FDD-LTE系統中下行鏈路MIMO傳輸模式的研究與仿真

楊博雄, 佟 鑫

(1.北京師范大學 珠海分校 信息技術學院,廣東 珠海 519087;2.北京師范大學 研究生院 珠海分院,廣東 珠海 519087)

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FDD-LTE系統中下行鏈路MIMO傳輸模式的研究與仿真

楊博雄1,2, 佟 鑫2

(1.北京師范大學 珠海分校 信息技術學院,廣東 珠海 519087;2.北京師范大學 研究生院 珠海分院,廣東 珠海 519087)

LTE是當前4G移動通信網絡的主流技術,它分為TD-LTE和FDD-LTE兩種工作模式,其中FDD-LTE主要采用了OFDM正交頻分復用和MIMO等關鍵技術,顯著提升了頻譜效率,提高了數據傳輸速率。本文對FDD-LTE無線通信系統中MIMO下行傳輸模式進行研究,對其中的單天線端口0模式、波束賦形模式以及空間分集三種傳輸模式的數學模型進行了探討,并在此基礎上建立與之對應的仿真模型。最后在MATLAB平臺下通過對系統仿真模型所得到的不同模式下的信噪比結果進行討論與比較,通過仿真結果分析三種傳輸模式各自優缺點,并給出各自適用的具體應用場景。

FDD-LTE; MIMO; 波束賦形; 發射分集; 模式仿真

1 引 言

LTE(Long Term Evolution,長期演進)是由3GPP(The 3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴計劃)組織制定的UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移動通信系統)技術標準的長期演進[1]。LTE分為TD-LTE和FDD-LTE兩種工作模式,其中FDD采用頻分雙工技術實現在兩個不同的頻帶(1755-1765MHz和1850-1860MHz)進行上行和下行通信。FDD-LTE系統引入了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復用)和MIMO(Multi-Input & Multi-Output,多輸入多輸出)等關鍵技術,顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率[2]。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術是在發射端和接收端分別設置多副發射天線和接收天線,將多發送天線與多接收天線相結合以改善每個用戶的通信質量(如差錯率)或提高通信效率(如數據速率)[3]。

在LTE系統下行物理層處理過程中,MIMO技術主要涉及到層映射和預編碼兩部分的處理,層映射主要是根據傳輸的碼字(單碼字或雙碼字)和傳輸層數(發射端天線數量)將數據流映射到不同的傳輸層。預編碼則主要是使傳輸的信號更好地匹配信道條件,以獲得更好的傳輸質量[4]。其中FDD-LTE下行鏈路MIMO傳輸模式常用的模式有單天線端口0模式、波束賦形模式、發射分集模式、閉環空間復用模式、閉環Rank=1預編碼模式、多用戶MU-MIMO模式和開環空間復用模式等[5]。

本文主要對DD-LTE下行鏈路MIMO傳輸模式中的單天線端口0模式、波束賦形模式、發射分集模式三種工作模式進行研究,設計基于MATLAB平臺的實驗仿真方法,并對仿真結果進行研究與比較,根據研究結果給出三種傳輸模式的具體適用場景。

2 傳輸模式及其模型分析

2.1 單天線端口0模式

當系統基站采用單天線端口0模式時,除了PDSCH(Physical Downlink Shared Channel,物理下行共享信道)外,每個用戶端都需要采用這種傳輸模式,其它系統下行鏈路信道也都會采用這種模式進行信號的傳輸[6]。采用單端口0模式傳輸時映射的層數是1,碼字流的個數也是1,層映射的函數如下式所示:

2.2 波束賦形模式

波束賦形是一種基于天線陣列信號的預處理技術,通過調整天線陣列的每個陣列加權系數,產生具有指向性的波束,從而增加天線陣列的增益[8]。當基站使用單天線端口5模式時,通過使用上行與下行的無線傳輸信道相互對稱性,并根據系統對信道估計或者上行鏈路收到的信號來估算每個UE的賦形的加權矢量,所以單天線端口5模式又被稱之為基于非碼書的波束賦形模式[9]。

波束賦形模式理論思想就是采用了空間信道的強相關性,使用信號相互干涉理論,發出的信號具有很強的方向性,讓信號的主瓣可以自動的對準UE方向,因此可以增加無線通信系統的信噪比,提升整個系統的容量,并且擴大了整個系統可以覆蓋到的范圍[10]。波束賦形模式有兩個核心計算方法:一個是空間相關矩陣的計算,另一個是賦形權矢量計算[11]。

