LTE系統(tǒng)中MIMO傳輸模式性能分析與仿真

李 靖，李建海，劉玉廣 ，劉東斌

（1.空軍工程大學(xué) 工程學(xué)院,陜西 西安710038;2.93801部隊(duì)87分隊(duì),陜西 咸陽 712201）

LTE系統(tǒng)中的下行MIMO技術(shù)主要包括空分復(fù)用和發(fā)射分集。空分復(fù)用提供復(fù)用增益，使得系統(tǒng)容量大大增加；發(fā)射分集提供分集增益，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這兩種技術(shù)對空間信道的要求不同，其應(yīng)用場景也不同，在適當(dāng)?shù)膱鼍笆褂们‘?dāng)?shù)腗IMO技術(shù),能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

LTE下行鏈路采用多種MIMO技術(shù)以及鏈路自適應(yīng)技術(shù)，更適用于移動通信的復(fù)雜信道。鏈路自適應(yīng)使得基站能夠?qū)崟r地跟蹤信道變化，及時提供適當(dāng)?shù)恼{(diào)制編碼，MIMO技術(shù)使得系統(tǒng)容量大大增加。各種MIMO技術(shù)對空間信道的要求不同，其應(yīng)用場景也有所不同。本文主要分析了各MIMO傳輸模式的原理，并結(jié)合自動調(diào)制編碼技術(shù)對各MIMO模式的性能進(jìn)行了仿真，得出各MIMO傳輸模式的適應(yīng)環(huán)境。

1 MIMO傳輸模式原理分析

1.1 發(fā)射分集

發(fā)射分集碼字到層的映射關(guān)系如表1所示。在LTE中，發(fā)射分集只定義于一個數(shù)據(jù)流，2個或者4個天線端口，并且層數(shù)要等于天線端口數(shù)。為最大化分集增益，天線通常需要非相關(guān)，所以它們相對波長長度有很好的分隔，或有不同的極化方向。

LTE物理層分別采用空頻分組碼SFBC(Space-Frequency Block Codes)和SFBC+頻率切換發(fā)射分集FSTD(Frequency Switched Transmit Diversity)支持 2個和 4個發(fā)射天線端口的場景。

1.1.1 空頻分組碼

如果LTE的物理信道是使用兩根eNode B天線的發(fā)射分集操作而配置，則可使用純SFBC（Space Frequency Block Coding），SFBC 是空時分組碼（STBC）的頻域版本。設(shè)計(jì)這種碼使得發(fā)射分集流是正交的，實(shí)現(xiàn)了線性接收機(jī)的最優(yōu)信噪比，這種正交碼只有在2根發(fā)射天線的情況下使用。

圖1所示是典型的SFBC發(fā)射分集方案。從圖中可以看出天線2的發(fā)射分集模式的傳輸秩為1，傳輸秩r=復(fù)數(shù)符號數(shù)/所占時頻資源數(shù)=2/2=1,即2個復(fù)數(shù)符號在2個時頻資源上傳輸。由于天線配置超過2×2階就不存在正交碼，為在4根天線情況下應(yīng)用SFBC，不得不對其進(jìn)行調(diào)整，LTE中將SFBC和FSTD結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)。

1.1.2 SFBC與FSTD相結(jié)合

在4根發(fā)射天線端口情況下,使用SFBC+FSTD（Frequency Shift Transmit Diversity）的發(fā)射分集方案。該過程可以描述為圖2的形式,即SFBC結(jié)合FSTD在天線間頻域的轉(zhuǎn)換。同2天線相似，4天線發(fā)射分集的傳輸秩也為1，r=4/4=1,即4個復(fù)數(shù)符號在4個時頻資源上傳輸。

1.2 閉環(huán)空分復(fù)用

在LTE系統(tǒng)中，閉環(huán)空分復(fù)用是指基站在同一時刻向UE端發(fā)送1流或者2流數(shù)據(jù)。發(fā)送1流則叫閉環(huán)秩為1的空分復(fù)用，發(fā)送2流叫秩為2的空分復(fù)用，閉環(huán)空分復(fù)用也叫無循環(huán)延遲空分復(fù)用預(yù)編碼。

在閉環(huán)模式下，終端通過對下行信道狀態(tài)的測量選擇適當(dāng)?shù)目辗謴?fù)用的層數(shù)目，并且從碼本集合中選擇預(yù)編碼矩陣，分別表示為 RI(Rank Indicator)和PMI(Precoding Matrix Indicator)的形式通過上行鏈路反饋給基站[2]；基站根據(jù)這些信息進(jìn)行預(yù)測，確定隨后的下行發(fā)送中將采用的空分復(fù)用方案(包括采用的層數(shù)目和預(yù)編碼矩陣)。

假設(shè)空分復(fù)用的層數(shù)為 υ，天線端口數(shù)為p，則在i時刻，對于無循環(huán)空分復(fù)用的預(yù)編碼的情況，層向量x(i)=[x(0)(i)…x(υ-1)(i)]T， 向物理天線端口發(fā)射信號 y(i)=[y(0)(i)…y(p-1)(i)]T的映射可以表示為:

