对比4G和5G的MIMO多天线传输的基本过程（加扰、层映射、预编码）

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我是靠谱客的博主闪闪鸭子，最近开发中收集的这篇文章主要介绍对比4G和5G的MIMO多天线传输的基本过程（加扰、层映射、预编码），觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

4G LTE物理层的信息处理过程

TB块到了物理层，首先要进行信道编码。信道编码的目的是增加无线通信可靠性，但它增加了冗余比特，使有用信息数据传输比例减少，增加了系统开销。信道编码是在源比特数据流中按照一定规则加入一些冗余比特，接收端可以用来判断或纠错。
接下来的过程是交织。交织的过程是打乱原来的比特流顺序。这样做之后，连续的深衰落对信息的影响实际是作用在打乱顺序的比特数据流上；在恢复原来的顺序后，这个影响就不是连续的了，而是离散的，就可以方便地根据冗余比特恢复受干扰的原始数据。
加扰是使用伪随机扰码序列与码字序列相乘得到新的加扰后的信号。扰码序列是一种PN序列（Pseudo-Noise Sequence，伪噪声序列）。PN码可以将数据间的干扰随机化，可以对抗干扰。同时使用PN序列加扰，类似给数据上了一把锁，而这个PN序列就是钥匙。在接收端，有了这把钥匙才能开始这把锁。也就是说加扰起到了保密的作用，可以对抗窃听。
数据调制：上下行均支持QPSK、16QAM、64QAM、256QAM，分别对应每个调制符号2、4、6、8个比特。当上行采用DFT-S-OFDM时，支持π/2-BPSK调制，对应1个比特。
数据流的数量和发送天线数量是不一致的，将数据流比特送到不同的发送天线、不同时隙、不同子载波上，是一个复杂的数学变换过程。这个过程使用层映射和预编码来完成。
- **层数（Layer）**是由信道的秩确定的，而信道的秩代表着一定无线环境下，MIMO系统彼此独立的通道数。层数一般小于等于信道矩阵的秩，当然也小于等于物理信道传输所使用的天线端口数量P。
- 层映射就是将编码调制后的数据流按照一定规则重新排列，将彼此独立的码字映射到空间概念层上。这个空间概念层是到物理天线端口的中转站。通过这样的转换，原来串行的数据流就有了初步的空间概念。
- 预编码是将层数据映射到不同的天线端口，不同的子载波上，不同的时隙上，以便实现分集或复用的目的。编码过程就是空时编码的过程。从编码调制后的数据发送到天线口的过程。
预编码后的数据已经确定了天线端口，也就是说确定了空间维度的资源；在每个天线端口上，将预编码后的数据对应在子载波和时隙组成的二维物理资源（RE）上。接下来生成OFDM符号，插入CP，然后从各个天线端口发送给出去。
在接收端，通过多天线接收机将接收下来的信号，从OFDM的时频资源读取相应的数据，经过预编码与层映射逆过程，然后解调、去扰、去交织、解码，最后恢复出原始信息比特。

4G和5G的区别之处

物理层数据传输（PDSCH/PUSCH）经过编码和速率匹配后形成码字，码字经过比特级加扰与调制后映射到多个层，每层的数据映射到多个天线端口后，再将每个端口上的数据映射到实际物理资源块上进行发送。

一、数据加扰

加扰的过程在各码字的信息比特进行调制之前，使用伪随机扰码序列与码字序列相乘得到新的加扰后的信号。
在LTE中，扰码序列采用了31阶Gold码，通过两个M序列的模2加实现。LTE系统使用的扰码在每个子帧重新初始化，初始化取决于小区ID、无线帧中的子帧编号和UE ID。双码字传输时还取决于码字ID。
NR沿用了LTE中的扰码序列的产生方式。但是对码字的初始化方式进行了调整。相对LTE，NR需要考虑更为灵活的业务和调度方式，并且将面临更为复杂的部署及干扰环境。因此，主要存在两点差异：
- ①时间相关参量：LTE使用的扰码初始化过程包含了子帧号这一时域变量。但是考虑到NR支持少于一个时隙的调整，即非时隙的调度方式，调度起始位置可能发生非常动态的变化。如果不能实现确定其具体位置，无法为缓存中的数据进行加扰及后续的一系列操作。若确定了时域位置再进行上述操作，则会增加发送时延。因此NR加扰初始化过程不包含时域参量。
- ②小区ID：LTE的扰码初始化计算需要考虑小区ID。但是NR中，考虑到每个接入点的覆盖面积可能较小，为了避免频繁切换对传输质量的影响以及信令负荷的增加，利用小区ID的差异改善小区间干扰的意义将不复存在。针对这一问题，NR采用了一个可以配置的扰码初始化ID，更好的抑制UE间的干扰。

二、数据调制

对于NR，上下行均支持QPSK、16QAM、64QAM、256QAM，每个调制符号分别对应2、4、6、8个比特。当上行采用DFT-S-OFDM时，支持π/2-BPSK调制，每个调制符号对应1个比特。

三、层映射

调制后的加扰数据符号需要经过从码字到层的映射过程。
- 理论上，采用MIMO技术时，为每个分层传输专门分配一个码字，每个码字根据传输通道的信道质量,分别为每层选择相应的调制和编码格式（MCS，Modulation and Coding Scheme），可以最大化系统吞吐量。实际中，由于信道状态信息反馈及控制或指示的开销与复杂度，不会对每层进行独立的MCS调整。在LTE R8 R9中，下行最多支持4层，但只能支持最多两个码字的并行传输；在R10和后续版本中，SU-MIMO最多可以支持8层，也只能支持最多两个码字的并行传输。
为了满足30bit/(s*Hz)下行峰值频谱效率需求，单用户MIMO可以支持最多8层的传输。此处面临码字数量的选择问题。
- 单码字传输
  
  所有并行数据层都对应发送采用相同的MCS的传输块。因此相应的反馈与控制开销及复杂度较低。将经过信道编码之后的传输块分散到各层也可以带来一定的空间分集效果。但各层信道质量存在明显差异时，MCS的选择无法与每层的传输能力匹配，因此存在吞吐量的损失。
- 对于多层传输的MIMO链路，一般可以用串行干扰删除（SIC）接收机获得优于传统线性接收机的性能。但对于单码字，一般SIC时，只能重构调制符号级别的层间干扰，不能通过译码实现比特级恢复并抑制层间干扰，误差传播对接受性能带来影响。
- 多码字传输
  - 优势：
  ①可以根据每个码字对应的一组数据层的传输质量为各码字选择匹配的MCS，从而更充分的利用信道容量。
  
  ②当各码字信道存在明显差异时，可以通过信道译码更准确的实现比特级恢复并抑制层间干扰，保证SIC检测的性能。
  - 缺点：为了支持多码字，需要针对每个码字反馈相应的信道质量信息CQI，在下行控制指令中需要分别指示各个码字的MCS、RV、NDI信息。
    
    ①处理时延大；
    
    ②缓存需求高；
    
    ③适用场景有限。
综上，采用最多支持2个码字的下行传输模式。在层数1-4范围内采用单码字传输，在5-8范围内双码字传输。码字到层的映射采用对等映射的方案，即两个码字对应的层数尽可能相等。