溫金芳

一種LTE系統(tǒng)中多天線傳輸模式切換算法的研究

溫金芳

為能快速適應(yīng)信道的變化情況，LTE系統(tǒng)在多天線傳輸過程中引入了模式切換的技術(shù)。模式切換過程中，LTE系統(tǒng)需要根據(jù)用戶UE上報(bào)的CQI值進(jìn)行模式切換和資源分配，而CQI值則是基于系統(tǒng)獲取的RI值計(jì)算得到的。針對(duì)LTE系統(tǒng)中上報(bào)的RI值和實(shí)際使用的RI值可能不一致的情況，提出一種基于CQI重構(gòu)的模式切換算法，并以LTE系統(tǒng)中典型的TM3傳輸模式的模式內(nèi)切換為例進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，與固定傳輸模式、常規(guī)自適應(yīng)模式切換相比，采用該算法可改善系統(tǒng)BLER性能指標(biāo)，提高LTE系統(tǒng)的吞吐量。

LTE；多天線；CQI；模式切換

0 引言

基于多天線傳輸技術(shù)能充分利用空間資源，增加無線信道的有效帶寬，有效提高通信系統(tǒng)的容量的特點(diǎn)，LTE系統(tǒng)采用了該技術(shù)以滿足其在高數(shù)據(jù)速率和高系統(tǒng)容量方面的需求[1]。在實(shí)際無線環(huán)境中，由于終端的移動(dòng)造成了信道狀況的不斷變化，此時(shí)若采用單一的多天線傳輸模式很難使系統(tǒng)工作在高效的狀態(tài)，于是LTE系統(tǒng)引入了自適應(yīng)多天線技術(shù)，使基站根據(jù)用戶UE的CQI（信道質(zhì)量指示）值等反饋信息對(duì)不同的信道狀態(tài)可以自適應(yīng)切換傳輸模式[2]，從而有效提高系統(tǒng)容量。

1 CQI的上報(bào)

CQI用來指示用戶當(dāng)前的信道質(zhì)量。在LTE系統(tǒng)中，所有的多天線傳輸模式都需要CQI的上報(bào)，從而為頻率選擇性調(diào)度，調(diào)制編碼方式的選擇提供依據(jù)。CQI的測量是基于RI和PMI的。其中，RI用來指示用戶采用的多天線傳輸層數(shù)，對(duì)于傳輸模式TM3、TM4需要RI的上報(bào)，其他傳輸模式下，RI默認(rèn)為1，不需上報(bào)[3]。PMI用來指示用戶采用的預(yù)編碼矩陣索引，每一個(gè)索引對(duì)應(yīng)一個(gè)預(yù)編碼矩陣。對(duì)于傳輸模式TM4、TM5、TM6存在PMI上報(bào)，對(duì)于傳輸模式TM3，eNB和UE事先約定好采用的預(yù)編碼矩陣，而其他模式不存在預(yù)編碼矩陣。一般來說，當(dāng)同時(shí)存在CQI/PMI/RI上報(bào)時(shí)，UE先測量得到RI值，然后根據(jù)RI選擇合適的PMI，最后根據(jù)PMI結(jié)合信道響應(yīng)得到CQI值。

多天線模式切換和CQI的上報(bào)模式密切相關(guān)，因?yàn)槟Ｊ角袚Q所需要的參考信息如接收端CQI、RI等都需要UE向基站反饋。在設(shè)計(jì)多天線模式切換算法時(shí)，需要考慮CQI/RI上報(bào)模式因素。例如，當(dāng)用戶工作在模式TM3時(shí)，若上報(bào)RI=1，那么用戶上報(bào)的CQI就是基于RI=1的，但如果經(jīng)過基站統(tǒng)計(jì)信道信息判決此時(shí)應(yīng)該采用RI=2，即上報(bào)的RI值和實(shí)際使用的RI值不一致時(shí)，則需要對(duì)CQI值進(jìn)行重構(gòu)處理。

2 基于CQI重構(gòu)的多天線模式切換算法

以LTE系統(tǒng)在實(shí)際場景中的一種典型傳輸模式TM3為例進(jìn)行算法設(shè)計(jì)和分析。傳輸模式TM3是一種開環(huán)的多天線傳輸方案，采用的預(yù)編碼矩陣是eNB和UE事先約定好的，主要適用于UE移動(dòng)速度較高的場景[4]。TM3存在兩種多天線傳輸方式，包括RI為1（即信道矩陣的秩rank=1）的傳輸分集和RI為2（即信道矩陣的秩rank=2）的開環(huán)空間復(fù)用[5,6]，此時(shí)的模式內(nèi)切換主要涉及rank=1和rank=2之間的自適應(yīng)切換。當(dāng)上報(bào)的RI值與實(shí)際使用的RI值不一致時(shí)，需要對(duì)CQI進(jìn)行重構(gòu)，以提高切換性能。

