一種LTE系統中多天線傳輸模式切換算法的研究

溫金芳

一種LTE系統中多天線傳輸模式切換算法的研究

溫金芳

為能快速適應信道的變化情況，LTE系統在多天線傳輸過程中引入了模式切換的技術。模式切換過程中，LTE系統需要根據用戶UE上報的CQI值進行模式切換和資源分配，而CQI值則是基于系統獲取的RI值計算得到的。針對LTE系統中上報的RI值和實際使用的RI值可能不一致的情況，提出一種基于CQI重構的模式切換算法，并以LTE系統中典型的TM3傳輸模式的模式內切換為例進行仿真分析。結果表明，與固定傳輸模式、常規自適應模式切換相比，采用該算法可改善系統BLER性能指標，提高LTE系統的吞吐量。

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，有效提高通信系統的容量的特點，LTE系統采用了該技術以滿足其在高數據速率和高系統容量方面的需求[1]。在實際無線環境中，由于終端的移動造成了信道狀況的不斷變化，此時若采用單一的多天線傳輸模式很難使系統工作在高效的狀態，于是LTE系統引入了自適應多天線技術，使基站根據用戶UE的CQI（信道質量指示）值等反饋信息對不同的信道狀態可以自適應切換傳輸模式[2]，從而有效提高系統容量。

1 CQI的上報

CQI用來指示用戶當前的信道質量。在LTE系統中，所有的多天線傳輸模式都需要CQI的上報，從而為頻率選擇性調度，調制編碼方式的選擇提供依據。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，對于傳輸模式TM3、TM4需要RI的上報，其他傳輸模式下，RI默認為1，不需上報[3]。PMI用來指示用戶采用的預編碼矩陣索引，每一個索引對應一個預編碼矩陣。對于傳輸模式TM4、TM5、TM6存在PMI上報，對于傳輸模式TM3，eNB和UE事先約定好采用的預編碼矩陣，而其他模式不存在預編碼矩陣。一般來說，當同時存在CQI/PMI/RI上報時，UE先測量得到RI值，然后根據RI選擇合適的PMI，最后根據PMI結合信道響應得到CQI值。

多天線模式切換和CQI的上報模式密切相關，因為模式切換所需要的參考信息如接收端CQI、RI等都需要UE向基站反饋。在設計多天線模式切換算法時，需要考慮CQI/RI上報模式因素。例如，當用戶工作在模式TM3時，若上報RI=1，那么用戶上報的CQI就是基于RI=1的，但如果經過基站統計信道信息判決此時應該采用RI=2，即上報的RI值和實際使用的RI值不一致時，則需要對CQI值進行重構處理。

2 基于CQI重構的多天線模式切換算法

以LTE系統在實際場景中的一種典型傳輸模式TM3為例進行算法設計和分析。傳輸模式TM3是一種開環的多天線傳輸方案，采用的預編碼矩陣是eNB和UE事先約定好的，主要適用于UE移動速度較高的場景[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）的開環空間復用[5,6]，此時的模式內切換主要涉及rank=1和rank=2之間的自適應切換。當上報的RI值與實際使用的RI值不一致時，需要對CQI進行重構，以提高切換性能。

2.1 TM3中CQI值重構的基本思想

傳輸模式TM3是一種開環的MIMO方式，不需要UE反饋PMI，當UE上報的RI值與系統實際使用的RI值不一致時，重構CQI值的基本思想是這樣的，若上報rank=2，而實際使用rank=1，此時上報的CQI值比實際使用的CQI值偏低，主要體現在兩個方面：一是rank=1時每根天線的發送功率為1，rank=2時每根天線的發送功率為1/2，二是rank=1時不存在層間干擾，rank=2時存在層間干擾，因此計算得到的信噪比會偏低，在實際重構時需要將MCS(Modulation and Coding Scheme，調制編碼等級)進行提升。若上報rank=1而實際使用的rank=2，此時上報的CQI值比實際使用的CQI值偏高，為了保守起見，需要將信噪比降低6dB左右，對應的MCS等級也需要降低6個等級。同時，為了避免在SDM時使用過高的MCS等級，在算法設計時即使用戶上報rank=2且實際使用rank=2時，也需要將MCS等級強制性降低。需要注意的是，在每次發生模式內切換后，所有與CQI修正相關的參數都應該清零。

2.2 CQI重構的過程

CQI的關鍵參數是信道中的信噪比（SNR），在描述當上報的RI值和實際使用的RI值不一致時CQI重構過程之前，先定義以下變量。

dec_snr_12：當UE上報rank=1但實際采用rank=2時的信噪比減量，具體的信噪比減

量為0.2* dec_snr_12；

dec_snr_11：當UE上報rank=1但實際采用rank=1時的信噪比減量，具體的信噪比減

量為0.2* dec_snr_11；

add_snr_21：當UE上報rank=2但實際采用rank=1時的信噪比減量，具體的信噪比增

量為0.2* add_snr_21；

dec_snr_22：當UE上報rank=2但實際采用rank=2時的信噪比減量，具體的信噪比減

量為0.2* dec_snr_22。

CQI值的具體重構過程如下：

（1）if（UE上報rank=1&&eNB判定UE采用rank=2的開環空間復用）

信噪比=修正后的信噪比-0.2* dec_snr_12；

（2）elseif（UE上報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rank=2&& eNB判定UE采用rank=2的開環空間復用）

