MIMO schemes in 3GPPMIMO schemes in 3GPP--LTE LTE (Dec. 2007)(Dec. 2007)
Jacob Scheim, Ph.D.Jacob Scheim, Ph.D.
2(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
MIMO schemes in 3GPP-LTE
� Downlink
� Background
� Infrastructure for MIMO over LTE
� SU-MIMO
� MU-MIMO
� Transmit diversity
� Uplink
3(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
Background
� Max. code words - 2
� Max. Tx. Antennas – 4� Potentially up to four layers
� Pre-coding� 16 elements, unitary, for SU-MIMO
4(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
Pilot patterns for spatial multiplexing
R0
R0
R0
R0
R0
R0
R0
R0
0=l 6=l 0=l 6=l
����������������
����������������R0
����������������
����������������R0
R 0
R 0
����������������
����������������R0
����������������
����������������R0
R 0
R 0
���������
���������
���������
���������
���������
���������
���������
���������R 1
R 1
R1
R1
���������
���������
����������������
���������
���������
����������������
R 1
R 1
R1
R1
���������
���������
���������
������������������
���������
���������
���������
���������
���������
���������
���������
���������
������������������
���������
���������
���������
���������
���������
eve n-numbered s lots odd-numbere d slot s
���������
���������
���������
������������������
���������
����������������
����������������
���������
���������
���������
������������������
���������
����������������
����������������
R3
R3
R3
R3
����������������
����������������
����������������
����������������R
0
����������������
����������������
����������������
����������������
R0
R0
R0
e ve n-numbere d slot s odd-numbere d sl ots
����������������
����������������
����������������
����������������R
0
����������������
����������������
����������������
����������������
R0
R0
R0
���������
������������������
���������
���������
���������
���������
���������
���������
������������������
���������
���������
���������
���������
���������
R1
R1
R1
R1
eve n-numbered s lots odd-numbered slot s
���������
������������������
���������
���������
���������
����������������
���������
������������������
���������
���������
���������
����������������
R1
R1
R1
R1��������
����������������
����������������
��������
����������������
����������������
����������������
����������������
����������������
����������������
����������������
e ven-numbe re d slot s odd-numbe red sl ots
����������������
����������������
���������
���������
����������������
����������������
����������������
����������������
���������
���������
����������������
����������������
R2
R2
R2
R2
On
e ante
nna
port
Tw
o a
nte
nn
a p
ort
sFour
ante
nna
por
ts
Antenna port 0 Antenna port 1 Antenna port 2 Antenna port 3
Not used for transmission on this antenna port
Reference symbols on this antenna port
5(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
Pilot patterns for spatial multiplexing
Antenna port #0
Antenna port #2
Antenna port #3
180
[KHz]
0.5 [msec]
Antenna port #1
6(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
Comments on reference signal
� Is not affected by applying pre-coding
� Is not affected by applying transmit diversity
� Reference signals density reduces with number of antennas:
� Higher layer MIMO for lower mobility
7(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
Multi layer data transmission (SU-MIMO)
Space
Rank 2
MIMO
Rank 4
MIMO
8(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
Data/Control partitioning
Increased
<= rate
region
Increased
diversity =>
region
1 msec
9(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
Peak rates for LTE-MIMO
� “Back of the envelope” calculations:
� 11x12 – generic tile size (assuming max. control symbols)
� Peak rate:
� 64 QAM - 6 bits/symbols
� Code rate - 1 (no FEC)
� BW - 20 MHz - 110 RBs
� Sub-frames per second - 1000
� Peak rates calculation:
� SISO: 11*12*6*110*1000 =87 Mbps
� MIMO (2x2, 4x2) doubles the rate >150 Mbps
� MIMO (4x4) quadruples the rare= >300 Mbps
� High class UEs category 5 (with 4 Rx antenna)
may exceed 300 Mbps
10(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
Infrastructure
� Pre-coding for what:
� Increasing SNR (“Beam-forming”)
� Decreasing intra-cell interference
� Decreasing inter-cell interference
� Code book design
� Unitary matrices (Householder based)
� 16 matrices for 4x(1:4) scheme
� Feedback:
� Wideband
� Narrowband
� Channel quality indication
� Per layer
� Feedback
� Wideband
� Narrowband
11(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
Comments on MU-MIMO (SDMA)
� Requires standard adaptation for SDMA:
� Optimizing the pre-coding codebook
� Changing the CQI feedback structure
User A
User B User D
User C
12(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
DL – transmit diversity modes
Transmit diversity
� 1 stream to 2 antennae port - Alamouti scheme
� 1 stream to 4 antennae port – Alamouti alike scheme
� Two ‘parallel’ Alamouti schemes
Cyclic delay diversity (CDD)
� Zero/small delay diversity
� Large delay diversity
13(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
Transmit diversity
*
0
*
1
10
xx
xx
−
Origin*:
Antenna
Time*
01
*
10
xx
xx −
Antenna
Freq.
LTE:
Rate 1 codeDiversity order = 2
� Two transmit antennas
� Basic assumptions:
� Two transmit chains
� Channel doesn’t change along the ‘retransmission’
* S.M. Alamouti "A simple transmit diversity technique for wireless communications," IEEE JSAC vol. 16 (8), pp. 1451–1458
14(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
Transmit diversity cont…
*
23
*
32
*
01
*
10
00
00
00
00
xx
xx
xx
xx
−
−
Antenna
Freq.
0123
*
1
*
0
*
3
*
2
*
2
*
3
*
0
*
1
3210
xxxx
xxxx
xxxx
xxxx
−−
−−
−−
Antenna
Time
Rate 1 code
Diversity order = 2 (spatial)
Rate 1 code
Diversity order < 4
� Four transmit antennas
LTE: Alternative*:
* Hamid Jafarkhani "A quasi-orthogonal space–time block code," IEEE Trans. Comm. Vol. 49 (1): pp. 1–4
Unbiased scheme (Ch. Est.) Biased scheme (Ch. Est.)
15(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
Transmit diversity
� Summary:
� STBC => SFBC
� For 4 transmit antennas
� Diversity order equals 2
� Unbiased channel estimates
16(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
Cyclic delay diversity
x0
x1
x2
xN-2
xN-1
FFT Modulator 1st Tx. antenna
FFT Modulator 2nd Tx. antenna
Xd-1
x0
x1
x2
xN-2
xN-1
xd
Xd+1
Xd-2
17(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
� Problem
� The pilots are processed also…
� Solution
� Project the processing backwards – prior the FFT
� CDD requires extra processing for channel estimation
� Pilots remain orthogonal
Cyclic delay diversity
18(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
Uplink
� Requirements � Open loop Tx diversity: SxBC, CDD
� 2x2 MU-MIMO� Virtual MIMO
� 2x2 SU-MIMO
� Standard� Preliminary stages
� The TS 36.211 doesn’t reflect currently any decision taken
� Technically� The same as DL
� Reference signals are orthogonal by time division� Between antennas orthogonal sequences may be used
� Two transmit antennas� A single RF chain?
19(C) 2007 Comsys communication and Signal Processing Ltd. All rights reserved
www.comsysmobile.com