2.1 TM3中CQI值重構(gòu)的基本思想

傳輸模式TM3是一種開環(huán)的MIMO方式，不需要UE反饋PMI，當(dāng)UE上報(bào)的RI值與系統(tǒng)實(shí)際使用的RI值不一致時(shí)，重構(gòu)CQI值的基本思想是這樣的，若上報(bào)rank=2，而實(shí)際使用rank=1，此時(shí)上報(bào)的CQI值比實(shí)際使用的CQI值偏低，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是rank=1時(shí)每根天線的發(fā)送功率為1，rank=2時(shí)每根天線的發(fā)送功率為1/2，二是rank=1時(shí)不存在層間干擾，rank=2時(shí)存在層間干擾，因此計(jì)算得到的信噪比會(huì)偏低，在實(shí)際重構(gòu)時(shí)需要將MCS(Modulation and Coding Scheme，調(diào)制編碼等級(jí))進(jìn)行提升。若上報(bào)rank=1而實(shí)際使用的rank=2，此時(shí)上報(bào)的CQI值比實(shí)際使用的CQI值偏高，為了保守起見，需要將信噪比降低6dB左右，對(duì)應(yīng)的MCS等級(jí)也需要降低6個(gè)等級(jí)。同時(shí)，為了避免在SDM時(shí)使用過高的MCS等級(jí)，在算法設(shè)計(jì)時(shí)即使用戶上報(bào)rank=2且實(shí)際使用rank=2時(shí)，也需要將MCS等級(jí)強(qiáng)制性降低。需要注意的是，在每次發(fā)生模式內(nèi)切換后，所有與CQI修正相關(guān)的參數(shù)都應(yīng)該清零。

2.2 CQI重構(gòu)的過程

CQI的關(guān)鍵參數(shù)是信道中的信噪比（SNR），在描述當(dāng)上報(bào)的RI值和實(shí)際使用的RI值不一致時(shí)CQI重構(gòu)過程之前，先定義以下變量。

dec_snr_12：當(dāng)UE上報(bào)rank=1但實(shí)際采用rank=2時(shí)的信噪比減量，具體的信噪比減

量為0.2* dec_snr_12；

dec_snr_11：當(dāng)UE上報(bào)rank=1但實(shí)際采用rank=1時(shí)的信噪比減量，具體的信噪比減

量為0.2* dec_snr_11；

add_snr_21：當(dāng)UE上報(bào)rank=2但實(shí)際采用rank=1時(shí)的信噪比減量，具體的信噪比增

量為0.2* add_snr_21；

dec_snr_22：當(dāng)UE上報(bào)rank=2但實(shí)際采用rank=2時(shí)的信噪比減量，具體的信噪比減

量為0.2* dec_snr_22。

CQI值的具體重構(gòu)過程如下：

（1）if（UE上報(bào)rank=1&&eNB判定UE采用rank=2的開環(huán)空間復(fù)用）

信噪比=修正后的信噪比-0.2* dec_snr_12；

（2）elseif（UE上報(bào)rank=2&& eNB判定UE采用rank=1的傳輸分集）

信噪比=修正后的信噪比-0.2* dec_snr_11；

（3）elseif（UE上報(bào)rank=2&& eNB判定UE采用rank=2的開環(huán)空間復(fù)用）

信噪比=修正后的信噪比+0.2* add_snr_21；

（4）elseif（UE上報(bào)rank=1&& eNB判定UE采用rank=1的傳輸分集）

信噪比=修正后的信噪比-0.2* dec_snr_22；

（5）end

2.3 基于CQI重構(gòu)的多天線模式切換算法

在傳輸模式TM3的rank=2的開環(huán)空間復(fù)用傳輸方式中，由于兩個(gè)碼字上的信息在兩個(gè)端口上輪流發(fā)送，因此兩個(gè)碼字的CQI值相同并且BLER也相同，在統(tǒng)計(jì)時(shí)只需要記錄一個(gè)碼字的CQI值及BLER（誤塊率）值即可。模式切換算法分兩種情況描述如下。

2.3.1 當(dāng)前模式為rank=1的傳輸分集

（1）如果當(dāng)前采用的多天線傳輸模式為rank=1的傳輸分集，則當(dāng)用戶上報(bào)rank=1且重構(gòu)后CQI值對(duì)應(yīng)的信噪比大于切換門限，且累計(jì)初始的BLER值小于發(fā)生切換時(shí)的初始BLER門限時(shí)，系統(tǒng)中相應(yīng)移位寄存器（用來存儲(chǔ)待應(yīng)用多天線傳輸模式，1表示rank=1的傳輸分集模式，2表rank=2的開環(huán)空間復(fù)用模式）存儲(chǔ)的值置為2；

（2）當(dāng)用戶上報(bào)rank=2且重構(gòu)后的CQI值對(duì)應(yīng)的信噪比大于切換門限，同時(shí)累計(jì)初始的BLER值小于發(fā)生切換時(shí)的初始BLER門限時(shí)，系統(tǒng)中相應(yīng)移位寄存器存儲(chǔ)的值置為2；

