FDD-LTE系統(tǒng)中下行鏈路MIMO傳輸模式的研究與仿真

楊博雄, 佟 鑫

(1.北京師范大學(xué) 珠海分校 信息技術(shù)學(xué)院,廣東 珠海 519087;2.北京師范大學(xué) 研究生院 珠海分院,廣東 珠海 519087)

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FDD-LTE系統(tǒng)中下行鏈路MIMO傳輸模式的研究與仿真

楊博雄1,2, 佟 鑫2

(1.北京師范大學(xué) 珠海分校 信息技術(shù)學(xué)院,廣東 珠海 519087;2.北京師范大學(xué) 研究生院 珠海分院,廣東 珠海 519087)

LTE是當(dāng)前4G移動通信網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù),它分為TD-LTE和FDD-LTE兩種工作模式,其中FDD-LTE主要采用了OFDM正交頻分復(fù)用和MIMO等關(guān)鍵技術(shù),顯著提升了頻譜效率,提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。本文對FDD-LTE無線通信系統(tǒng)中MIMO下行傳輸模式進(jìn)行研究,對其中的單天線端口0模式、波束賦形模式以及空間分集三種傳輸模式的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了探討,并在此基礎(chǔ)上建立與之對應(yīng)的仿真模型。最后在MATLAB平臺下通過對系統(tǒng)仿真模型所得到的不同模式下的信噪比結(jié)果進(jìn)行討論與比較,通過仿真結(jié)果分析三種傳輸模式各自優(yōu)缺點,并給出各自適用的具體應(yīng)用場景。

FDD-LTE; MIMO; 波束賦形; 發(fā)射分集; 模式仿真

1 引 言

LTE(Long Term Evolution,長期演進(jìn))是由3GPP(The 3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴計劃)組織制定的UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移動通信系統(tǒng))技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長期演進(jìn)[1]。LTE分為TD-LTE和FDD-LTE兩種工作模式,其中FDD采用頻分雙工技術(shù)實現(xiàn)在兩個不同的頻帶(1755-1765MHz和1850-1860MHz)進(jìn)行上行和下行通信。FDD-LTE系統(tǒng)引入了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復(fù)用)和MIMO(Multi-Input & Multi-Output,多輸入多輸出)等關(guān)鍵技術(shù),顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率[2]。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)是在發(fā)射端和接收端分別設(shè)置多副發(fā)射天線和接收天線,將多發(fā)送天線與多接收天線相結(jié)合以改善每個用戶的通信質(zhì)量(如差錯率)或提高通信效率(如數(shù)據(jù)速率)[3]。

在LTE系統(tǒng)下行物理層處理過程中,MIMO技術(shù)主要涉及到層映射和預(yù)編碼兩部分的處理,層映射主要是根據(jù)傳輸?shù)拇a字(單碼字或雙碼字)和傳輸層數(shù)(發(fā)射端天線數(shù)量)將數(shù)據(jù)流映射到不同的傳輸層。預(yù)編碼則主要是使傳輸?shù)男盘柛玫仄ヅ湫诺罈l件,以獲得更好的傳輸質(zhì)量[4]。其中FDD-LTE下行鏈路MIMO傳輸模式常用的模式有單天線端口0模式、波束賦形模式、發(fā)射分集模式、閉環(huán)空間復(fù)用模式、閉環(huán)Rank=1預(yù)編碼模式、多用戶MU-MIMO模式和開環(huán)空間復(fù)用模式等[5]。

本文主要對DD-LTE下行鏈路MIMO傳輸模式中的單天線端口0模式、波束賦形模式、發(fā)射分集模式三種工作模式進(jìn)行研究,設(shè)計基于MATLAB平臺的實驗仿真方法,并對仿真結(jié)果進(jìn)行研究與比較,根據(jù)研究結(jié)果給出三種傳輸模式的具體適用場景。

2 傳輸模式及其模型分析

2.1 單天線端口0模式

當(dāng)系統(tǒng)基站采用單天線端口0模式時,除了PDSCH(Physical Downlink Shared Channel,物理下行共享信道)外,每個用戶端都需要采用這種傳輸模式,其它系統(tǒng)下行鏈路信道也都會采用這種模式進(jìn)行信號的傳輸[6]。采用單端口0模式傳輸時映射的層數(shù)是1,碼字流的個數(shù)也是1,層映射的函數(shù)如下式所示:

2.2 波束賦形模式

波束賦形是一種基于天線陣列信號的預(yù)處理技術(shù),通過調(diào)整天線陣列的每個陣列加權(quán)系數(shù),產(chǎn)生具有指向性的波束,從而增加天線陣列的增益[8]。當(dāng)基站使用單天線端口5模式時,通過使用上行與下行的無線傳輸信道相互對稱性,并根據(jù)系統(tǒng)對信道估計或者上行鏈路收到的信號來估算每個UE的賦形的加權(quán)矢量,所以單天線端口5模式又被稱之為基于非碼書的波束賦形模式[9]。