信噪比=修正后的信噪比+0.2* add_snr_21；

（4）elseif（UE上報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重構的多天線模式切換算法

在傳輸模式TM3的rank=2的開環空間復用傳輸方式中，由于兩個碼字上的信息在兩個端口上輪流發送，因此兩個碼字的CQI值相同并且BLER也相同，在統計時只需要記錄一個碼字的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 當前模式為rank=1的傳輸分集

（1）如果當前采用的多天線傳輸模式為rank=1的傳輸分集，則當用戶上報rank=1且重構后CQI值對應的信噪比大于切換門限，且累計初始的BLER值小于發生切換時的初始BLER門限時，系統中相應移位寄存器（用來存儲待應用多天線傳輸模式，1表示rank=1的傳輸分集模式，2表rank=2的開環空間復用模式）存儲的值置為2；

（2）當用戶上報rank=2且重構后的CQI值對應的信噪比大于切換門限，同時累計初始的BLER值小于發生切換時的初始BLER門限時，系統中相應移位寄存器存儲的值置為2；

（3）傳輸模式發生切換，系統將rank=1的傳輸分集模式切換到rank=2的開環空間復用模式；

（4）CQI值相關參數清零，累計初始BLER值清零。

2.3.1 當前模式為rank=2的開環空間復用

（1）如果當前采用的多天線傳輸模式為rank=2的開環空間復用，則當用戶上報rank=2且重構后CQI值對應的信噪比小于切換門限，或累計初始的BLER值大于發生切換時的初始BLER門限時，系統中相應移位寄存器存儲的值置為1；

（2）當用戶上報rank=1且重構后的CQI值對應的信噪比小于切換門限，同時累計初始的BLER值大于發生切換時的初始BLER門限時，系統中相應移位寄存器存儲的值置為1；

（3）傳輸模式發生切換，系統將rank=2的開環空間復用模式切換到rank=1的傳輸分集模式；

（4）CQI值相關參數清零，累計初始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、常規自適應模式切換和基于CQI值重構的自適應切換方案的性能，對這幾種多天線傳輸方案進行仿真，基本參數如表1所示：

表1 仿真基本參數表

對采用不同傳輸模式的系統進行系統誤塊率BLER和系統吞吐量Throughput進行仿真。需要說明的是，由于采用的是典型的ETU70信道模型，而UTE信道的多徑時延擴展較大，若頻域采用LS算法會使信道估計出現較大的誤差[7]，因此應當采用LSMMSE1D的信道估計算法，仿真結果如圖1和圖2所示：

圖1 三種不同多天線傳輸方案的BLER對比

圖2 三種不同多天線傳輸方案的吞吐量對比

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

4.總結

本文對LTE系統中的多天線傳輸切換方法進行了研究，在算法設計中考慮到用戶的信道條件，針對LTE系統中上報的RI值和實際使用的RI值不一致的情況，提出基于CQI重構的模式切換算法，并以LTE系統中典型的傳輸模式TM3的模式內切換為例進行仿真分析。從實驗結果來看，該算法在網絡仿真環境下能改善LTE系統的BLER指標，并可有效提高LTE系統的吞吐量。

[1] ZHANG Bijun, ZHAO Songyi. A Robust DL MUMIMO Algorithm and UE Specific SINR Compensation Mechanism in LTE -A [J]. Telecommunication Engineering,2015,55(9):984-991.

[2] 芮 立. LTE系統中MIMO發射模式應用研究[J]. 電子世界, 2015,30(14):181-183.

[3] Wang An-chun, Xiao Liang, Zhou Shi-dong,etal. Dynamic Resource Management in the fourth Generation Wireless System[C]// ICCT2003, Beijing: IEEE, 2003, vol.2,pp.1095-1098.

[4] Capozzi F, Piro G, Grieco L. Downlink packet scheduling in lte cellular networks: Key design issues and a survey[J]. IEEE Communications Surveys &Tutorials,2013, 15(2):678-700.

[5] 王 琳. LTE下行MIMO模式自適應切換技術的研究[D].武漢:武漢理工大學, 2014.

[6] 袁弋非. LTE/LTE-Advanced關鍵技術與系統性能[M].北京:人民郵電出版社, 2013:97-101.

[7] 李寶良. 基于TD-LTE的MIMO模式選擇算法的研究[D].西安:西安電子大學, 2014.

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）

河南省高等學校重點科研項目（16A510019）黃淮學院青年教師科研能力提升計劃項目（201512705）

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