FDD-LTE系统中下行链路MIMO传输模式的研究与仿真

杨博雄, 佟 鑫

(1.北京师范大学 珠海分校 信息技术学院,广东 珠海 519087;2.北京师范大学 研究生院 珠海分院,广东 珠海 519087)



FDD-LTE系统中下行链路MIMO传输模式的研究与仿真

杨博雄1,2, 佟 鑫2

(1.北京师范大学 珠海分校 信息技术学院,广东 珠海 519087;2.北京师范大学 研究生院 珠海分院,广东 珠海 519087)

LTE是当前4G移动通信网络的主流技术,它分为TD-LTE和FDD-LTE两种工作模式,其中FDD-LTE主要采用了OFDM正交频分复用和MIMO等关键技术,显著提升了频谱效率,提高了数据传输速率。本文对FDD-LTE无线通信系统中MIMO下行传输模式进行研究,对其中的单天线端口0模式、波束赋形模式以及空间分集三种传输模式的数学模型进行了探讨,并在此基础上建立与之对应的仿真模型。最后在MATLAB平台下通过对系统仿真模型所得到的不同模式下的信噪比结果进行讨论与比较,通过仿真结果分析三种传输模式各自优缺点,并给出各自适用的具体应用场景。

FDD-LTE; MIMO; 波束赋形; 发射分集; 模式仿真

1 引 言

LTE(Long Term Evolution,长期演进)是由3GPP(The 3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划)组织制定的UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移动通信系统)技术标准的长期演进[1]。LTE分为TD-LTE和FDD-LTE两种工作模式,其中FDD采用频分双工技术实现在两个不同的频带(1755-1765MHz和1850-1860MHz)进行上行和下行通信。FDD-LTE系统引入了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用)和MIMO(Multi-Input & Multi-Output,多输入多输出)等关键技术,显著增加了频谱效率和数据传输速率[2]。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术是在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线,将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量(如差错率)或提高通信效率(如数据速率)[3]。

在LTE系统下行物理层处理过程中,MIMO技术主要涉及到层映射和预编码两部分的处理,层映射主要是根据传输的码字(单码字或双码字)和传输层数(发射端天线数量)将数据流映射到不同的传输层。预编码则主要是使传输的信号更好地匹配信道条件,以获得更好的传输质量[4]。其中FDD-LTE下行链路MIMO传输模式常用的模式有单天线端口0模式、波束赋形模式、发射分集模式、闭环空间复用模式、闭环Rank=1预编码模式、多用户MU-MIMO模式和开环空间复用模式等[5]。

本文主要对DD-LTE下行链路MIMO传输模式中的单天线端口0模式、波束赋形模式、发射分集模式三种工作模式进行研究,设计基于MATLAB平台的实验仿真方法,并对仿真结果进行研究与比较,根据研究结果给出三种传输模式的具体适用场景。

2 传输模式及其模型分析

2.1 单天线端口0模式

当系统基站采用单天线端口0模式时,除了PDSCH(Physical Downlink Shared Channel,物理下行共享信道)外,每个用户端都需要采用这种传输模式,其它系统下行链路信道也都会采用这种模式进行信号的传输[6]。采用单端口0模式传输时映射的层数是1,码字流的个数也是1,层映射的函数如下式所示:

2.2 波束赋形模式

波束赋形是一种基于天线阵列信号的预处理技术,通过调整天线阵列的每个阵列加权系数,产生具有指向性的波束,从而增加天线阵列的增益[8]。当基站使用单天线端口5模式时,通过使用上行与下行的无线传输信道相互对称性,并根据系统对信道估计或者上行链路收到的信号来估算每个UE的赋形的加权矢量,所以单天线端口5模式又被称之为基于非码书的波束赋形模式[9]。

