多天线传输技术解析

### 多天线传输技术解析 在现代通信系统中，多天线传输技术对于提升通信性能起着至关重要的作用。本文将深入探讨多天线传输中的预编码技术以及多用户多输入多输出（MU - MIMO）技术。 #### 码本基预编码 码本基预编码主要适用于两个或四个天线端口的情况。对于大小为$N_A$的向量$y_i$，它由每个天线端口的一个符号组成，可表示为$y_i = W \cdot x_i$，其中大小为$N_L$的向量$x_i$由每层的一个符号组成。由于层数可以动态变化，预编码矩阵的列数也会随之动态改变。当为单层传输时，预编码矩阵$W$是一个大小为$N_A \times 1$的向量，用于为单个调制符号提供波束赋形。 码本基预编码有两种操作模式：闭环操作和开环操作。这两种模式在预编码矩阵的具体结构以及网络选择矩阵并告知设备的方式上有所不同。 ##### 闭环预编码 闭环预编码假设网络根据设备的反馈来选择预编码矩阵，它与传输模式 4 相关联。设备基于对小区特定参考信号（CRS）的测量，选择合适的传输秩和相应的预编码矩阵，并以秩指示符（RI）和预编码矩阵指示符（PMI）的形式将信息报告给网络。需要注意的是，RI 和 PMI 只是建议，网络在选择实际用于向设备传输的传输秩和预编码矩阵时，不一定要遵循设备提供的 RI/PMI。若不遵循设备建议，网络必须明确告知设备下行传输使用的预编码矩阵；若使用设备推荐的矩阵，则只需发送确认信号。 为了限制上下行的信令，针对给定天线端口的每个传输秩，定义了一组有限的预编码矩阵，即码本。设备和网络在选择预编码矩阵时，都应从相应的码本中选取。因此，在设备报告 PMI 以及网络告知设备下行传输使用的实际预编码矩阵时，只需发送所选矩阵的索引。 LTE 支持两个和四个天线端口的码本基预编码，码本定义如下： - 两个天线端口和一层、二层传输，分别对应大小为$2 \times 1$和$2 \times 2$的预编码矩阵。 - 四个天线端口和一层、二层、三层、四层传输，分别对应大小为$4 \times 1$、$4 \times 2$、$4 \times 3$和$4 \times 4$的预编码矩阵。 以下是两个天线端口的预编码矩阵示例： | 层数 | 预编码矩阵 | | ---- | ---- | | 一层 | $\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{bmatrix}+1\\+1\end{bmatrix}$，$\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{bmatrix}+1\\-1\end{bmatrix}$，$\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{bmatrix}+1\\+j\end{bmatrix}$，$\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{bmatrix}+1\\-j\end{bmatrix}$ | | 二层 | $\frac{1}{\sqrt{2}}\begin{bmatrix}+1&0\\0&+1\end{bmatrix}$，$\frac{1}{2}\begin{bmatrix}+1&+1\\+1&-1\end{bmatrix}$，$\frac{1}{2}\begin{bmatrix}+1&+1\\+j&-j\end{bmatrix}$ | 需要指出的是，上述表格中第一个$2 \times 2$矩阵仅用于开环预编码。 即使网络遵循设备提供的预编码矩阵建议，也可能因各种原因决定使用较低的秩进行传输，即秩覆盖。此时，网络将使用推荐预编码矩阵的列子集，并在预编码确认中明确告知使用的列集或传输的层集。 此外，还有一种严格限于单层（秩 1）传输的闭环预编码，与传输模式 6 相关联。定义这种额外的传输模式是为了减少上下行的信令开销，例如可以为信干噪比（SINR）较低、不适合多层传输的设备配置该模式，以获取波束赋形增益。 ##### 开环预编码 开环预编码不依赖设备报告的详细预编码建议，也不需要网络明确信令指示下行传输使用的实际预编码器。预编码矩阵以一种预先定义且确定的方式选择，设备预先知晓该方式。开环预编码适用于高移动性场景，因为在这种场景下，由于 PMI 报告的延迟，难以实现准确的反馈。它与传输模式 3 相关联。 开环预编码的基本传输结构与码本基预编码类似，只是预编码矩阵$W$的结构不同。在开环预编码中，预编码矩阵可以描述为两个矩阵$W_0$和$P$的乘积，即$W = W_0 \cdot P$，其中$W_0$和$P$的大小分别为$N_A \times N_L$和$N_L \times N_L$。 当为两个天线端口时，矩阵$W_0$是归一化的$2 \times 2$单位矩阵： $W_0 = \frac{1}{\sqrt{2}}\begin{bmatrix}+1&0\\0&+1\end{bmatrix}$ 当为四个天线端口时，$W_0$通过循环使用四个定义的$4 \times N_L$预编码矩阵得到，并且对于连续的资源元素是不同的。 矩阵$P$可以表示为$P =