LTE多天线技术

yan160523

个人也是学习中，算不上高手，说下我的理解：
1、最早的多天线技术出现在接收端多天线接收，由于在接收端有多天线，可以形成多条接收通道,从而可以对抗无线信道的深度衰落，显然嘛：多条接收通道同时处于深度衰落的可能性肯定是小于单条接收通道处于深度衰落的可能性，这样就能改善传输质量，提高无线传输的可靠性。这种技术又叫“收分集”技术，可以应用在基站或手机侧，而且显然由于不涉及到互操作，所以也不用标准化。从而最先在无线系统中使用。因为不用标准化，所以在LTE中大家就没有看到这方面的内容。

2、“收分集”技术的应用又给了人们启发：如果手机接收端部署多天线，显然对手机的成本和复杂度是有提高的。能否把多天线部署在发射端来提高接收端的信道可靠性呢？这样一来：手机只用单个天线，复杂度和成本都在基站一侧，由系统侧承担，岂不乐哉?然而问题随之而来：如果发射端单纯的用多天线发射相同的数据流，它们实际上是相互干扰的，不但起不了分集的作用，而且可能会相互抵消！ 要多天线发射起到提供增益，而不相互打架，就需要特别的信号处理技术。
(以下都两天线发射为例，H表示复数的共轭,exp()表示一个复数，）
牛人1:Alamouti
天线1发射{x1, x2, .......}
天线2发射{-H(x2),H(x1),.......}
这种发射编码方案相当于在形成2个正交的信道(为啥？)，从而可以提高传输可靠性
这种发射编码方案被用在LTE中就是Mode 2“发射分集”方案
牛人2:无名
天线1发射{x1, x2, .......}
天线2发射{x1*exp(b1),x2*exp(b2),.......}
这种发射编码方案天线1正常发射，天线2把数据加上一个大的相位偏移后再发射
相当于在信道中人为造成多径效应(为啥？)，从而可以提高传输可靠性
这种发射编码方案被用在LTE中就是CDD“分集”方案，LTE中CDD不单独使用，只和空间复用技术结合在一起使用。
牛人3:无名
天线1发射{x1, x2, .......}
天线2发射{x1*exp(B1),x2*exp(B2),.......}
这种发射编码方案天线1正常发射，天线2把数据加上一个相位偏移后再发射。不同于牛人2中的"相位偏移"是事先规定好的，这里的相移是根据某个具体UE的信道实时计算出来的。它不同于CDD方案：发射在空间中是各向同性的，对所有UE是平等的；这个方案的发射是为了对准某个具体UE，从而使特定UE的接收增强，其它UE接收很弱。
这种发射编码方案被用在LTE中就是Mode 7“Beamforming波束成形”方案

3．搞完了上面的“收分集”和“发分集”技术后，人们又开始妄想。。。。
是否能把发射端多天线和接收端多天线结合起来，不仅用来提高传输可靠性，还能并行传输多个数据流啊？
原理如下：两天线发射+两天线接收时，不时有4个信道吗，记为h11,h12,h21,h22
学过解线性方程组吧：
h11*x1+h12*x2 = y1
h21*x1+h22*x2 = y2
当向量[h11,h12]和向量[h21,h22]线性无关时，以上的方程可以解出来。
也就是说：当信道线性无关时，并行传输2个数据流是可以的。这就叫空间复用

又为了降信号间的干扰，提高接收的可靠性，在发射端先乘上一个复矩阵后再发射
这个复矩阵通常是个正交复矩阵或CDD矩阵

这种发射端先乘上一个复矩阵的操作在LTE中叫Precodeing，之所以叫Pre是因为复矩阵是协议规定好的
如果复矩阵由发射端随机选择的，就叫"Open loop"开环空间复用，对应LTE的Mode 3
如果复矩阵由接收端根据信道估计选出来的，然后反馈给发射端，就叫"close loop"闭环空间复用，对应LTE的Mode 4

如果并行传输的多个数据流是用于多个UE的，则叫"MU mimo"多用户空间复用，对应Lte 的Mode 5

闭环方式下还有个只能传输一个流的特例，这就叫“close loop RANK=1"的闭环发分集，对应Lte 的Mode 6

1.      codeword: 相当于TranportBlock,即物理层需要传输的原始数据块. LTE可支撑在同一块资源同时传输2个相对独立的codeword，这是通过空间复用（SM）技术实现的。

2.      layer：数据被分为不同layer进行传输，layer总数<=天线个数。和信道矩阵的rank是对应的。相当于空分的维度。

3.      rank：相当于总的layer数。

4.      atenna port：其实并不等同于天线个数，而是相当于不同的信道估计参考信号pattern。对端口0~3，确实对应多天线时，RS的发送pattern；对于端口4，对应于PMCH，MBSFN情况的RS；对于端口5，对应于UE Special RS。

然后先容LTE的7个传输模式，其中后6种传输模式分别应用了四种MIMO技术方案：传输分集（TD），波束赋型（Beamforming），空间复用（SM），多用户MIMO（MU-MIMO）：