波束赋形模式理论思想就是采用了空间信道的强相关性,使用信号相互干涉理论,发出的信号具有很强的方向性,让信号的主瓣可以自动的对准UE方向,因此可以增加无线通信系统的信噪比,提升整个系统的容量,并且扩大了整个系统可以覆盖到的范围[10]。波束赋形模式有两个核心计算方法:一个是空间相关矩阵的计算,另一个是赋形权矢量计算[11]。

2.3 发射分集模式

发射传输分集模式主要是采用了空间信道的弱相关性,同时融合了频率和时间上的选择性,为信号的传输提供了多种方法,使无线通信系统的安全性得到加强,提高了整个系统的信噪比,有助于提升系统的覆盖范围[12]。在FDD-LTE无线传输中,传输分集采用空频编码。空频编码是在空间和频率上对信号进行编码,即同一个OFDM符号的几个子信道承担一组码。该编码同时获得空间分集和频率分集[13]。在当通信系统的传输模式采用发射分集模式,系统仅能对其中的一个码字流进行分集,可兼容eNodeB(Evolved NodeB)端两个天线或者四个天线的设置。因为必须使系统天线的数量P与映射层的数量υ相同,所以预编码中层的数量规定是2或者4层[14]。层映射参数可参考图1所示。

图1 波束赋形模式的层映射参数Fig.1 Layer mapping parameters of beamforming model

3 仿真结果及分析

在数字无线通信系统中,信噪比一般用来描述移动终端的数字调制器或者译码器输出端的每比特的平均信号能量与单位频带内的噪声功率比Eb/No,Eb为每比特信号能量,No为噪声功率谱密度,所以又称为能量信噪比。一般使用信噪比与误码概率Pe曲线来表示不同的数字调制和解调或者不同类型信道编码译码对通信质量影响的优劣[15]。

本文利用MATLAB平台对这三种传输模式的原理进行实验仿真的流程设计和参数选取,并给出不同传输模式下的误码率与信噪比Pe仿真曲线图。

3.1 单天线端口0模式的仿真

(1) 仿真设计

单天线端口0传输模式的系统仿真设计流程如图2所示。

其中仿真代码的实现参数主要依据图3所示来进行选取。

图2 单天线端口0模式的仿真流程Fig.2 Simulation process of single antenna port 0 model

图3 单天线端口0模式的选取参数Fig.3 Select parameter of single antenna port 0 model

(2) 仿真结果分析

依据图2的仿真流程和图3所示的参数,在MATLAB平台上对单天线端口0模式进行模拟仿真,仿真曲线如图4所示。

图4 单天线端口0模式的误码率与信噪比仿真结果Fig.4Eb/No simulation result of single antenna port 0 model

从图4可以看出,当系统信噪比小于2时,误码率相对较高,当系统信噪比在2到5之间时,误码率的快速减小,但是还是很高,当信噪比大于5时,误码率基本控制在了一个比较低的值的范围,波动也很小趋于平稳。一般性能优秀的通信系统都有较高的信噪比,在高斯白噪声的情况下,通信系统下行链路使用单天线端口0模式的时候,可以保证一个很低的误码率,可靠性得以保证,满足通信的条件。

