一種LTE-A系統上行傳輸模式自適應算法

王健,刁洪翠,張元雨,朱宇霞

(武漢郵電科學研究院,武漢 430074)

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一種LTE-A系統上行傳輸模式自適應算法

王健,刁洪翠,張元雨,朱宇霞

(武漢郵電科學研究院,武漢 430074)

摘要:LTE-A(增強型長期演進)系統上行引入了多天線傳輸技術來解決終端天線較少的問題。在這種技術背景下,設計了一種上行傳輸模式自適應方法以提高系統性能。從傳輸模式間自適應、單雙流自適應和MU-MIMO(多用戶多輸入多輸出)與單天線傳輸之間的自適應三個方面進行了論述。系統級仿真表明,基站根據信道條件的變化選擇適當的傳輸方式可以有效地降低用戶誤碼率,提高系統吞吐量。

關鍵詞:增強型長期演進;上行;自適應;系統仿真

0　引 言

在基帶處理技術已近成熟的背景下,頻率資源日益珍貴,但人們對于上傳業務的數據量需求卻在增長,上行多天線傳輸技術通過擴展空間的傳輸維度來成倍地提高信道容量,因此成為了LTE-A(增強型長期演進)的重要組成元素。LTE R8中上行僅支持兩根天線,而且是選擇其中一根天線來發送; 在LTE-A中,即R10以后,擴展到上行最多支持4天線發送,并在PUSCH(物理上行共享信道)引入SU-MIMO(單用戶多輸入多輸出),最大可以支持兩個碼字和4層傳輸[1]。如果系統不能為UE(用戶設備)分配合適的傳輸模式,就會造成無線資源的浪費和傳輸質量的下降。

在上行模式間自適應傳統調度算法[2]中,一般聯合使用移動速度、頻譜效率、RI(秩指示)和BLER(誤塊率)這4個參數與相關閥值進行比較來完成模式切換。一方面,由于相應測量算法的局限性,參數測量的準確性不可靠;另一方面,參數之間存在相互推導的關系,計算重復且復雜,而且門限值往往都與具體環境相關,實際中難以確定,更難以保持統一性。為了解決上述問題,本文提出一種上行傳輸模式自適應算法。通過在單雙流自適應中加入一種新的中心用戶判斷,并在判斷中考慮連續兩個切換周期的傳輸環境,在MIMO正交配對中引入天線選擇的思想,改善系統判斷條件和切換機制,來提高系統的吞吐量、傳輸質量以及系統切換的穩定性。

1　傳輸模式間自適應

上行TM1(傳輸模式1)和TM2(傳輸模式2)間的切換需要根據UE測量上報的UE能力、UE支持端口數和信道質量等參數來確定。當UE為R10之前的用戶時,默認其傳輸模式為TM1,并保持不變,確保其穩定性,節約空口資源,此時系統通過DCI(下行控制信息)格式0調度,使用單碼字單層來傳輸。如果UE為R10用戶,即支持多天線傳輸的用戶,則默認其傳輸模式為TM2,系統通過DCI格式4調度,采用閉環空間復用技術初始化。對于這類用戶,讓它們繼續進行模式內切換,最終確定最適合信道環境的傳輸模式。閉環空間復用模式對傳輸環境要求高,要求有強的信道獨立性和高的信道質量,而且終端移動速度越慢越好;而單流傳輸模式對信道環境的要求則相對簡單,或用于天線間無充分空間隔離的場景。

2　傳輸模式內自適應

2.1單雙流自適應

為滿足上行峰值頻譜效率的要求,提高傳輸速率,LTE-A引入了SU-MIMO。該技術是指單用戶通過兩個傳輸天線端口傳輸不同的數據,完成與一個基站點對點的通信。它不僅可以使系統的理論容量上限隨天線數的增加而線性增大,還可以大幅提高單用戶的數據傳輸速率。

從UE有限的發射功率考慮,當上行使用兩天線時,基站接收到的經衰減的信號會更加虛弱。故在單雙流中加入了對中心用戶的判斷,具體步驟如下:選取一個UE,設定其接入小區為服務小區;讓該UE接收附近小區的RS(參考信號),同時在一定的頻帶上測量其功率,并依次上報給eNodeB(演進型節點);根據附近小區RS相關功率RSRP_n(單位為dBm)與服務小區RS相關功率RSRP_s(單位為d Bm),計算差值Δ=RSRP_s-RSRP_n(單位為dB);根據計算所得的Δ值確定該UE是否是中心用戶,判斷依據見表1。這里設置了一個緩沖區間,其好處是既保證了判斷的準確性,又為判斷帶來了穩定性。

表1　中心用戶判斷依據

判定中心用戶后,再對UE的信道質量做判斷, 將SINR(信干噪比)與閥值做比較。在SINR較低時,單流發送的鏈路吞吐量性能優于雙流,這是因為在同樣的信號發射功率下,SINR越低,噪聲的影響就越大,因而兩個數據流反而會相互牽制,導致雙流總體性能較差;而在SINR較高時,雙流發送的性能更好,而且隨著SINR的提高,雙流對應的吞吐量會隨之升高。

最后,對信道的正交性進行評估。正交性評估采用基于容量最大化秩選擇方案?；緦Σ煌琑I、PMI(預編碼矩陣指示符)和預編碼矩陣的組合情況分別進行運算,選擇容量最大的RI反饋給UE。如果R≥2,則選擇雙流傳輸,即SU-MIMO;否則,進行單流傳輸。