波束賦形模式理論思想就是采用了空間信道的強相關(guān)性,使用信號相互干涉理論,發(fā)出的信號具有很強的方向性,讓信號的主瓣可以自動的對準(zhǔn)UE方向,因此可以增加無線通信系統(tǒng)的信噪比,提升整個系統(tǒng)的容量,并且擴(kuò)大了整個系統(tǒng)可以覆蓋到的范圍[10]。波束賦形模式有兩個核心計算方法:一個是空間相關(guān)矩陣的計算,另一個是賦形權(quán)矢量計算[11]。

2.3 發(fā)射分集模式

發(fā)射傳輸分集模式主要是采用了空間信道的弱相關(guān)性,同時融合了頻率和時間上的選擇性,為信號的傳輸提供了多種方法,使無線通信系統(tǒng)的安全性得到加強,提高了整個系統(tǒng)的信噪比,有助于提升系統(tǒng)的覆蓋范圍[12]。在FDD-LTE無線傳輸中,傳輸分集采用空頻編碼?？疹l編碼是在空間和頻率上對信號進(jìn)行編碼,即同一個OFDM符號的幾個子信道承擔(dān)一組碼。該編碼同時獲得空間分集和頻率分集[13]。在當(dāng)通信系統(tǒng)的傳輸模式采用發(fā)射分集模式,系統(tǒng)僅能對其中的一個碼字流進(jìn)行分集,可兼容eNodeB(Evolved NodeB)端兩個天線或者四個天線的設(shè)置。因為必須使系統(tǒng)天線的數(shù)量P與映射層的數(shù)量υ相同,所以預(yù)編碼中層的數(shù)量規(guī)定是2或者4層[14]。層映射參數(shù)可參考圖1所示。

圖1 波束賦形模式的層映射參數(shù)Fig.1 Layer mapping parameters of beamforming model

3 仿真結(jié)果及分析

在數(shù)字無線通信系統(tǒng)中,信噪比一般用來描述移動終端的數(shù)字調(diào)制器或者譯碼器輸出端的每比特的平均信號能量與單位頻帶內(nèi)的噪聲功率比Eb/No,Eb為每比特信號能量,No為噪聲功率譜密度,所以又稱為能量信噪比。一般使用信噪比與誤碼概率Pe曲線來表示不同的數(shù)字調(diào)制和解調(diào)或者不同類型信道編碼譯碼對通信質(zhì)量影響的優(yōu)劣[15]。

本文利用MATLAB平臺對這三種傳輸模式的原理進(jìn)行實驗仿真的流程設(shè)計和參數(shù)選取,并給出不同傳輸模式下的誤碼率與信噪比Pe仿真曲線圖。

3.1 單天線端口0模式的仿真

(1) 仿真設(shè)計

單天線端口0傳輸模式的系統(tǒng)仿真設(shè)計流程如圖2所示。

其中仿真代碼的實現(xiàn)參數(shù)主要依據(jù)圖3所示來進(jìn)行選取。

圖2 單天線端口0模式的仿真流程Fig.2 Simulation process of single antenna port 0 model

圖3 單天線端口0模式的選取參數(shù)Fig.3 Select parameter of single antenna port 0 model

(2) 仿真結(jié)果分析

依據(jù)圖2的仿真流程和圖3所示的參數(shù),在MATLAB平臺上對單天線端口0模式進(jìn)行模擬仿真,仿真曲線如圖4所示。

圖4 單天線端口0模式的誤碼率與信噪比仿真結(jié)果Fig.4Eb/No simulation result of single antenna port 0 model

從圖4可以看出,當(dāng)系統(tǒng)信噪比小于2時,誤碼率相對較高,當(dāng)系統(tǒng)信噪比在2到5之間時,誤碼率的快速減小,但是還是很高,當(dāng)信噪比大于5時,誤碼率基本控制在了一個比較低的值的范圍,波動也很小趨于平穩(wěn)。一般性能優(yōu)秀的通信系統(tǒng)都有較高的信噪比,在高斯白噪聲的情況下,通信系統(tǒng)下行鏈路使用單天線端口0模式的時候,可以保證一個很低的誤碼率,可靠性得以保證,滿足通信的條件。

3.2 波束賦形模式的仿真

(1) 仿真設(shè)計

波束賦形模式下通信系統(tǒng)的系統(tǒng)模擬仿真流程設(shè)計如圖5所示。

圖5 波束賦形模式的仿真流程Fig.5 Simulation process of beamforming model

在本仿真實驗中,本文通過對比未使用波束賦形模式和使用波束賦形模式的誤碼率與信噪比的圖像,判斷使了波束賦形模式適用于哪些場景中。代碼的主要參數(shù)選取依據(jù)如圖6所示。