3.2 波束赋形模式的仿真

(1) 仿真设计

波束赋形模式下通信系统的系统模拟仿真流程设计如图5所示。

图5 波束赋形模式的仿真流程Fig.5 Simulation process of beamforming model

在本仿真实验中,本文通过对比未使用波束赋形模式和使用波束赋形模式的误码率与信噪比的图像,判断使了波束赋形模式适用于哪些场景中。代码的主要参数选取依据如图6所示。

图6 波束赋形模式的选取参数Fig.6 Select parameter of beamforming model

(2) 仿真结果分析

波束赋形模式系统误码率和信噪比的MATLAB仿真曲线如图7所示。

图7 波束赋形模式系统的误码率与信噪比仿真结果Fig.7 Eb/No simulation result of beamforming model

从图7可以看出,随着信噪比的增大,使用波束赋形模式相比未使用波束赋形模式的时候,误码率有了明显的下降。当信噪比处于20 dB时,使用了波束赋形模式比未使用波束赋形模式的误码率降低了100倍以上,有了根本性的区别。并且从图6中可以看出,未使用波束赋形模式的2输出2输入天线模式和之前的单天线模式的曲线基本重合,可靠性几乎没有改善,但是使用了波束赋形模式后,可靠性有了明显改善。由此可见,波束赋形模式有着很强的改善通信系统可靠性的特性,所以波束赋形模式适用的场景可为小区边缘的区域以及信道改善慢的情况等通信信道条件较差的区域。

3.3 发射分集模式的仿真及结果分析

(1) 仿真设计

发射分集模式的仿真设计流程如图8所示。

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

本文主要通过对比两个在相同环境下,使用发射分集模式的两个天线的误码率的对比,判断发射分集模式适用于哪些场景。代码的主要参数选取如表1所示。

表1 发射分集模式的选取参数Tab.1 Select parameter of transmit diversity model

(2) 仿真结果分析

发射分集模式下误码率与信噪比的MATLAB仿真曲线如图9所示。

图9 发射分集模式下的误码率与信噪比仿真结果Fig.9Eb/No simulation result of transmit diversity model

图9结果显示,当系统的信噪比低于10 dB的情况下,两个天线误码率相对较高,当系统的信噪比高于10 dB时两个天线的误码率有一个明显的下降,并且两个天线的整体曲线变化趋势基本一致,在同一信噪比的情况下,误码率的值也大致相同,可见当使用了发射分集模式时,可以在信噪比较高的系统中,有较高的可靠性,并且由于采用发射分集模式可以使两天线的信噪比与误码率的变化相匹配,减少信道多径干扰带来的系统衰落对整个传输过程的影响。所以发射分集模式适用于低相关性的天线所在区域、小区切换区域以及移动速度不相同的小区边缘区域等需要让天线信噪比与误码率相匹配的区域。

4 结束语

本文对LTE系统中下行链路MIMO的三种传输模式的仿真流程进行设计,结合其数学模型,得到该模式的信噪比与误码率的仿真曲线图。通过对每种模式的仿真图进行分析,找到各个传输模式的系统信号传输特点,根据其特点分析该模式适用的环境,并得出如下结论:

(1) 当使用单天线端口0模式时,在一般的高斯白噪声的情况下,可以使系统有一个较高的可靠性,满足LTE无线通信系统可靠传输的要求;

(2) 当使用波束赋形模式的情况下,LTE无线通信系统的可靠性将会有大幅度的提高,相比未采用波束赋形模式的情况要好很多,所以波束赋形模式可用于小区边缘等系统信道相对差的状况下;

(3) 当使用发射分集模式的情况下,可以在高斯白噪声多径的条件下,使两个接收天线在相同信噪比的前提下有着几乎相同的误码率,所以使用发射分集模式适用于低相关性天线所在区域以及一些需要切换的区域,可以提升小区切换时整个系统的可靠性,有效的抵抗多径干扰衰落。

[1] 赵训威,林辉,张明.3GPP长期演进(LTE)系统架构与技术规范[M].北京:人民邮电出版社,2010.

ZHAO Xunwei,LIN Hui,ZHANG Min.3GPP long term evolution(LTE) system architecture and technical specifications[M].Beijing:Posts & Telecom Press,2010.

[2] 李莉,孙成功,王向云.LTE权威指南[M].北京:人民邮电出版社,2012.

LI Li,SUN Chengong,WANG Xiangyun.LTE authoritative guide[M].Beijing:Posts & Telecom Press,2010.

[3] 杨洋.TD-LTE与LTE FDD混合组网策略研究.信息通信[J],2015,3:194-195.

YANG Yang.Research on hybrid networking strategy of LTE and FDD TD-LTE[J].Information Communication,2015,3:194-195.