（3）傳輸模式發(fā)生切換，系統(tǒng)將rank=1的傳輸分集模式切換到rank=2的開環(huán)空間復(fù)用模式；

（4）CQI值相關(guān)參數(shù)清零，累計(jì)初始BLER值清零。

2.3.1 當(dāng)前模式為rank=2的開環(huán)空間復(fù)用

（1）如果當(dāng)前采用的多天線傳輸模式為rank=2的開環(huán)空間復(fù)用，則當(dāng)用戶上報(bào)rank=2且重構(gòu)后CQI值對(duì)應(yīng)的信噪比小于切換門限，或累計(jì)初始的BLER值大于發(fā)生切換時(shí)的初始BLER門限時(shí)，系統(tǒng)中相應(yīng)移位寄存器存儲(chǔ)的值置為1；

（2）當(dāng)用戶上報(bào)rank=1且重構(gòu)后的CQI值對(duì)應(yīng)的信噪比小于切換門限，同時(shí)累計(jì)初始的BLER值大于發(fā)生切換時(shí)的初始BLER門限時(shí)，系統(tǒng)中相應(yīng)移位寄存器存儲(chǔ)的值置為1；

（3）傳輸模式發(fā)生切換，系統(tǒng)將rank=2的開環(huán)空間復(fù)用模式切換到rank=1的傳輸分集模式；

（4）CQI值相關(guān)參數(shù)清零，累計(jì)初始BLER值清零。

3.仿真與性能分析

為分析和比較傳輸模式TM3中采用固定傳輸模式、常規(guī)自適應(yīng)模式切換和基于CQI值重構(gòu)的自適應(yīng)切換方案的性能，對(duì)這幾種多天線傳輸方案進(jìn)行仿真，基本參數(shù)如表1所示：

表1 仿真基本參數(shù)表

對(duì)采用不同傳輸模式的系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)誤塊率BLER和系統(tǒng)吞吐量Throughput進(jìn)行仿真。需要說明的是，由于采用的是典型的ETU70信道模型，而UTE信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展較大，若頻域采用LS算法會(huì)使信道估計(jì)出現(xiàn)較大的誤差[7]，因此應(yīng)當(dāng)采用LSMMSE1D的信道估計(jì)算法，仿真結(jié)果如圖1和圖2所示：

圖1 三種不同多天線傳輸方案的BLER對(duì)比

圖2 三種不同多天線傳輸方案的吞吐量對(duì)比

從圖1中可以看出，在典型的ETU70信道環(huán)境下，采用基于CQI重構(gòu)的多天線切換模式，其系統(tǒng)BLER值小于固定傳輸模式和常規(guī)自適應(yīng)切換模式，尤其是在信道質(zhì)量較差，信噪比較?。▓D1中小于5dB時(shí)）的情況下，其BLER指標(biāo)明顯優(yōu)于另外兩種傳輸方式。而從圖2中可以看出，采用基于CQI重構(gòu)的多天線切換模式，其系統(tǒng)吞吐量大于固定傳輸模式和常規(guī)自適應(yīng)切換模式，尤其是在信道質(zhì)量較好，信噪比較大（圖2中大于20dB時(shí)）的情況下，其吞吐量指標(biāo)明顯優(yōu)于另外兩種傳輸方式。

4.總結(jié)

本文對(duì)LTE系統(tǒng)中的多天線傳輸切換方法進(jìn)行了研究，在算法設(shè)計(jì)中考慮到用戶的信道條件，針對(duì)LTE系統(tǒng)中上報(bào)的RI值和實(shí)際使用的RI值不一致的情況，提出基于CQI重構(gòu)的模式切換算法，并以LTE系統(tǒng)中典型的傳輸模式TM3的模式內(nèi)切換為例進(jìn)行仿真分析。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該算法在網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下能改善LTE系統(tǒng)的BLER指標(biāo)，并可有效提高LTE系統(tǒng)的吞吐量。

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Research on A Multi-Antenna Transmission Mode Switching Algorithm in LTE System

Wen Jinfang
(School of Information Engineering , Huanghuai University, Zhumadian 463000, China)

In order to adapt to the change of the channel quickly ,the LTE system introduced the mode switching technology in the multi-antenna transmission. In the process of mode switching, the LTE system needed to carry on mode switching and resource allocation according to the CQI value reported by the UE. According to the RI reported in the LTE system and the actual RI may not be consistent, a mode switching algorithm based on CQI refactoring was proposed. Then the simulation analysis is carried out in the mode of typical transmission mode TM3 in LTE system. The result proved that the new algorithm can improve system BLER performance index, and improve the throughput of LTE system.

LTE; Multi-antenna; CQI; Mode Switching

TN929.5

A

1007-757X(2016)10-0016-03

2016.06.12）

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（16A510019）黃淮學(xué)院青年教師科研能力提升計(jì)劃項(xiàng)目（201512705）

溫金芳（1985-），女，山西平遙人，黃淮學(xué)院信息工程系，助教，碩士。研究方向：通信信號(hào)處理、天線與移動(dòng)通信技術(shù)，駐馬店 463000