1.      为普通单天线传输模式。

2.      TransmitDiversity 模式：分2发送天线的SFBC，和4发送天线的SFBC+FSTD两种方案。
SFBC是由STBC（Space Time Block Code）演变而来，由于OFDM一个slot的符号数为奇数，因此不适于使用STBC，但频域资源是以RB=12个子载波来分配的，因此可以用连续两个子载波来代替连续两个时域符号，从而组成SFBC。而当使用4发送天线时，SFBC+FSTD（FrequencySwitched Transmit Diversity）被采用。

3.      SM-open loop，UE仅仅反馈信道的RI（Rank Indicator）。此时基站会使用CDD（Cycle Delay Diversity）技术。

4.      SM-close loop，UE根据信道估计的结果反馈合适的PMI（Precoding Matrix Indicator）。(如利用系统容量最大计算合适的PMI)

5.      MU-MIMO，该方案将相同的时频资源通过空分，分配给不同的用户。

6.      close loop rank1——SM or BF，UE反馈信道信息使得基站选择合适的Precoding。

7.      UE Special RS——BF，和BeamForming的前一种方式不同，这种方式无需UE反馈信道信息，而是基站通过上行信号进行方向估计，并在下行信号中插入UE Special RS。基站可以让UE汇报UE Special RS估计出的CQI。

上行反馈如果是频率选择性信道，则反馈多个subband的CQI，否则仅反馈wideband的CQI。根据不同情况选择通过PUSCH或PUCCH反馈。

1）对于来自上层的数据，进行信道编码，形成码字；

2）对不同的码字进行调制，产生调制符号；

3）对于不同码字的调制信号组合一起进行层映射；

4）对于层映射之后的数据进行预编码，映射到天线端口上发送。

码字、层和天线端口的区分。

1、码字：

码字是指来自上层的业务流进行信道编码之后的数据。不同的码字q区分不同的数据流，其目的是通过MIMO发送多路数据，实现空间复用。

由于LTE系统接收端最多支撑2天线，所以发送的数据流数量最多为2。这决定了不管发送端天线数为1、2或者4，码字q的数量最多只为2。

当发送端天线只有一根时，实际能够支撑的码流数量也只能为1，所以码字数量最多也只能为1。

如果接收端有两根接收天线，但是两根天线高度相关。如果发送端仍然发送两组数据流（两个码字），则接收端无法解码。因此，在收端信道高度相关的情况下，码字数量也只能为1。

综上，码字q的数量决定于信道矩阵的秩。

2、层

由于码字数量和发送天线数量不一致，需要将码字流映射到不同的发送天线上，因此需要使用层与预编码。 层映射与预编码实际上是“映射码字到发送天线”过程的两个的子过程。

层映射首先按照一定的规则将码字流重新映射到多个层（新的数据流），参见P68表3-23、3-24。（注：层的数量小于物理信道传输所使用的天线端口数量P）。

预编码再将数据映射到不同的天线端口上。在各个天线端口上进行资源映射，生成OFDM符号并发射，参见P67页图3-11

3、天线端口

天线端口指用于传输的逻辑端口，与物理天线不存在定义上的一一对应关系。天线端口由用于该天线的参考信号来定义。

等于说，使用的参考信号是某一类逻辑端口的名字。

具体的说：p=0，p={0,1}，p={0, 1, 2, 3}指基于cell-specific参考信号的端口；

p=4指基于MBSFN参考信号的端口；

p=5为基于UE-specific参考信号的端口。

从层到物理天线端口传输是通过预编码来完成的，参见P69的两个公式。

由公式可见，无论层数是多少，只要其小于用于物理传输的端口数，即可通过预编码矩阵W(i)将其映射到物理的传输天线上。

对于p=4、5的情况，再P69第4行有先容。

P={0,4,5}

都指单天线端口预编码，即使用的发送天线为1。由于层数量必须小于天线端口的数量，所以此时层数为1，适用表3-23

第一种情况，层映射前后的码字是相同的。

曾有人指出，p=4、5时，发送端可以使用发送分集。理论上这是可行的，但是在LTE的规范中，p=4、5仅适用于单天线端口的预编码。由

P69的预编码中的1 、2 、3 小点分别先容单端口、空间复用、传输分集的三种预编码方式。P=4、5不属于传输分集。

4、总结

码字用于区分空间复用的流；层用于重排码字数据；天线端口决定预编码天线映射。

Codeword是经过信道编码和速率匹配以后的数据码流。在MIMO系统中，可以同时发送多个码流，所以可以有1，2甚至更多的Codeword。在LTE系统中，一个TTI最多只能同时接受2个TB流，所以一般最多2个Codeword；
layer和信道矩阵的“Rank“是一一对应的，信道矩阵的RI是由收发天线数量的最小值确定的[信道的Rank未必就是收、发天线数的较小值，信道矩阵很可能行不满秩、列也不满秩。不过这种情况一般不会发生，因为使用预编码（或者说空分复用）的条件之一就是要求空间信道无关（也就是满秩），要是两发两收的矩阵却rank=1，这就是典型的空间相关信道，这样预编码技术就无用武之地了]。Codeword的数量和layer的数量可能不相等，所以需要层映射。