其中，i=0,1,…，-1,=,W(i)為p×υ階預(yù)編碼矩陣，由終端/基站從配置的碼本中進(jìn)行選擇。

為了使基站能夠更好地控制終端的行為，基站可以通過高層信令對終端在碼本內(nèi)能夠選擇的元素范圍進(jìn)行限制，即限制終端只能在碼本中的一定范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)編碼矩陣（PMI）的選擇，相關(guān)的機(jī)制稱為碼本限制子集(Codebook Subset Restrictions)[3]。

2 MIMO傳輸模式性能仿真與分析

根據(jù) LTE協(xié)議[4-6]規(guī)定的具體細(xì)節(jié)，用 Matlab語言搭建TDD-LTE下行鏈路仿真平臺并對上述MIMO傳輸模式進(jìn)行仿真。主要仿真了在三種典型信道環(huán)境(EPA/EVA/ETU)[7]下各MIMO模式的性能，這三種擴(kuò)展信道確定的應(yīng)用在低、中、高多普勒頻移中,即 5 Hz、70 Hz、300 Hz，這在 2.3 GHz載頻中，分別對應(yīng)大約 3 km/h,45 km/h,140 km/h的UE移動速度。系統(tǒng)帶寬為1.4 MB，并假設(shè)UE占用所有的信道帶寬。

2.1 發(fā)射分集(SFBC)在不同速率下的性能仿真

發(fā)射分集模式在UE不同運(yùn)動速率的環(huán)境下的性能如圖3和圖4所示。從吞吐量曲線圖（圖3）可以看出，在低信噪比時（10 dB以下），UE運(yùn)動速率對發(fā)射分集模式的影響不大，低速率只有1～2 dB左右的增益，當(dāng)信噪比較高時（10 dB以后），速率對性能有一定的影響，但沒有波束賦形模式對UE運(yùn)動速率那么敏感。當(dāng)UE運(yùn)動速率很高時（140 km/h），在高信噪比時，系統(tǒng)吞吐量上不去，這主要是因?yàn)樗俾瘦^高，信道變化快，導(dǎo)致信道估計(jì)誤差比較大，而SFBC模式對信道較為敏感，當(dāng)信噪比較高時，信道估計(jì)誤差對性能的影響很大，從而導(dǎo)致性能較差。同時，從圖4也可以看到，鏈路自適應(yīng)方案保證了系統(tǒng)的可靠性(系統(tǒng)誤塊率都在0.1以下)的同時，也增加了系統(tǒng)容量。從而可以得出，發(fā)射分集模式適合工作在低信噪比的環(huán)境下，在此環(huán)境下UE運(yùn)動速率對其影響不大。

2.2 閉環(huán)秩為1(CLSM1)模式在不同速率下的性能仿真

閉環(huán)秩為1的MIMO傳輸模式在不同速率下的性能如圖5和圖6所示。可以得出，閉環(huán)秩為1的空分復(fù)用適合工作在中低速的環(huán)境下。

2.3 閉環(huán)秩為2(CLSM2)模式在不同速率下的性能仿真

閉環(huán)秩為2的空分復(fù)用，即通常所說的閉環(huán)空分復(fù)用。閉環(huán)空分復(fù)用的性能曲線如圖7和8所示。從吞吐量曲線圖（圖 7）可以看出，在高信噪比(10 dB以后)時，速度對空分復(fù)用的影響很大，比對閉環(huán)秩為1的空分復(fù)用的影響還大。從圖8也可以看到，鏈路自適應(yīng)技術(shù)保證了系統(tǒng)的可靠性。

本文研究了MIMO傳輸模式的基本原理，在TDD LTE下行鏈路仿真平臺仿真了各種MIMO模式在不同傳輸信道和運(yùn)動速率下的性能。結(jié)果表明,發(fā)射分集和閉環(huán)秩為1的空分復(fù)用模式適合工作在低信噪比的環(huán)境，在此環(huán)境下對UE運(yùn)動速率不是很敏感。在高信噪比、低速率的情況時使用秩為2的空分復(fù)用模式能夠大大提高系統(tǒng)容量。

[1]DAHLMAN E,PARKVALL S,SKOLD J,et al.3G evolution：HSPA and LTE for mobile broadband.-2nd ed[M].Published by Elsevier Ltd,2008:93-96,120-123.

[2]Fu Weihong,Zhang Fei,Guo Yantao,et al.Research on the selection algorithm of precoding matrix in TDD LTE[C].2011 3rd IEEE International Conference on Communication Software and Networks(ICCSN 2011),Xi'an,China,May,2011:365-368.

[3]ADHIKARI S.Critical analysis of multi-antenna systems in the LTE downlink[C].IEEE International Conference on Internet Multimedia Services Architecture and Applications,2009.

[4]3GPP TS 36.211.Technical Specification Group Radio Access Network.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation(Release 8).[EB/OL].(2009-06-xx).http://www.3gpp.org.

[5]3GPP TS 36.212.Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Multiplexing and channel coding(Release 8).[EB/OL].(2009-06-xx).http://www.3gpp.org.

[6]3GPP TS 36.213.Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical layer procedures(Release 8)[EB/OL].(2009-06-xx).http://www.3gpp.org.

[7]Ericsson,Nokia,Motorola,Rohde&Schwarz.R4-070572:Proposal for LTE Channel Models[Z].www.3gpp.org,3GPP TSG RAN WG4,meeting 43,Kobe,Japan,2007(5).