《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁 > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 設(shè)計應(yīng)用 > LTE系統(tǒng)中MIMO傳輸模式性能分析與仿真
LTE系統(tǒng)中MIMO傳輸模式性能分析與仿真
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第10期
李 靖1， 李建海1， 劉玉廣1， 劉東斌2
1. 空軍工程大學(xué) 工程學(xué)院, 陜西 西安710038; 2. 93801部隊87分隊, 陜西 咸陽 712201
摘要： LTE協(xié)議中雖然規(guī)定了多種MIMO模式的傳輸方案，但并沒有給出各自的適應(yīng)環(huán)境。為此對各種MIMO模式進行分析仿真驗證，得出各自的適應(yīng)環(huán)境具有非常大的意義。主要分析了LTE協(xié)議中的三種MIMO傳輸模式，分別是發(fā)射分集、閉環(huán)秩為1的空分復(fù)用和閉環(huán)秩為2的空分復(fù)用，經(jīng)過仿真驗證得出了各自的使用環(huán)境。
中圖分類號： TN925
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)10-0103-03
Analysis of performance and emulator of the MIMO transmission mode in LTE system
Li Jing1, Li Jianhai1, Liu Yuguang1, Liu Dongbin2
1. Engineering College， Airforce Engineering University, Xi’an 710038, China; 2. No. 93801 Unit, Xianyang 712201, China
Abstract： LTE protocol provides for a variety of MIMO mode of transmission, but did not give their own adaptation to the environment. Therefore, a variety of MIMO mode simulation, and draw their own adaptation to the environment has a very large significance. This paper analyzes the LTE protocol 3 MIMO transmission mode, namely, transmit diversity and closed loop with rank 1 space division multiplexing and closed-loop rank 2 space division multiplexing, and the simulation obtained their the use of the environment.
Key words : MIMO; transmission mode; transmit diversity; spatial multiplexing

    LTE系統(tǒng)中的下行MIMO技術(shù)主要包括空分復(fù)用和發(fā)射分集?？辗謴?fù)用提供復(fù)用增益，使得系統(tǒng)容量大大增加；發(fā)射分集提供分集增益，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這兩種技術(shù)對空間信道的要求不同，其應(yīng)用場景也不同，在適當?shù)膱鼍笆褂们‘數(shù)腗IMO技術(shù),能夠進一步提高系統(tǒng)容量，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

    LTE下行鏈路采用多種MIMO技術(shù)以及鏈路自適應(yīng)技術(shù)，更適用于移動通信的復(fù)雜信道。鏈路自適應(yīng)使得基站能夠?qū)崟r地跟蹤信道變化，及時提供適當?shù)恼{(diào)制編碼，MIMO技術(shù)使得系統(tǒng)容量大大增加。各種MIMO技術(shù)對空間信道的要求不同，其應(yīng)用場景也有所不同。本文主要分析了各MIMO傳輸模式的原理，并結(jié)合自動調(diào)制編碼技術(shù)對各MIMO模式的性能進行了仿真，得出各MIMO傳輸模式的適應(yīng)環(huán)境。
1 MIMO傳輸模式原理分析
1.1 發(fā)射分集
    發(fā)射分集碼字到層的映射關(guān)系如表1所示。在LTE中，發(fā)射分集只定義于一個數(shù)據(jù)流，2個或者4個天線端口，并且層數(shù)要等于天線端口數(shù)。為最大化分集增益，天線通常需要非相關(guān)，所以它們相對波長長度有很好的分隔，或有不同的極化方向。

    LTE物理層分別采用空頻分組碼SFBC(Space-Frequency Block Codes)和SFBC+頻率切換發(fā)射分集FSTD(Frequency Switched Transmit Diversity)支持2個和4個發(fā)射天線端口的場景。
1.1.1 空頻分組碼
    如果LTE的物理信道是使用兩根eNode B天線的發(fā)射分集操作而配置，則可使用純SFBC（Space Frequency Block Coding），SFBC是空時分組碼（STBC）的頻域版本。設(shè)計這種碼使得發(fā)射分集流是正交的，實現(xiàn)了線性接收機的最優(yōu)信噪比，這種正交碼只有在2根發(fā)射天線的情況下使用。
    圖1所示是典型的SFBC發(fā)射分集方案。從圖中可以看出天線2的發(fā)射分集模式的傳輸秩為1，傳輸秩r=復(fù)數(shù)符號數(shù)/所占時頻資源數(shù)=2/2=1,即2個復(fù)數(shù)符號在2個時頻資源上傳輸。由于天線配置超過2×2階就不存在正交碼，為在4根天線情況下應(yīng)用SFBC，不得不對其進行調(diào)整，LTE中將SFBC和FSTD結(jié)合起來實現(xiàn)。

1.1.2 SFBC與FSTD相結(jié)合
    在4根發(fā)射天線端口情況下,使用SFBC+FSTD（Frequency Shift Transmit Diversity）的發(fā)射分集方案。該過程可以描述為圖2的形式,即SFBC結(jié)合FSTD在天線間頻域的轉(zhuǎn)換。同2天線相似，4天線發(fā)射分集的傳輸秩也為1，r=4/4=1,即4個復(fù)數(shù)符號在4個時頻資源上傳輸。

