應(yīng)天職業(yè)技術(shù)學(xué)院 芮 立

LTE系統(tǒng)中MIMO發(fā)射模式應(yīng)用研究

應(yīng)天職業(yè)技術(shù)學(xué)院 芮 立

本文著重研究了LTE系統(tǒng)中MIMO發(fā)射模式的應(yīng)用。移動(dòng)終端在小區(qū)中心部分采用波束賦形技術(shù)的TM8模式較采用空間復(fù)用技術(shù)的TM3模式所獲得的下行速率接近甚至更低，而在小區(qū)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(yīng)切換，即可有效地提高系統(tǒng)的吞吐量性能，使其系統(tǒng)性能一直處于最佳狀態(tài)。

LTE；MIMO；發(fā)射分集；傳輸模式

1 引言

近年來(lái)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)飛速發(fā)展,移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量也呈井噴式增長(zhǎng)。為此,3GPP推出了無(wú)線(xiàn)接口長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)。與3G相比,LTE系統(tǒng)擁有更高的傳輸速率、頻譜效率以及更低的延時(shí)性能。而MIMO作為L(zhǎng)TE以及LTE-A的關(guān)鍵技術(shù)顯得尤為重要,它通過(guò)在收發(fā)兩端使用多個(gè)天線(xiàn),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(hào)覆蓋范圍。

而MIMO技術(shù)作為寬帶移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一,己廣泛應(yīng)用于各類(lèi)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中。隨著對(duì)MIMO技術(shù)研究的深入,技術(shù)本身也在不斷的完善中。為了實(shí)現(xiàn)LTE系統(tǒng)性能,改善現(xiàn)有3G系統(tǒng)空中接口及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織己確立MIMO和OFDM方案為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。3G系統(tǒng)己在我國(guó)絕大部分地區(qū)部署,目前WCDMA以峰值7.2Mbit/s的速率保持著中期優(yōu)勢(shì)。為了滿(mǎn)足下個(gè)十年對(duì)移動(dòng)寬帶的需求,系統(tǒng)將提高速率至300Mbit/s以上。現(xiàn)有LTE工作大多集中在FDD,隨著我國(guó)TD-SCDMA技術(shù)日漸成熟,TDD將成為L(zhǎng)TE的另一種模式。LTE TDD可以使非對(duì)稱(chēng)的頻譜資源更加靈活的被使用,并且很多設(shè)備商也逐漸將這一技術(shù)使用在自己的產(chǎn)品中。

2 MIMO系統(tǒng)特性

MIMO系統(tǒng)主要指在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中發(fā)射端和接收端具有多根天線(xiàn)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)流,經(jīng)過(guò)編碼從多根天線(xiàn)發(fā)送出去,接收端的多個(gè)天線(xiàn)分別接收到無(wú)線(xiàn)信號(hào),再對(duì)其進(jìn)行譯碼合成。

圖2.1 MIMO系統(tǒng)模型

假設(shè)系統(tǒng)中發(fā)射天線(xiàn)數(shù)量為Nt,接收天線(xiàn)數(shù)量為Nr。在MIMO系統(tǒng)中每根接收天線(xiàn)接收到的信號(hào)是Nt個(gè)發(fā)送信號(hào)在頻帶以及時(shí)間上疊加的信號(hào)。

發(fā)送信號(hào)矢量x=［x1,x2,x3…xNt］T;

接收信號(hào)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(xiàn)發(fā)射是指在發(fā)射端使用多個(gè)天線(xiàn)發(fā)射信號(hào),并對(duì)發(fā)射信號(hào)采用一定信號(hào)處理算法的MIMO技術(shù)。eNodeB支持多天線(xiàn)發(fā)射,UE暫不支持多天線(xiàn)發(fā)射。本章主要分析各種MIMO方案的技術(shù)原理、應(yīng)用場(chǎng)景及eNodeB如何在MIMO方案間進(jìn)行切換。

3GPP TS 36.213協(xié)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(chēng)為MIMO傳輸模式。

表3.1 eNodeB支持傳輸模式表

3.1 發(fā)射分集

發(fā)射分集將數(shù)據(jù)在不同的空時(shí)以及空頻單元發(fā)送,利用信號(hào)結(jié)構(gòu)上的不同特點(diǎn)加以區(qū)分,以達(dá)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(dú)立的不同樣值信號(hào),按一定原則進(jìn)行合并處理?？臻g分集能夠很好的解決天線(xiàn)間空間相關(guān)性的問(wèn)題,但由于不能獲得完全的空間復(fù)用增益,頻譜利用率較低。

3.2 空間復(fù)用

空間復(fù)用是指在同一時(shí)頻資源上,傳輸多個(gè)空間數(shù)據(jù)流。由于空間信道的維數(shù)比單天線(xiàn)增加了,故空間復(fù)用能夠獲得復(fù)用增益,擴(kuò)大系統(tǒng)容量。