在綜合以上三點后,系統會得到一個傳輸優劣的判斷結果,具體流程如圖1所示。單流用戶如果在兩個連續調度周期內傳輸條件都變好,則切換到雙流;雙流用戶如果在兩個連續的調度周期內傳輸條件都變差,則切換到單流;其他情況則保持原有的單雙流傳輸模式。這里考慮了兩個周期的傳輸環境,當環境時好時壞時,系統會自我修正,防止模式間的“乒乓”切換,這樣的設計會讓單雙流的自適應切換獲得更好的穩定性。

圖1　單雙流自適應流程圖

2.2MIMO與SIMO(單輸入多輸出)的切換

上行虛擬MIMO,也稱為上行MU-MIMO(多用戶多輸入多輸出),是指多個UE使用相同的時頻資源將多個數據流發給基站的傳輸方式,多個UE的天線與基站的天線構成一個虛擬的MIMO系統。上行MU-MIMO不需要UE做特殊處理,只需選擇兩個合適的UE配對,然后為它們分配相同的資源, UE的DMRS(解調參考信號)的“循環移位”要配置成不同的值,以便上行基站處理信號時能夠把兩個UE的數據區分開。

系統首先選出一些傳輸條件相對較好的UE,然后對這些UE進行配對,如果配對成功,則采用MU-MIMO模式傳輸,否則采用SIMO模式傳輸。具體步驟如下:(1)選擇傳輸性能好的UE。比較UE的BLER、SINR和對應切換門限,選擇性能較好的UE作為MIMO配對備選UE。(2)根據某種配對準則選擇MIMO用戶對。配對準則處理隨機配對的方法有OPS(正交配對算法)和DPS(行列式配對算法)[3]。本方案采用OPS,設子載波n的復數空間信道為Hn,則2×2 MIMO信道的矩陣可表示為相應的正交因子可表示為

以某一用戶為主UE,輪詢其他滿足MIMO條件的UE,以不同UE的天線兩兩配對,選擇出正交因子最大的UE做為配對UE,并用正交性最好的天線進行單流傳輸。利用R10終端的多天線特性,不再以特定天線發送資源,而是選擇性能較好的天線進行發送。如果正交因子過小,則配對失敗,否則視為配對成功。若配對成功,則該調度UE與配對UE進行配對,兩個UE占用相同的傳輸資源,并使用MU-MIMO模式進行數據傳輸;否則,調度UE采用單天線模式進行數據傳輸。這種MIMO配對引入了天線選擇的思想,進一步提高了系統吞吐量。

3　仿真結果

使用Microsoft VS2010軟件進行系統仿真,仿真中參數設置如表2所示。

表2　LTE仿真場景參數設置

仿真場景為城市宏小區(共有7個小區),仿真業務類型為infinite buffer,每個小區由3個扇區組成。分以下兩種模擬場景進行仿真:(1)每個扇區的UE數目為25個,共計525個UE;(2)每個扇區的UE數目為20個,共計420個UE。用UE的吞吐量來衡量算法的性能,兩種場景下的吞吐量對比CDF(累積分布函數)仿真結果分別如圖2和圖3所示。

圖2　UE數為25時吞吐量對比CDF圖

由圖2可知,在相同用戶比例下,改進方案較傳統方案吞吐量更大,這說明改進方案在用戶吞吐量上有了普遍提高。根據圖中數據計算可知,改進方

圖3　UE數為20時吞吐量對比CDF圖

案的UE吞吐量比傳統方案提高了28.18%。由圖3可知,當扇區UE數變少,即每個扇區UE數變為20個時,系統中雙流用戶變少,系統的吞吐量改變不如用戶多時明顯,但仍然可以看出其增益。根據圖中數據可知,改進方案的UE吞吐量提高了約4%。

4　結束語

改進的上行傳輸自適應方法基于傳統算法,在單雙流自適應和MIMO與SIMO的自適應上進行了一些改良。在單雙流自適應過程中引入一種新的對UE位置進行判斷的方法[4],考慮用戶發送功率、信道干擾和信道自身正交性這三點,同時對于信道變化結果的判斷結合兩個連續調度周期,兼顧了實時性和穩定性;在MU-MIMO中引入天線選擇的思想,進一步增強了MIMO配對的靈活性。系統仿真結果表明,在LTE-A系統中,使用改進的上行傳輸模式自適應方法可以整體提高小區內UE的上行吞吐量,增強了基站的調度能力。

參考文獻:

[1] Sesia S,Toufik I,Bsker M.LTE/LTE-Advanced-UMTS長期演進理論與實踐[M].北京:人民郵電出版社,2012.

[2] 刁洪翠,王謳,朱宇霞,等.一種上行信道的MIMO模式內切換方法及裝置:中國,201310674428.X[P]. 2013-12-11.

[3] 3GPP TSGRAN1#43 R1-051422-2005,UL Virtual MIMO System Level Performance Evaluation for EUTRA[S].

[4] 3GPP TS 36.213 v11.3.0-2013,Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical channels and modulation[S].

無線通信技術

An Adaptive Algorithm for Uplink Transmission Mode in LTE-A Systems

WANG Jian,DIAO Hong-cui,ZHANG Yuan-yu,ZHU Yu-xia
(Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications,Wuhan 430074,China)

Abstract:A multiple antenna transmission technology is introduced in the uplink of LTE-A systems to solve the problem of the limited number of end-user antennas.In such technical background,an adaptive algorithm for uplink transmission mode is designed to improve the system performance.The adaptation is discussed in three aspects,i.e.between transmission modes, single-dual stream and between MU-MIMO and single antenna transmission.The system simulation results show that selection of proper transmission mode in line with the changes of the channel conditions for the base station can effectively reduce the user BER and improve the system throughput.

Key words:LTE-Advanced;uplink;adaptation;system simulation

中圖分類號:TN929.5

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0071-03

收稿日期:2015-06-24

作者簡介:王健(1990-),男,湖北荊州人。碩士研究生,主要研究方向為移動通信。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.021