基于MIMO參數優化提升下載速率的研究與應用

2015-04-13 04:14:26李國強楊敏華

移動通信 2015年21期

關鍵詞：設置

李國強，楊敏華

（1.中國移動通信集團山東有限公司網絡部，山東濟南 257091；2.中國移動通信集團山東有限公司東營分公司，山東東營 257300）

1 引言

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）技術是LTE的關鍵技術之一，該技術在不改變系統帶寬和天線功率的情況下能夠成倍地提高空口吞吐率和頻譜利用率。在移動通信設備中，需要通過MIMO相關參數控制傳輸模式的轉換，在繁雜的無線環境下，不同的傳輸模式對速率的影響很大。通過對MIMO參數門限的設置來提升雙流占比對網絡優化至關重要，但盲目提升雙流占比也會造成誤塊率（Bler）過大、重傳現象增多等問題。

現網中MIMO 相關參數設置時存在的問題主要有：

（1）缺乏易于推廣的優化方法及經驗。

（2）現網中MIMO相關參數大都是設備仿真默認值，未經過系統優化，非最佳值，雙流占比偏低，有一定的優化空間。

本文通過對MIMO相關參數進行優化實驗，旨在尋找MIMO參數的合理門限和優化方法，并對其可行性和推廣性進行驗證。

2 基本原理

2.1 MIMO技術原理

MIMO技術的原理為：在通信系統的收發兩端使用多天線技術完成信號的發射與接收，從而在不改變系統帶寬和天線發射功率的情況下，大大提升系統網絡容量、速率傳輸及頻譜效率。

如圖1所示，收發機兩端均安裝有多根天線，其中發射端天線數目為m，接收端天線數目為n。在數據傳輸的過程中，發射端先對信源數據進行空時編碼，產生m個信息子流，每一個信息子流經過m個天線同時間、同頻率發射，經過空間信道后，在接收端由n個天線接收，接收端通過信號疊加和空時處理解調出發射端的原始信號。如果各收發天線的通道互不相關，就可以在多路并行信道上同時傳送數據，以實現在相同頻譜資源和功率設置的前提下網絡容量和傳輸速率的成倍提升。MIMO技術大致分為兩類，即空間分集和空分復用：空間分集是指存在衰落特性獨立的多根天線上發送相同信號，從而獲得分集增益，可提高傳輸信息的可靠性；空分復用是在相互獨立的空間信道上同時完成不同數據的發送，可提高數據傳輸的效率。

圖1 MIMO工作原理

2.2 傳輸模式

MIMO利用多天線技術提升頻譜效率，主要的多天線技術有：分集、空間復用及波束賦形。3GPP在Release 9中規定了8種天線傳輸模式，分別為：

（1）TM1（單天線傳輸）：數據在單根天線上進行傳送，主要應用于單通道室分系統。

（2）TM2（發射分集）：采用SFBC（Space Frequency Block Code，空頻塊碼）進行編碼，在相互獨立的空間信道上同時完成相同數據的發送，可產生分集增益，提高數據傳輸的可靠性，主要應用于無線環境較差的場景，也可用于高速移動場景。

（3）TM3（開環空間復用）：不需要終端反饋PMI（Pre-coding Matrix Indicator，預編碼矩陣指示）等信道信息，基站通過預先定義的信道信息進行預編碼，采用大時延CDD（Cyclic Delay Diversity，循環延遲分集）的方式進行發送，主要用于無線環境較好的場景，可提升吞吐率。

（4）TM4（閉環空間復用）：基站通過終端反饋的PMI等信道信息進行預編碼處理以產生空間獨立性，主要適用于無線環境較好且移動速度較低的場景，可提升傳輸速率。

（5）TM5（多用戶MIMO）：發射端使用相同的時頻資源將多個數據流同時發送給多個用戶，接收端采用多根天線對接收到的干擾數據流進行清除和過濾，可以用來提高小區的容量。

（6）TM6（單層閉環空間復用）：當U E 反饋Rank=1時，為適應當前的信道情況，發射端使用單層預編碼的方式進行編碼，主要適合于小區邊緣的場景。

（7）TM7（單流波束賦形）：基于Port 5的單流波束賦形，發射端依據上行信號的情況來預估下行信道的特征，每根天線在進行下行信號發送時候乘以一定的特征權值，從而實現天線陣列發射信號的波束賦形，主要用于無線環境較差的場景，可較好地對抗干擾。

（8）TM8（雙流波束賦形）：Port7/8雙流波束賦形，結合只能天線技術和空間復用，實現多路信號的波束賦形，不但提高了終端接收到的信號強度，又能提升速率，一舉兩得，主要應用于無線環境較差的場景，如小區中部區域或者邊緣區域。

2.3 模式轉換參數

目前中移動LTE 網絡中采用的傳輸模式主要是TM2、TM3、TM7、TM8，影響這些傳輸模式的因素主要有CQI（Channel Quality Indicator，信道質量指示）和RI（rank indication，秩指示）。可通過設備上MIMO相關參數來控制在不同網絡環境下使用不同的傳輸模式，現網主要采用TM3/TM7自適應和TM3/TM8自適應，以及TM3模式內單雙流轉換，其中TM3內的單流相當于3GPP協議規定的TM2，是同一概念的不同表述。

如圖2所示，模式間的轉換主要通過設置CQI的上下門限決定，大于上門限時使用TM3，小于下門限時使用波束賦形TM7或者TM8，門限值設置越高，TM3使用的幾率越大。而TM3模式內單雙流轉換由CQI和RI共同控制，只有當CQI和RI都大于上門限時才會使用雙流空分復用，同時滿足CQI小于下門限或者RI小于下門限其中任意一項，都會使用單流，設置值越高，越容易占用單流。

圖2 傳輸模式轉換相關MIMO參數

3 參數方案

由于處于LTE網絡建網初期，現網還存在一定網絡質量問題，當發生模式間轉換時很容易掉線，因此現網中并未打開模式間轉換開關，主要使用TM3單雙流。

因RI參數門限對網絡指標的影響情況不易控制，因此使用默認值RI值。為尋找CQI的最佳設置門限，制定了如下的實驗方案：

（1）在默認RI值的情況下，將CQI的上/下門限設置為最小值1/1，盡量讓網絡使用雙流。

（2）在默認RI值的情況下，將CQI的上/下門限設置為最大值16/16，盡量讓網絡使用單流。

（3）3GPP協議TS 36.213中規定調制編碼效率會隨著CQI的增大而升高，也就是說，下載速率會隨著CQI的增大而提升，如表1所示：

從理論上分析，在CQI 較高時（無線環境較好），使用雙流傳輸時的下載速率是使用單流傳輸時的2倍，但隨著CQI變差（無線環境變差），使用雙流傳輸比使用單流傳輸可靠性要差，誤碼率要高，兩者之間的速率差距逐漸降低，甚至在CQI小到一定程度時，雙流傳輸速率要低于單流傳輸速率。因此，通過對上述兩種方案CQI和速率作圖，會得出速率隨著CQI增大而提升的圖，并且當達到某個CQI值時，單流和雙流會交叉，如圖3所示。設置的CQI門限值低于交叉點時，使用單流的速率要優于雙流；高于交叉點時，雙流的速率要優于單流。因此，可以認為此交叉點為TM3模式內轉換的最佳設置值。