[4] 韩志刚.LTE FDD技术原理与网络规划[M].北京:人民邮电出版社,2012.

HAN Zhigang.FDD LTE technology principle and network planning[M].Beijing:Posts & Telecom Press,2010.

[5] 李晓辉,易克初,黑永强.相关MIMO信道下可变数目天线选择算法[J].系统仿真学报,2007,19(24):5759-5762.

LI Xiaohui,YI Kechu,HE Yongqiang.Variable number antenna selection algorithm for correlated MIMO channels[J].Journal of System Simulation,2007,19(24):5759-5762.

[6] 傅海阳,陈技江,曹士坷,贾向东.MIMO系统和无线信道容量研究[J].电子学报,2011,39(10):2221-2229.

FU Haiyang,CHEN Jijiang,CAO Shike,JIA Xiangdong.Research on MIMO system and wireless channel capacity[J].Electronic Journal.2011,39(10):2221-2229.

[7] 赵谦,叶秀斌.LTE下行MIMO模式自适应切换算法[J].数据采集与处理,2012,(4):462-468.

ZHAO Qian,YE Xiubin.LTE downlink MIMO mode adaptive switching algorithm[J].Data Acquisition and Processing,2012,(4):462-468.

[8] Nonchev S,Valkama M,Hamila R.Effect of high-veloci-ty scenarios on the performance of MIMO LTE packetscheduling.2011 8th International Multi-Confer-ence on Systems,Signals and Devices(SSD),2011.

[9] 林凌峰,蔡振浩,赵昆.LTE-A下行单用户MIMO增强技术研究[J].通信技术,2014(4):372-376.

LIN Linfeng,CAI Zhenhao,ZHAO Kun.Research on MIMO enhancement technology for single user in LTE-A downlink[J],2014(4):372-376.

[10] Daewon Lee,Hanbyul Seo,Clerckx,B,Hardouin,E.,Mazzarese,D.,Nagata,S.,Sayana,K.Coordinated multipoint transmission and reception in LTE-advanced:deployment scenarios and operational challenges.Communications Magazine,IEEE 2012.

[11] 常伟伟,贾楚.基于MIMO的FDD LTE无线下行链路研究[J].中国无线电,2014(3):40-42.

CHANG Weiwei,JIA Chu.Research on LTE FDD wireless downlink based on MIMO[J].China Radio,2014(3):40-42.

[12] Lei Zhang,Gang Wu,Shao Qian Li,Capacity bounds of transmit beamforming over MISO time-varying channels with imperfect feedback[J].Science China Information Sciences.2010(7).

[13] 刘金铸,薛婷.LTE系统中的空间复用MIMO技术[J].计算机应用与软件,2013,30(12):137-139.

LIU Jinzhu,XUE Ting.Spatial multiplexing MIMO technology in LTE system[J].Computer Applications and Software,2013,30(12):137-139.

[14] 唐亮军,谢显中.发射波束赋形消除感知用户对主用户干扰算法[J].吉林大学学报(信息科学版).2011,29(2):87-91.

TANG Liangjun,XIE Xianzhong.Primary user interference from cognitive user elimination algorithm based on transmit beamforming[J].Journal of Jilin University(Information Science Edition),2011,29(2):87-91.

[15] 金亮.CDMA接收机性能指标Eb/No及其他一些参数的认识和比较[J].现代电子技术,2007,30(09):44-45.

JIN Liang.Understanding and comparison ofEb/Noand other similar CDMA receiver parameters[J].Modern Electronic Technology,2007,30(09):44-45.

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

杨博雄 男(1975-),湖北洪湖人,博士,副教授,主要研究方向为物联网、移动互联网及其应用。

佟 鑫 男(1989-),北京人,硕士研究生,主要研究方向为通信工程。

TN 929.5

A

国家自然科学基金项目(编号61272364);北京师范大学珠海分校资助项目(编号201533)