codeword：就是可以进行独立编码、调制的一串码字，一般一个codeword对应传输层的一个TB。LTE规定只支撑两个codeword同时传输。
layer：层的数目等于信道的秩，层映射就是为了使codeword数目和信道的秩进行匹配。即因为对于两个codeword时，信道的秩可能是3或4，而每个天线上发送的数据数是相等的，因此中间有个层映射，达到这种匹配，具体映射协议中有规定
antenna port：0~3号实际对应得是现实中的物理天线；port4应用于SFN中；port5用于beamforming。具体区分这几个端口的依据是天线上发射的的RS信号类型。

codeword到天线端口经过层映射、天线映射、资源映射。天线映射就相当于precoding吧

port0~3就是指实际的天线，他们根据实际情况用于空分复用，根据LTE协议可能有3种情况：只用1根天线、2根、4根；不同天线使用不同的RS pattern；
port 4应用于SFN情况，这是可以是1根天线发射，也可以使多根天线发射，多根天线时就是分集作用。而且每个发射天线的RSpattern是一样的
port5应用于beamforming，指向同一个用户的多根天线使用相同的RS pattern
因此根据不同的RS pattern和应用场景区别出这些端口

antenna port并不对应实际的天线，天线端口的概念只是从终端看来，基站有几个天线，但实际中基站的天线数可以多于这个值

在LTE里，layer等于信道矩阵的秩，也就是说能够独立并行传输的数据流数，但每个UE最多有两个码字（codeword），而layer可以最多有antenna port个，这就涉及到如何将codeword映射到layer上去的问题，即layer mapping；LTE已经规定好了映射规则，另一方面，layer数又有可能小于天线端口数，则需要进行precoding

codeword is the code after coding. In LTEsystem, it should be 1/3 (code rate) Turbo coding and it can be adjusted byrate matching.

suppose

1.original data: [1 0] named data word
2.after Turbo coding: [ 1 1 0 1 0 1] named code word
3.and then symbol mapping : QPSK or QAM named symbols

and for layer mapping. It depends on input bit stream number which is made upby symbols

传输块（transport block），码字（codeword），层映射（layermapping），传输层（transmission layer）, 阶（rank）,和预编码（Precoding），天线端口（antennaport）是LTE物理层的几个基本概念，搞清楚这几个概念的定义和相互关系才能透彻理解LTE多天线技术和调度算法。
传输块（Transport block）
一个传输块就是包含MACPDU的一个数据块，这个数据块会在一个TTI上传输，也是HARQ重传的单位。LTE规定：对于每个终端一个TTI最多可以发送两个传输块。

码字（codeword）
一个码字就是在一个TTI上发送的包含了CRC位并经过了编码（Encoding）和速率匹配（Ratematching）之后的独立传输块（transport block）。LTE规定：对于每个终端一个TTI最多可以发送两个码字。

层映射（Layer mapping）
将对一个或两个码字分别进行扰码（Scrambling）和调制（Modulation）之后得到的复数符号根据层映射矩阵映射到一个或多个传输层。层映射矩阵的维数为C×R，C为码字的个数，R为阶，也就是使用的传输层的个数。

传输层（Transmissionlayer）和阶（Rank）
一个传输层对应于一个无线发射模式。使用的传输层的个数就叫阶（Rank）。

预编码（Precoding）
根据预编码矩阵将传输层映射到天线端口。预编码矩阵的维数为R×P，R为阶，也就是使用的传输层的个数；P为天线端口的个数。

天线端口（Antenna Port）
一个天线端口（antennaport）可以是一个物理发射天线，也可以是多个物理发射天线的合并。在这两种情况下，终端（UE）的接收机（Receiver）都不会去分解来自一个天线端口的信号，因为从终端的角度来看，不管信道是由单个物理发射天线形成的，还是由多个物理发射天线合并而成的，这个天线端口对应的参考信号（ReferenceSignal）就定义了这个天线端口，终端都可以根据这个参考信号得到这个天线端口的信道估计。
LTE定义了最多4个小区级天线端口，因此UE能得到四个独立的信道估计，每个天线端口分别对应特定的参考信号模式。为了尽量减小小区内不同的天线端口之间的相互干扰，如果一个资源元素（Resourceelement）用来传输一个天线端口的参考信号，那么其它天线端口上相应的资源元素空闲不用。
LTE还定义了终端专用参考信号，对应的是独立的第5个天线端口。终端专用参考信号只在分配给传输模式7（transmissionmode）的终端的资源块（ResourceBlock）上传输，在这些资源块上，小区级参考信号也在传输，这种传输模式下，终端根据终端专用参考信号进行信道估计和数据解调。终端专用参考信号一般用于波束赋形（beamforming），此时，基站（eNodeB）一般使用一个物理天线阵列来产生定向到一个终端的波束，这个波束代表一个不同的信道，因此需要根据终端专用参考信号进行信道估计和数据解调。
总之，一个天线端口就是一个信道，终端需要根据这个天线端口对应的参考信号进行信道估计和数据解调。

码字个数、阶和天线端口数之间的关系
传输块个数 = 码字个数（C ）<=阶（R）<=天线端口数（P）