對比4G和5G的MIMO多天線傳輸的基本過程（加擾、層映射、預編碼）

4G LTE物理層的信息處理過程

• TB塊到了物理層，首先要進行信道編碼。信道編碼的目的是增加無線通信可靠性，但它增加了冗餘比特，使有用信息數據傳輸比例減少，增加了系統開銷。信道編碼是在源比特數據流中按照一定規則加入一些冗餘比特，接收端可以用來判斷或糾錯。

• 接下來的過程是交織。交織的過程是打亂原來的比特流順序。這樣做之後，連續的深衰落對信息的影響實際是作用在打亂順序的比特數據流上；在恢復原來的順序後，這個影響就不是連續的了，而是離散的，就可以方便地根據冗餘比特恢復受干擾的原始數據。

• 加擾是使用僞隨機擾碼序列與碼字序列相乘得到新的加擾後的信號。擾碼序列是一種PN序列（Pseudo-Noise Sequence，僞噪聲序列）。PN碼可以將數據間的干擾隨機化，可以對抗干擾。同時使用PN序列加擾，類似給數據上了一把鎖，而這個PN序列就是鑰匙。在接收端，有了這把鑰匙才能開始這把鎖。也就是說加擾起到了保密的作用，可以對抗竊聽。

• 數據調製：上下行均支持QPSK、16QAM、64QAM、256QAM，分別對應每個調製符號2、4、6、8個比特。當上行採用DFT-S-OFDM時，支持π/2-BPSK調製，對應1個比特。

• 數據流的數量和發送天線數量是不一致的，將數據流比特送到不同的發送天線、不同時隙、不同子載波上，是一個複雜的數學變換過程。這個過程使用層映射和預編碼來完成。

  • **層數（Layer）**是由信道的秩確定的，而信道的秩代表着一定無線環境下，MIMO系統彼此獨立的通道數。層數一般小於等於信道矩陣的秩，當然也小於等於物理信道傳輸所使用的天線端口數量P。
  • 層映射就是將編碼調製後的數據流按照一定規則重新排列，將彼此獨立的碼字映射到空間概念層上。這個空間概念層是到物理天線端口的中轉站。通過這樣的轉換，原來串行的數據流就有了初步的空間概念。
  • 預編碼是將層數據映射到不同的天線端口，不同的子載波上，不同的時隙上，以便實現分集或複用的目的。編碼過程就是空時編碼的過程。從編碼調製後的數據發送到天線口的過程。

• 預編碼後的數據已經確定了天線端口，也就是說確定了空間維度的資源；在每個天線端口上，將預編碼後的數據對應在子載波和時隙組成的二維物理資源（RE）上。接下來生成OFDM符號，插入CP，然後從各個天線端口發送給出去。

• 在接收端，通過多天線接收機將接收下來的信號，從OFDM的時頻資源讀取相應的數據，經過預編碼與層映射逆過程，然後解調、去擾、去交織、解碼，最後恢復出原始信息比特。

4G和5G的區別之處

物理層數據傳輸（PDSCH/PUSCH）經過編碼和速率匹配後形成碼字，碼字經過比特級加擾與調製後映射到多個層，每層的數據映射到多個天線端口後，再將每個端口上的數據映射到實際物理資源塊上進行發送。

一、數據加擾

• 加擾的過程在各碼字的信息比特進行調製之前，使用僞隨機擾碼序列與碼字序列相乘得到新的加擾後的信號。

• 在LTE中，擾碼序列採用了31階Gold碼，通過兩個M序列的模2加實現。LTE系統使用的擾碼在每個子幀重新初始化，初始化取決於小區ID、無線幀中的子幀編號和UE ID。雙碼字傳輸時還取決於碼字ID。

• NR沿用了LTE中的擾碼序列的產生方式。但是對碼字的初始化方式進行了調整。相對LTE，NR需要考慮更爲靈活的業務和調度方式，並且將面臨更爲複雜的部署及干擾環境。因此，主要存在兩點差異：

  • ①時間相關參量：LTE使用的擾碼初始化過程包含了子幀號這一時域變量。但是考慮到NR支持少於一個時隙的調整，即非時隙的調度方式，調度起始位置可能發生非常動態的變化。如果不能實現確定其具體位置，無法爲緩存中的數據進行加擾及後續的一系列操作。若確定了時域位置再進行上述操作，則會增加發送時延。因此NR加擾初始化過程不包含時域參量。
  • ②小區ID：LTE的擾碼初始化計算需要考慮小區ID。但是NR中，考慮到每個接入點的覆蓋面積可能較小，爲了避免頻繁切換對傳輸質量的影響以及信令負荷的增加，利用小區ID的差異改善小區間干擾的意義將不復存在。針對這一問題，NR採用了一個可以配置的擾碼初始化ID，更好的抑制UE間的干擾。

二、數據調製

對於NR，上下行均支持QPSK、16QAM、64QAM、256QAM，每個調製符號分別對應2、4、6、8個比特。當上行採用DFT-S-OFDM時，支持π/2-BPSK調製，每個調製符號對應1個比特。

三、層映射

• 調製後的加擾數據符號需要經過從碼字到層的映射過程。

  • 理論上，採用MIMO技術時，爲每個分層傳輸專門分配一個碼字，每個碼字根據傳輸通道的信道質量,分別爲每層選擇相應的調製和編碼格式（MCS，Modulation and Coding Scheme），可以最大化系統吞吐量。實際中，由於信道狀態信息反饋及控制或指示的開銷與複雜度，不會對每層進行獨立的MCS調整。在LTE R8 R9中，下行最多支持4層，但只能支持最多兩個碼字的並行傳輸；在R10和後續版本中，SU-MIMO最多可以支持8層，也只能支持最多兩個碼字的並行傳輸。

• 爲了滿足30bit/(s*Hz)下行峯值頻譜效率需求，單用戶MIMO可以支持最多8層的傳輸。此處面臨碼字數量的選擇問題。

  • 單碼字傳輸

    所有並行數據層都對應發送採用相同的MCS的傳輸塊。因此相應的反饋與控制開銷及複雜度較低。將經過信道編碼之後的傳輸塊分散到各層也可以帶來一定的空間分集效果。但各層信道質量存在明顯差異時，MCS的選擇無法與每層的傳輸能力匹配，因此存在吞吐量的損失。

  • 對於多層傳輸的MIMO鏈路，一般可以用串行干擾刪除（SIC）接收機獲得優於傳統線性接收機的性能。但對於單碼字，一般SIC時，只能重構調製符號級別的層間干擾，不能通過譯碼實現比特級恢復並抑制層間干擾，誤差傳播對接受性能帶來影響。

  • 多碼字傳輸

    • 優勢：

    ①可以根據每個碼字對應的一組數據層的傳輸質量爲各碼字選擇匹配的MCS，從而更充分的利用信道容量。

    ②當各碼字信道存在明顯差異時，可以通過信道譯碼更準確的實現比特級恢復並抑制層間干擾，保證SIC檢測的性能。

    • 缺點：爲了支持多碼字，需要針對每個碼字反饋相應的信道質量信息CQI，在下行控制指令中需要分別指示各個碼字的MCS、RV、NDI信息。

      ①處理時延大；

      ②緩存需求高；

      ③適用場景有限。

• 綜上，採用最多支持2個碼字的下行傳輸模式。在層數1-4範圍內採用單碼字傳輸，在5-8範圍內雙碼字傳輸。碼字到層的映射採用對等映射的方案，即兩個碼字對應的層數儘可能相等。