LTE系統中MIMO發射模式應用研究

應天職業技術學院 芮 立

LTE系統中MIMO發射模式應用研究

應天職業技術學院 芮 立

本文著重研究了LTE系統中MIMO發射模式的應用。移動終端在小區中心部分采用波束賦形技術的TM8模式較采用空間復用技術的TM3模式所獲得的下行速率接近甚至更低，而在小區邊緣部分TM8模式可以獲得近20%下行速率的提升。因此只要在TM3/TM8模式間采用自適應切換，即可有效地提高系統的吞吐量性能，使其系統性能一直處于最佳狀態。

LTE；MIMO；發射分集；傳輸模式

1 引言

近年來移動通信業務飛速發展,移動網絡的數據吞吐量也呈井噴式增長。為此,3GPP推出了無線接口長期演進(LTE)。與3G相比,LTE系統擁有更高的傳輸速率、頻譜效率以及更低的延時性能。而MIMO作為LTE以及LTE-A的關鍵技術顯得尤為重要,它通過在收發兩端使用多個天線,可以有效抑止信道衰落,并大幅度提高頻譜利用率、信道容量及信號覆蓋范圍。

而MIMO技術作為寬帶移動通信的關鍵技術之一,己廣泛應用于各類無線通信系統中。隨著對MIMO技術研究的深入,技術本身也在不斷的完善中。為了實現LTE系統性能,改善現有3G系統空中接口及網絡結構,3GPP標準化組織己確立MIMO和OFDM方案為無線網絡演進的唯一標準。3G系統己在我國絕大部分地區部署,目前WCDMA以峰值7.2Mbit/s的速率保持著中期優勢。為了滿足下個十年對移動寬帶的需求,系統將提高速率至300Mbit/s以上。現有LTE工作大多集中在FDD,隨著我國TD-SCDMA技術日漸成熟,TDD將成為LTE的另一種模式。LTE TDD可以使非對稱的頻譜資源更加靈活的被使用,并且很多設備商也逐漸將這一技術使用在自己的產品中。

2 MIMO系統特性

MIMO系統主要指在無線通信系統中發射端和接收端具有多根天線。數據轉換為并行數據流,經過編碼從多根天線發送出去,接收端的多個天線分別接收到無線信號,再對其進行譯碼合成。

圖2.1 MIMO系統模型

假設系統中發射天線數量為Nt,接收天線數量為Nr。在MIMO系統中每根接收天線接收到的信號是Nt個發送信號在頻帶以及時間上疊加的信號。

發送信號矢量x=［x1,x2,x3…xNt］T;

接收信號矢量y=［y1,y2,y3…yNr］T;

噪聲矢量n=［n1,n2,n3…nNr］T。

3 MIMO傳輸模式

多天線發射是指在發射端使用多個天線發射信號,并對發射信號采用一定信號處理算法的MIMO技術。eNodeB支持多天線發射,UE暫不支持多天線發射。本章主要分析各種MIMO方案的技術原理、應用場景及eNodeB如何在MIMO方案間進行切換。

3GPP TS 36.213協議定義了7種傳輸模式,方案中eNodeB支持的傳輸模式,如下表所示。一般的,把除TM1以外的傳輸模式稱為MIMO傳輸模式。

表3.1 eNodeB支持傳輸模式表

3.1 發射分集

發射分集將數據在不同的空時以及空頻單元發送,利用信號結構上的不同特點加以區分,以達到抗衰落的目的。其中接收端可收到承載同一信息,且相互獨立的不同樣值信號,按一定原則進行合并處理。空間分集能夠很好的解決天線間空間相關性的問題,但由于不能獲得完全的空間復用增益,頻譜利用率較低。

3.2 空間復用

空間復用是指在同一時頻資源上,傳輸多個空間數據流。由于空間信道的維數比單天線增加了,故空間復用能夠獲得復用增益,擴大系統容量。

圖4.1 MIMO發射技術吞吐量性能圖

圖4.2 TM3/TM8自適應吞吐量表

根據發射端信號處理采用的預編碼矩陣是否由UE反饋得到,可將空間復用分為開環空間復用和閉環空間復用。開環空間復用發射端信號處理采用的預編碼矩陣是預定義矩陣,不是UE反饋得到;閉環空間復用發射端信號處理采用的預編碼矩陣是通過UE反饋得到。