2.3 發射分集模式

發射傳輸分集模式主要是采用了空間信道的弱相關性,同時融合了頻率和時間上的選擇性,為信號的傳輸提供了多種方法,使無線通信系統的安全性得到加強,提高了整個系統的信噪比,有助于提升系統的覆蓋范圍[12]。在FDD-LTE無線傳輸中,傳輸分集采用空頻編碼。空頻編碼是在空間和頻率上對信號進行編碼,即同一個OFDM符號的幾個子信道承擔一組碼。該編碼同時獲得空間分集和頻率分集[13]。在當通信系統的傳輸模式采用發射分集模式,系統僅能對其中的一個碼字流進行分集,可兼容eNodeB(Evolved NodeB)端兩個天線或者四個天線的設置。因為必須使系統天線的數量P與映射層的數量υ相同,所以預編碼中層的數量規定是2或者4層[14]。層映射參數可參考圖1所示。

圖1 波束賦形模式的層映射參數Fig.1 Layer mapping parameters of beamforming model

3 仿真結果及分析

在數字無線通信系統中,信噪比一般用來描述移動終端的數字調制器或者譯碼器輸出端的每比特的平均信號能量與單位頻帶內的噪聲功率比Eb/No,Eb為每比特信號能量,No為噪聲功率譜密度,所以又稱為能量信噪比。一般使用信噪比與誤碼概率Pe曲線來表示不同的數字調制和解調或者不同類型信道編碼譯碼對通信質量影響的優劣[15]。

本文利用MATLAB平臺對這三種傳輸模式的原理進行實驗仿真的流程設計和參數選取,并給出不同傳輸模式下的誤碼率與信噪比Pe仿真曲線圖。

3.1 單天線端口0模式的仿真

(1) 仿真設計

單天線端口0傳輸模式的系統仿真設計流程如圖2所示。

其中仿真代碼的實現參數主要依據圖3所示來進行選取。

圖2 單天線端口0模式的仿真流程Fig.2 Simulation process of single antenna port 0 model

圖3 單天線端口0模式的選取參數Fig.3 Select parameter of single antenna port 0 model

(2) 仿真結果分析

依據圖2的仿真流程和圖3所示的參數,在MATLAB平臺上對單天線端口0模式進行模擬仿真,仿真曲線如圖4所示。

圖4 單天線端口0模式的誤碼率與信噪比仿真結果Fig.4Eb/No simulation result of single antenna port 0 model

從圖4可以看出,當系統信噪比小于2時,誤碼率相對較高,當系統信噪比在2到5之間時,誤碼率的快速減小,但是還是很高,當信噪比大于5時,誤碼率基本控制在了一個比較低的值的范圍,波動也很小趨于平穩。一般性能優秀的通信系統都有較高的信噪比,在高斯白噪聲的情況下,通信系統下行鏈路使用單天線端口0模式的時候,可以保證一個很低的誤碼率,可靠性得以保證,滿足通信的條件。

3.2 波束賦形模式的仿真

(1) 仿真設計

波束賦形模式下通信系統的系統模擬仿真流程設計如圖5所示。

圖5 波束賦形模式的仿真流程Fig.5 Simulation process of beamforming model

在本仿真實驗中,本文通過對比未使用波束賦形模式和使用波束賦形模式的誤碼率與信噪比的圖像,判斷使了波束賦形模式適用于哪些場景中。代碼的主要參數選取依據如圖6所示。

圖6 波束賦形模式的選取參數Fig.6 Select parameter of beamforming model

(2) 仿真結果分析

波束賦形模式系統誤碼率和信噪比的MATLAB仿真曲線如圖7所示。

圖7 波束賦形模式系統的誤碼率與信噪比仿真結果Fig.7 Eb/No simulation result of beamforming model

從圖7可以看出,隨著信噪比的增大,使用波束賦形模式相比未使用波束賦形模式的時候,誤碼率有了明顯的下降。當信噪比處于20 dB時,使用了波束賦形模式比未使用波束賦形模式的誤碼率降低了100倍以上,有了根本性的區別。并且從圖6中可以看出,未使用波束賦形模式的2輸出2輸入天線模式和之前的單天線模式的曲線基本重合,可靠性幾乎沒有改善,但是使用了波束賦形模式后,可靠性有了明顯改善。由此可見,波束賦形模式有著很強的改善通信系統可靠性的特性,所以波束賦形模式適用的場景可為小區邊緣的區域以及信道改善慢的情況等通信信道條件較差的區域。