圖4.1 MIMO發(fā)射技術(shù)吞吐量性能圖

圖4.2 TM3/TM8自適應(yīng)吞吐量表

根據(jù)發(fā)射端信號(hào)處理采用的預(yù)編碼矩陣是否由UE反饋得到,可將空間復(fù)用分為開(kāi)環(huán)空間復(fù)用和閉環(huán)空間復(fù)用。開(kāi)環(huán)空間復(fù)用發(fā)射端信號(hào)處理采用的預(yù)編碼矩陣是預(yù)定義矩陣,不是UE反饋得到;閉環(huán)空間復(fù)用發(fā)射端信號(hào)處理采用的預(yù)編碼矩陣是通過(guò)UE反饋得到。

3.3 波束賦形技術(shù)

波束賦形來(lái)源于智能天線(xiàn)中的波束成形技術(shù)。通過(guò)在多個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)發(fā)射電磁波主瓣指向期望用戶(hù),以獲得賦形增益,并以此改善小區(qū)覆蓋,提高小區(qū)邊緣部分吞吐率。而零瓣對(duì)準(zhǔn)干擾源,進(jìn)一步抑制該區(qū)域內(nèi)噪聲干擾,提高信號(hào)質(zhì)量。在TDD LTE系統(tǒng)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(guò)這部分信息進(jìn)行更加精確的發(fā)送控制。波束賦型技術(shù)在原先智能天線(xiàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展,使得LTE系統(tǒng)中可使用的物理天線(xiàn)數(shù)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(tǒng)的物理層仿真鏈路主要由發(fā)送模塊,信道和接收三大模塊組成。其中發(fā)送模塊的主要功能包括信源產(chǎn)生、多天線(xiàn)處理、數(shù)據(jù)映射和數(shù)據(jù)組幀等;信道模塊主要負(fù)責(zé)完成瑞利衰落信道和多天線(xiàn)信道的生成;接收模塊主要功能包括多天線(xiàn)接收處理、信源數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)解映射等。LTE系統(tǒng)采用2根發(fā)射天線(xiàn),2根接收天線(xiàn),調(diào)制方式選用16QAM,每幀包含10個(gè)OFDM符號(hào),子載波數(shù)為600個(gè),發(fā)送分集方式選用SFBC。仿真實(shí)際路測(cè),系統(tǒng)在TM3和TM8傳輸模式中吞吐量差異,參數(shù)設(shè)置如表4.1所示。

首先對(duì)LTE下行MIMO模式中發(fā)射分集、空間復(fù)用以及波束賦形三種技術(shù)進(jìn)行仿真,由圖4.1可知,三種技術(shù)的吞吐量性能曲線(xiàn)相互均有交叉的地方。在信噪比較低的區(qū)域,波束賦形的吞吐量性能要優(yōu)于發(fā)射分集和空間復(fù)用的吞吐量性能;在信噪比稍微高一些的區(qū)域,發(fā)射分集的吞吐量性能要優(yōu)于波束賦形和空間復(fù)用的吞吐量性能;而在信噪比較高信道質(zhì)量較好的區(qū)域,空間復(fù)用的吞吐量性能優(yōu)于發(fā)射分集和波束賦形。TM8支持波束賦形及發(fā)射分集模式,而TM3支持空間復(fù)用和發(fā)射分集模式,這就為T(mén)M3與TM8之間的自適應(yīng)切換提供了理論依據(jù)。

表4.1 模式切換仿真參數(shù)表

由圖4.2可知,TM3和TM8兩種發(fā)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(shí)TM8的吞吐量性能優(yōu)于TM3的吞吐量性能,但是在 SNR約為16dB—30dB之間時(shí)TM3的吞吐量性能優(yōu)于TM8的吞吐量性能。為了防止傳輸模式在16dB附近反復(fù)切換,取15dB為上切換點(diǎn),16dB為下切換點(diǎn),SNR信噪在比高于16dB的環(huán)境下采用TM3模式,在信噪比低于15dB的環(huán)境下切換至TM8模式以獲得更高的數(shù)據(jù)吞吐量,而在切換區(qū)域內(nèi)保持原有傳輸模式,通過(guò)模式間的切換使系統(tǒng)的吞吐量性能得到有效的提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

由此發(fā)現(xiàn)LTE 無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)可通過(guò)選擇不同的下行傳輸模式來(lái)增加自身覆蓋范圍和系統(tǒng)容量。TM3適用于信噪比較高的場(chǎng)景,如小區(qū)內(nèi)部,TM8適用于信噪比較低的場(chǎng)景,如小區(qū)邊緣,與在不同場(chǎng)景下一直單獨(dú)采用一種發(fā)射模式相比,TM3與TM8之間的自適應(yīng)切換可使系統(tǒng)的吞吐量顯著提高。在LTE逐步普及的今天,結(jié)合實(shí)際工程,將這種TM3/TM8自適應(yīng)切換引入基站設(shè)備中,選擇合適的自適應(yīng)傳輸模式切換算法,參考移動(dòng)終端設(shè)備反饋的信號(hào)質(zhì)量,分析小區(qū)環(huán)境,并運(yùn)用軟件控制不同環(huán)境下TM3/TM8的切換,可有效地提高系統(tǒng)的吞吐量性能,使系統(tǒng)性能一直處于最佳狀態(tài)。

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芮立，應(yīng)天職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。