圖6 波束賦形模式的選取參數(shù)Fig.6 Select parameter of beamforming model

(2) 仿真結(jié)果分析

波束賦形模式系統(tǒng)誤碼率和信噪比的MATLAB仿真曲線如圖7所示。

圖7 波束賦形模式系統(tǒng)的誤碼率與信噪比仿真結(jié)果Fig.7 Eb/No simulation result of beamforming model

從圖7可以看出,隨著信噪比的增大,使用波束賦形模式相比未使用波束賦形模式的時候,誤碼率有了明顯的下降。當(dāng)信噪比處于20 dB時,使用了波束賦形模式比未使用波束賦形模式的誤碼率降低了100倍以上,有了根本性的區(qū)別。并且從圖6中可以看出,未使用波束賦形模式的2輸出2輸入天線模式和之前的單天線模式的曲線基本重合,可靠性幾乎沒有改善,但是使用了波束賦形模式后,可靠性有了明顯改善。由此可見,波束賦形模式有著很強的改善通信系統(tǒng)可靠性的特性,所以波束賦形模式適用的場景可為小區(qū)邊緣的區(qū)域以及信道改善慢的情況等通信信道條件較差的區(qū)域。

3.3 發(fā)射分集模式的仿真及結(jié)果分析

(1) 仿真設(shè)計

發(fā)射分集模式的仿真設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 發(fā)射分集模式的仿真流程Fig.8 Simulation process of transmit diversity model

本文主要通過對比兩個在相同環(huán)境下,使用發(fā)射分集模式的兩個天線的誤碼率的對比,判斷發(fā)射分集模式適用于哪些場景。代碼的主要參數(shù)選取如表1所示。

表1 發(fā)射分集模式的選取參數(shù)Tab.1 Select parameter of transmit diversity model

(2) 仿真結(jié)果分析

發(fā)射分集模式下誤碼率與信噪比的MATLAB仿真曲線如圖9所示。

圖9 發(fā)射分集模式下的誤碼率與信噪比仿真結(jié)果Fig.9Eb/No simulation result of transmit diversity model

圖9結(jié)果顯示,當(dāng)系統(tǒng)的信噪比低于10 dB的情況下,兩個天線誤碼率相對較高,當(dāng)系統(tǒng)的信噪比高于10 dB時兩個天線的誤碼率有一個明顯的下降,并且兩個天線的整體曲線變化趨勢基本一致,在同一信噪比的情況下,誤碼率的值也大致相同,可見當(dāng)使用了發(fā)射分集模式時,可以在信噪比較高的系統(tǒng)中,有較高的可靠性,并且由于采用發(fā)射分集模式可以使兩天線的信噪比與誤碼率的變化相匹配,減少信道多徑干擾帶來的系統(tǒng)衰落對整個傳輸過程的影響。所以發(fā)射分集模式適用于低相關(guān)性的天線所在區(qū)域、小區(qū)切換區(qū)域以及移動速度不相同的小區(qū)邊緣區(qū)域等需要讓天線信噪比與誤碼率相匹配的區(qū)域。

4 結(jié)束語

本文對LTE系統(tǒng)中下行鏈路MIMO的三種傳輸模式的仿真流程進(jìn)行設(shè)計,結(jié)合其數(shù)學(xué)模型,得到該模式的信噪比與誤碼率的仿真曲線圖。通過對每種模式的仿真圖進(jìn)行分析,找到各個傳輸模式的系統(tǒng)信號傳輸特點,根據(jù)其特點分析該模式適用的環(huán)境,并得出如下結(jié)論:

(1) 當(dāng)使用單天線端口0模式時,在一般的高斯白噪聲的情況下,可以使系統(tǒng)有一個較高的可靠性,滿足LTE無線通信系統(tǒng)可靠傳輸?shù)囊?

(2) 當(dāng)使用波束賦形模式的情況下,LTE無線通信系統(tǒng)的可靠性將會有大幅度的提高,相比未采用波束賦形模式的情況要好很多,所以波束賦形模式可用于小區(qū)邊緣等系統(tǒng)信道相對差的狀況下;

(3) 當(dāng)使用發(fā)射分集模式的情況下,可以在高斯白噪聲多徑的條件下,使兩個接收天線在相同信噪比的前提下有著幾乎相同的誤碼率,所以使用發(fā)射分集模式適用于低相關(guān)性天線所在區(qū)域以及一些需要切換的區(qū)域,可以提升小區(qū)切換時整個系統(tǒng)的可靠性,有效的抵抗多徑干擾衰落。

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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

楊博雄 男(1975-),湖北洪湖人,博士,副教授,主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用。

佟 鑫 男(1989-),北京人,碩士研究生,主要研究方向為通信工程。

TN 929.5

A

國家自然科學(xué)基金項目(編號61272364);北京師范大學(xué)珠海分校資助項目(編號201533)