3.3 發射分集模式的仿真及結果分析

(1) 仿真設計

發射分集模式的仿真設計流程如圖8所示。

圖8 發射分集模式的仿真流程Fig.8 Simulation process of transmit diversity model

本文主要通過對比兩個在相同環境下,使用發射分集模式的兩個天線的誤碼率的對比,判斷發射分集模式適用于哪些場景。代碼的主要參數選取如表1所示。

表1 發射分集模式的選取參數Tab.1 Select parameter of transmit diversity model

(2) 仿真結果分析

發射分集模式下誤碼率與信噪比的MATLAB仿真曲線如圖9所示。

圖9 發射分集模式下的誤碼率與信噪比仿真結果Fig.9Eb/No simulation result of transmit diversity model

圖9結果顯示,當系統的信噪比低于10 dB的情況下,兩個天線誤碼率相對較高,當系統的信噪比高于10 dB時兩個天線的誤碼率有一個明顯的下降,并且兩個天線的整體曲線變化趨勢基本一致,在同一信噪比的情況下,誤碼率的值也大致相同,可見當使用了發射分集模式時,可以在信噪比較高的系統中,有較高的可靠性,并且由于采用發射分集模式可以使兩天線的信噪比與誤碼率的變化相匹配,減少信道多徑干擾帶來的系統衰落對整個傳輸過程的影響。所以發射分集模式適用于低相關性的天線所在區域、小區切換區域以及移動速度不相同的小區邊緣區域等需要讓天線信噪比與誤碼率相匹配的區域。

4 結束語

本文對LTE系統中下行鏈路MIMO的三種傳輸模式的仿真流程進行設計,結合其數學模型,得到該模式的信噪比與誤碼率的仿真曲線圖。通過對每種模式的仿真圖進行分析,找到各個傳輸模式的系統信號傳輸特點,根據其特點分析該模式適用的環境,并得出如下結論:

(1) 當使用單天線端口0模式時,在一般的高斯白噪聲的情況下,可以使系統有一個較高的可靠性,滿足LTE無線通信系統可靠傳輸的要求;

(2) 當使用波束賦形模式的情況下,LTE無線通信系統的可靠性將會有大幅度的提高,相比未采用波束賦形模式的情況要好很多,所以波束賦形模式可用于小區邊緣等系統信道相對差的狀況下;

(3) 當使用發射分集模式的情況下,可以在高斯白噪聲多徑的條件下,使兩個接收天線在相同信噪比的前提下有著幾乎相同的誤碼率,所以使用發射分集模式適用于低相關性天線所在區域以及一些需要切換的區域,可以提升小區切換時整個系統的可靠性,有效的抵抗多徑干擾衰落。

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Research and Simulation of Downlink MIMO Transmission Mode in FDD-LTE System

YANG Boxiong1,2, TONG Xin2

(1.College of Information Techndogy.Zhuhai Brunch of Beijing Normal University,Zhuhai 519087,China;2.Zhuhai Branch,Graduate School of Beijing Normal University,Zhuhai 519087,China)

LTE is the main technology of current 4G mobile communication network,which is categorised as TD-LTE model and FDD-LTE model.FDD-LTE mainly uses key technologies such as OFDM orthogonal frequency division multiplexing technology and MIMO technology by which the spectral efficiency is enchanced and data transmission rate is improved greatly.The downlink MIMO mode in LTE communication system has been studied in the paper.Meanwhile,three mathematical model of transmission mode about the single antenna port 0 mode,beamforming mode and spatial diversity mathematical mode have been explored.On this basis,the corresponding simulation model is established.Finally,the SNR result of different modes adopted corresponding simulation model based on MATLAB platform is discussed and compared.The respective advantages and disadvantages of three modes is analyzed according to the simulation result of three transmission modes and specific application scenarios given.

FDD-LTE; MIMO; beamforming; transmit diversity; model simulation

楊博雄 男(1975-),湖北洪湖人,博士,副教授,主要研究方向為物聯網、移動互聯網及其應用。

佟 鑫 男(1989-),北京人,碩士研究生,主要研究方向為通信工程。

TN 929.5

A

國家自然科學基金項目(編號61272364);北京師范大學珠海分校資助項目(編號201533)