1.2 閉環(huán)空分復(fù)用
    在LTE系統(tǒng)中，閉環(huán)空分復(fù)用是指基站在同一時刻向UE端發(fā)送1流或者2流數(shù)據(jù)。發(fā)送1流則叫閉環(huán)秩為1的空分復(fù)用，發(fā)送2流叫秩為2的空分復(fù)用，閉環(huán)空分復(fù)用也叫無循環(huán)延遲空分復(fù)用預(yù)編碼。
    在閉環(huán)模式下，終端通過對下行信道狀態(tài)的測量選擇適當?shù)目辗謴?fù)用的層數(shù)目，并且從碼本集合中選擇預(yù)編碼矩陣，分別表示為RI(Rank Indicator)和PMI(Precoding Matrix Indicator)的形式通過上行鏈路反饋給基站[2]；基站根據(jù)這些信息進行預(yù)測，確定隨后的下行發(fā)送中將采用的空分復(fù)用方案(包括采用的層數(shù)目和預(yù)編碼矩陣)。

    為了使基站能夠更好地控制終端的行為，基站可以通過高層信令對終端在碼本內(nèi)能夠選擇的元素范圍進行限制，即限制終端只能在碼本中的一定范圍內(nèi)進行預(yù)編碼矩陣（PMI）的選擇，相關(guān)的機制稱為碼本限制子集(Codebook Subset Restrictions)[3]。
2 MIMO傳輸模式性能仿真與分析
    根據(jù)LTE協(xié)議[4-6]規(guī)定的具體細節(jié)，用Matlab語言搭建TDD-LTE下行鏈路仿真平臺并對上述MIMO傳輸模式進行仿真。主要仿真了在三種典型信道環(huán)境(EPA/EVA/ETU)[7]下各MIMO模式的性能，這三種擴展信道確定的應(yīng)用在低、中、高多普勒頻移中,即5 Hz、70 Hz、300 Hz， 這在2.3 GHz載頻中， 分別對應(yīng)大約3 km/h, 45 km/h,140 km/h的UE移動速度。系統(tǒng)帶寬為1.4 MB，并假設(shè)UE占用所有的信道帶寬。
2.1 發(fā)射分集(SFBC)在不同速率下的性能仿真
    發(fā)射分集模式在UE不同運動速率的環(huán)境下的性能如圖3和圖4所示。從吞吐量曲線圖（圖3）可以看出，在低信噪比時（10 dB以下），UE運動速率對發(fā)射分集模式的影響不大，低速率只有1~2 dB左右的增益，當信噪比較高時（10 dB以后），速率對性能有一定的影響，但沒有波束賦形模式對UE運動速率那么敏感。當UE運動速率很高時（140 km/h），在高信噪比時，系統(tǒng)吞吐量上不去，這主要是因為速率較高，信道變化快，導(dǎo)致信道估計誤差比較大，而SFBC模式對信道較為敏感，當信噪比較高時，信道估計誤差對性能的影響很大，從而導(dǎo)致性能較差。同時，從圖4也可以看到，鏈路自適應(yīng)方案保證了系統(tǒng)的可靠性(系統(tǒng)誤塊率都在0.1以下)的同時，也增加了系統(tǒng)容量。從而可以得出，發(fā)射分集模式適合工作在低信噪比的環(huán)境下，在此環(huán)境下UE運動速率對其影響不大。

2.2 閉環(huán)秩為1(CLSM1)模式在不同速率下的性能仿真
      閉環(huán)秩為1的MIMO傳輸模式在不同速率下的性能如圖5和圖6所示。可以得出，閉環(huán)秩為1的空分復(fù)用適合工作在中低速的環(huán)境下。

2.3 閉環(huán)秩為2(CLSM2)模式在不同速率下的性能仿真
      閉環(huán)秩為2的空分復(fù)用，即通常所說的閉環(huán)空分復(fù)用。閉環(huán)空分復(fù)用的性能曲線如圖7和8所示。從吞吐量曲線圖（圖7）可以看出，在高信噪比(10 dB以后)時，速度對空分復(fù)用的影響很大，比對閉環(huán)秩為1的空分復(fù)用的影響還大。從圖8也可以看到，鏈路自適應(yīng)技術(shù)保證了系統(tǒng)的可靠性。

 

 

    本文研究了MIMO傳輸模式的基本原理，在TDD LTE下行鏈路仿真平臺仿真了各種MIMO模式在不同傳輸信道和運動速率下的性能。結(jié)果表明,發(fā)射分集和閉環(huán)秩為1的空分復(fù)用模式適合工作在低信噪比的環(huán)境，在此環(huán)境下對UE運動速率不是很敏感。在高信噪比、低速率的情況時使用秩為2的空分復(fù)用模式能夠大大提高系統(tǒng)容量。
參考文獻
[1] DAHLMAN E,PARKVALL S,SKOLD J,et al.3G evolution：HSPA and LTE for mobile broadband.-2nd ed[M]. Published  by Elsevier Ltd, 2008:93-96,120-123.
[2] Fu Weihong, Zhang Fei, Guo Yantao, et al. Research on the selection algorithm of precoding matrix in TDD LTE[C]. 2011 3rd IEEE International Conference on Communication Software and Networks (ICCSN 2011), Xi'an, China, May, 2011:365-368.
[3] ADHIKARI S. Critical analysis of multi-antenna systems in the LTE downlink[C]. IEEE International Conference on Internet Multimedia Services Architecture and Applications, 2009.
[4] 3GPP TS 36.211. Technical Specification Group Radio Access Network. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Channels and Modulation (Release  8).[EB/OL].(2009-06-xx).http://www.3gpp.org.
[5] 3GPP TS 36.212. Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Multiplexing and channel coding (Release 8).[EB/OL].(2009-06-xx). http://www.3gpp.org.
[6] 3GPP TS 36.213. Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Physical layer procedures (Release 8)[EB/OL]. (2009-06-xx).http://www.3gpp.org.
[7] Ericsson, Nokia, Motorola, Rohde & Schwarz. R4-070572:Proposal for LTE Channel Models[Z].www.3gpp.org, 3GPP TSG RAN WG4,meeting 43, Kobe, Japan,2007(5).

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。