3.3 波束賦形技術

波束賦形來源于智能天線中的波束成形技術。通過在多個天線陣元的波干涉,在指定的方向,將能量集中的電磁波,也就是天線發射電磁波主瓣指向期望用戶,以獲得賦形增益,并以此改善小區覆蓋,提高小區邊緣部分吞吐率。而零瓣對準干擾源,進一步抑制該區域內噪聲干擾,提高信號質量。在TDD LTE系統中,基站可以利用信道的互易性獲得部分下行信道信息,并通過這部分信息進行更加精確的發送控制。波束賦型技術在原先智能天線技術的基礎上進行了擴展,使得LTE系統中可使用的物理天線數上升至8根,從而獲得更好的空間增益。

4 TM3/TM8模式切換仿真

TDD LTE系統的物理層仿真鏈路主要由發送模塊,信道和接收三大模塊組成。其中發送模塊的主要功能包括信源產生、多天線處理、數據映射和數據組幀等;信道模塊主要負責完成瑞利衰落信道和多天線信道的生成;接收模塊主要功能包括多天線接收處理、信源數據檢測、數據解映射等。LTE系統采用2根發射天線,2根接收天線,調制方式選用16QAM,每幀包含10個OFDM符號,子載波數為600個,發送分集方式選用SFBC。仿真實際路測,系統在TM3和TM8傳輸模式中吞吐量差異,參數設置如表4.1所示。

首先對LTE下行MIMO模式中發射分集、空間復用以及波束賦形三種技術進行仿真,由圖4.1可知,三種技術的吞吐量性能曲線相互均有交叉的地方。在信噪比較低的區域,波束賦形的吞吐量性能要優于發射分集和空間復用的吞吐量性能;在信噪比稍微高一些的區域,發射分集的吞吐量性能要優于波束賦形和空間復用的吞吐量性能;而在信噪比較高信道質量較好的區域,空間復用的吞吐量性能優于發射分集和波束賦形。TM8支持波束賦形及發射分集模式,而TM3支持空間復用和發射分集模式,這就為TM3與TM8之間的自適應切換提供了理論依據。

表4.1 模式切換仿真參數表

由圖4.2可知,TM3和TM8兩種發射傳輸模式的吞吐量都隨著信噪比的增加而增加,并且在SNR約為-5dB—16dB 之間時TM8的吞吐量性能優于TM3的吞吐量性能,但是在 SNR約為16dB—30dB之間時TM3的吞吐量性能優于TM8的吞吐量性能。為了防止傳輸模式在16dB附近反復切換,取15dB為上切換點,16dB為下切換點,SNR信噪在比高于16dB的環境下采用TM3模式,在信噪比低于15dB的環境下切換至TM8模式以獲得更高的數據吞吐量,而在切換區域內保持原有傳輸模式,通過模式間的切換使系統的吞吐量性能得到有效的提升。

5 結束語

由此發現LTE 無線通信系統可通過選擇不同的下行傳輸模式來增加自身覆蓋范圍和系統容量。TM3適用于信噪比較高的場景,如小區內部,TM8適用于信噪比較低的場景,如小區邊緣,與在不同場景下一直單獨采用一種發射模式相比,TM3與TM8之間的自適應切換可使系統的吞吐量顯著提高。在LTE逐步普及的今天,結合實際工程,將這種TM3/TM8自適應切換引入基站設備中,選擇合適的自適應傳輸模式切換算法,參考移動終端設備反饋的信號質量,分析小區環境,并運用軟件控制不同環境下TM3/TM8的切換,可有效地提高系統的吞吐量性能,使系統性能一直處于最佳狀態。

[1]程鴻雁,朱晨鳴等．LTE網絡規劃與設計[M]．人民郵電出版社,2013．7．

[2]Stefania Sesia,Issam Toufik． LTE/LTE-Advanced: UMTS長期演進理論與實踐[M]．人民郵電出版社,2012．11．7．

[3]Erik Dahlman．4G移動通信技術權威指南:LTE與LTE-Advanced[M]．人民郵電出版社,2012．5．1．

[4]Erik Dahlman,Stefan Parkvall．LTE/LTE-Advanced寬帶移動通信技術[M]．東南大學出版社,2012．6．1．

[5]Nee van Richard，Prasad Ramjee,OFDM for Wireless Multimedia Communications[J]．Artech House,Boston London,2000．

[6]吳偉陵,牛凱．移動通信原理[M]．電子工業大學出版社,2005．1．

[7]Arunabha Ghosh,Jun Zhang．LTE權威指南[M]．人民郵電出版社,2012．5．

芮立，應天職業技術學院講師。