《電子技術應用》
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LTE系統(tǒng)中MIMO傳輸模式性能分析與仿真
來源：電子技術應用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 工程學院, 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的空分復用和閉環(huán)秩為2的空分復用，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技術主要包括空分復用和發(fā)射分集?？辗謴陀锰峁陀迷鲆妫沟孟到y(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。這兩種技術對空間信道的要求不同，其應用場景也不同，在適當?shù)膱鼍笆褂们‘數(shù)腗IMO技術,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技術以及鏈路自適應技術，更適用于移動通信的復雜信道。鏈路自適應使得基站能夠實時地跟蹤信道變化，及時提供適當?shù)恼{制編碼，MIMO技術使得系統(tǒng)容量大大增加。各種MIMO技術對空間信道的要求不同，其應用場景也有所不同。本文主要分析了各MIMO傳輸模式的原理，并結合自動調制編碼技術對各MIMO模式的性能進行了仿真，得出各MIMO傳輸模式的適應環(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，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=復數(shù)符號數(shù)/所占時頻資源數(shù)=2/2=1,即2個復數(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根天線情況下應用SFBC，不得不對其進行調整，LTE中將SFBC和FSTD結合起來實現(xiàn)。

1.1.2 SFBC與FSTD相結合
    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結合FSTD在天線間頻域的轉換。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個復數(shù)符號在4個時頻資源上傳輸。

1.2 閉環(huán)空分復用
    在LTE系統(tǒng)中，閉環(huán)空分復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的空分復用，發(fā)送2流叫秩為2的空分復用，閉環(huán)空分復用也叫無循環(huán)延遲空分復用預編碼。
    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)目辗謴陀玫膶訑?shù)目，并且從碼本集合中選擇預編碼矩陣，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)這些信息進行預測，確定隨后的下行發(fā)送中將采用的空分復用方案(包括采用的層數(shù)目和預編碼矩陣)。

    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進行預編碼矩陣（PMI）的選擇，相關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，從而導致性能較差。同時，從圖4也可以看到，鏈路自適應方案保證了系統(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?？梢缘贸觯]環(huán)秩為1的空分復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的空分復用，即通常所說的閉環(huán)空分復用。閉環(huán)空分復用的性能曲線如圖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，速度對空分復用的影響很大，比對閉環(huán)秩為1的空分復用的影響還大。從圖8也可以看到，鏈路自適應技術保證了系統(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。結果表明,發(fā)射分集和閉環(huán)秩為1的空分復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的空分復用模式能夠大大提高系統(tǒng)容量。
參考文獻
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[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.
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[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).

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