LTE系统中MIMO发射模式应用研究

应天职业技术学院 芮 立

LTE系统中MIMO发射模式应用研究

应天职业技术学院 芮 立

本文着重研究了LTE系统中MIMO发射模式的应用。移动终端在小区中心部分采用波束赋形技术的TM8模式较采用空间复用技术的TM3模式所获得的下行速率接近甚至更低，而在小区边缘部分TM8模式可以获得近20%下行速率的提升。因此只要在TM3/TM8模式间采用自适应切换，即可有效地提高系统的吞吐量性能，使其系统性能一直处于最佳状态。

LTE；MIMO；发射分集；传输模式

1 引言

近年来移动通信业务飞速发展,移动网络的数据吞吐量也呈井喷式增长。为此,3GPP推出了无线接口长期演进(LTE)。与3G相比,LTE系统拥有更高的传输速率、频谱效率以及更低的延时性能。而MIMO作为LTE以及LTE-A的关键技术显得尤为重要,它通过在收发两端使用多个天线,可以有效抑止信道衰落,并大幅度提高频谱利用率、信道容量及信号覆盖范围。

而MIMO技术作为宽带移动通信的关键技术之一,己广泛应用于各类无线通信系统中。随着对MIMO技术研究的深入,技术本身也在不断的完善中。为了实现LTE系统性能,改善现有3G系统空中接口及网络结构,3GPP标准化组织己确立MIMO和OFDM方案为无线网络演进的唯一标准。3G系统己在我国绝大部分地区部署,目前WCDMA以峰值7.2Mbit/s的速率保持着中期优势。为了满足下个十年对移动宽带的需求,系统将提高速率至300Mbit/s以上。现有LTE工作大多集中在FDD,随着我国TD-SCDMA技术日渐成熟,TDD将成为LTE的另一种模式。LTE TDD可以使非对称的频谱资源更加灵活的被使用,并且很多设备商也逐渐将这一技术使用在自己的产品中。

2 MIMO系统特性

MIMO系统主要指在无线通信系统中发射端和接收端具有多根天线。数据转换为并行数据流,经过编码从多根天线发送出去,接收端的多个天线分别接收到无线信号,再对其进行译码合成。

图2.1 MIMO系统模型

假设系统中发射天线数量为Nt,接收天线数量为Nr。在MIMO系统中每根接收天线接收到的信号是Nt个发送信号在频带以及时间上叠加的信号。

发送信号矢量x=［x1,x2,x3…xNt］T;

接收信号矢量y=［y1,y2,y3…yNr］T;

噪声矢量n=［n1,n2,n3…nNr］T。

3 MIMO传输模式

多天线发射是指在发射端使用多个天线发射信号,并对发射信号采用一定信号处理算法的MIMO技术。eNodeB支持多天线发射,UE暂不支持多天线发射。本章主要分析各种MIMO方案的技术原理、应用场景及eNodeB如何在MIMO方案间进行切换。

3GPP TS 36.213协议定义了7种传输模式,方案中eNodeB支持的传输模式,如下表所示。一般的,把除TM1以外的传输模式称为MIMO传输模式。

表3.1 eNodeB支持传输模式表

3.1 发射分集

发射分集将数据在不同的空时以及空频单元发送,利用信号结构上的不同特点加以区分,以达到抗衰落的目的。其中接收端可收到承载同一信息,且相互独立的不同样值信号,按一定原则进行合并处理。空间分集能够很好的解决天线间空间相关性的问题,但由于不能获得完全的空间复用增益,频谱利用率较低。

3.2 空间复用

空间复用是指在同一时频资源上,传输多个空间数据流。由于空间信道的维数比单天线增加了,故空间复用能够获得复用增益,扩大系统容量。

图4.1 MIMO发射技术吞吐量性能图

图4.2 TM3/TM8自适应吞吐量表

根据发射端信号处理采用的预编码矩阵是否由UE反馈得到,可将空间复用分为开环空间复用和闭环空间复用。开环空间复用发射端信号处理采用的预编码矩阵是预定义矩阵,不是UE反馈得到;闭环空间复用发射端信号处理采用的预编码矩阵是通过UE反馈得到。

3.3 波束赋形技术

波束赋形来源于智能天线中的波束成形技术。通过在多个天线阵元的波干涉,在指定的方向,将能量集中的电磁波,也就是天线发射电磁波主瓣指向期望用户,以获得赋形增益,并以此改善小区覆盖,提高小区边缘部分吞吐率。而零瓣对准干扰源,进一步抑制该区域内噪声干扰,提高信号质量。在TDD LTE系统中,基站可以利用信道的互易性获得部分下行信道信息,并通过这部分信息进行更加精确的发送控制。波束赋型技术在原先智能天线技术的基础上进行了扩展,使得LTE系统中可使用的物理天线数上升至8根,从而获得更好的空间增益。

4 TM3/TM8模式切换仿真

TDD LTE系统的物理层仿真链路主要由发送模块,信道和接收三大模块组成。其中发送模块的主要功能包括信源产生、多天线处理、数据映射和数据组帧等;信道模块主要负责完成瑞利衰落信道和多天线信道的生成;接收模块主要功能包括多天线接收处理、信源数据检测、数据解映射等。LTE系统采用2根发射天线,2根接收天线,调制方式选用16QAM,每帧包含10个OFDM符号,子载波数为600个,发送分集方式选用SFBC。仿真实际路测,系统在TM3和TM8传输模式中吞吐量差异,参数设置如表4.1所示。

首先对LTE下行MIMO模式中发射分集、空间复用以及波束赋形三种技术进行仿真,由图4.1可知,三种技术的吞吐量性能曲线相互均有交叉的地方。在信噪比较低的区域,波束赋形的吞吐量性能要优于发射分集和空间复用的吞吐量性能;在信噪比稍微高一些的区域,发射分集的吞吐量性能要优于波束赋形和空间复用的吞吐量性能;而在信噪比较高信道质量较好的区域,空间复用的吞吐量性能优于发射分集和波束赋形。TM8支持波束赋形及发射分集模式,而TM3支持空间复用和发射分集模式,这就为TM3与TM8之间的自适应切换提供了理论依据。

表4.1 模式切换仿真参数表

由图4.2可知,TM3和TM8两种发射传输模式的吞吐量都随着信噪比的增加而增加,并且在SNR约为-5dB—16dB 之间时TM8的吞吐量性能优于TM3的吞吐量性能,但是在 SNR约为16dB—30dB之间时TM3的吞吐量性能优于TM8的吞吐量性能。为了防止传输模式在16dB附近反复切换,取15dB为上切换点,16dB为下切换点,SNR信噪在比高于16dB的环境下采用TM3模式,在信噪比低于15dB的环境下切换至TM8模式以获得更高的数据吞吐量,而在切换区域内保持原有传输模式,通过模式间的切换使系统的吞吐量性能得到有效的提升。

5 结束语

由此发现LTE 无线通信系统可通过选择不同的下行传输模式来增加自身覆盖范围和系统容量。TM3适用于信噪比较高的场景,如小区内部,TM8适用于信噪比较低的场景,如小区边缘,与在不同场景下一直单独采用一种发射模式相比,TM3与TM8之间的自适应切换可使系统的吞吐量显著提高。在LTE逐步普及的今天,结合实际工程,将这种TM3/TM8自适应切换引入基站设备中,选择合适的自适应传输模式切换算法,参考移动终端设备反馈的信号质量,分析小区环境,并运用软件控制不同环境下TM3/TM8的切换,可有效地提高系统的吞吐量性能,使系统性能一直处于最佳状态。

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芮立，应天职业技术学院讲师。