CQI + offset without constraint on UE pairing. î MU-MIMO 并没有带来明显的增益 î MU-MIMO性能仿真假设： – 间距半个波长的4天线发射阵列 4 transmit antennas with half wavelength spacing. – 宽带PMI和Rank反馈 Wideband PMI and rank feedback. – 非理想信道估计 Non-ideal channel estimation. – Explicit control channel and frequency/spatial selective interference modeling. Sector Throughput 2.9% 4.4% 9.8% Rank-1 precoding SU-MIMO- MMSE SU-MIMO- SIC MU-MIMO (option 1) MU-MIMO (option 2) Sp ec tra l E ffi ci en cy Cell Edge Throughput 0.9% 1.1% -1.0% Rank-1 precoding SU-MIMO- MMSE SU-MIMO- SIC MU-MIMO (option 1) MU-MIMO (option 2) Sp ec tra l E ffi ci en cy 2008年9月28日星期日 不同天线数量性能比较 （Comparison of various 4 vs. 8 Ants Beamforming） •结论 Observations • 8天线基于EBF的波束赋型带来约7-8%的小区吞吐能力增加（increase in sector throughput with 8 element EBF compared to 4 element SU-MIMO） •约25%的小区边缘吞吐性能增加（~25% improvement in cell edge throughput compared to 4 element SU-MIMO） î 性能仿真假设Simulation assumptions – 半波长间距多天线阵列 4/8 transmit antennas with half wavelength spacing. – EBF开环波束赋型 EBF used for OL beamforming – 宽带PMI/Rank反馈Wideband PMI and rank feedback. – 非理想信道估计 Non-ideal channel estimation. – DL Control channel not explicitly modeled and frequency/spatial selective interference modeling. Sector Throughput 8.3% -3.7% -11.7% ebf8 ebf4 su4 su2 Sp ec tra l E ffi ci en cy Cell Edge Throughput -36.5% -2.3% 24.8% ebf8 ebf4 su4 su2 Sp ec tra l E ffi ci en cy 2008年9月28日星期日 î UE侧1发基站侧2收（最大比合并MRC），LTE的频谱效率可达到 HSUPA的2到3 倍 （With 2 NB RX antennas and 1 UE TX antenna LTE easily meets or exceeds the 2-3x relative to HSUPA throughput performance targets） î 4收（最大比合并MRC），小区频谱效率是HSUPA的3倍，小区边缘频谱效率是 HSUPA的5倍(With 4 RX Antennas using MRC a sector throughput ~3x and edge user throughput of ~5x over HSUPA is achieved） î 4收（SDMA），小区频谱效率是HSUPA的>3倍，小区边缘频谱效率是HSUPA的 >5倍 (With 4 RX Antennas and SDMA, a sector throughput >3x and edge user throughput of >5x over HSUPA is achieved.) UL Spectral Efficiency 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 HSUPA LTE 1x2 MRC LTE 1x4_MRC LTE 1x4_SDMA Technology SE (b ps /H z/ se ct or ) UL Edge Spectral Efficiency 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 HSUPA LTE 1x2 MRC LTE 1x4_MRC LTE 1x4_SDMA Technology SE (b ps /H z/ se ct or ) 上行性能比较(Full Buffer) 2008年9月28日星期日 “... Verizon and Vodafone have a coordinated trial plan for LTE that begins in 2008. Trial suppliers include Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia- Siemens, and Nortel. These suppliers, along with others in the world community, have contributed significantly towards development of the standards in 3GPP. ... Motorola致力于LTE的发展 LTE Live Demo @ MWC