LTE系统中MIMO传输模式性能分析与仿真

李 靖，李建海，刘玉广 ，刘东斌

（1.空军工程大学 工程学院,陕西 西安710038;2.93801部队87分队,陕西 咸阳 712201）

LTE系统中的下行MIMO技术主要包括空分复用和发射分集。空分复用提供复用增益，使得系统容量大大增加；发射分集提供分集增益，提高系统的稳定性。这两种技术对空间信道的要求不同，其应用场景也不同，在适当的场景使用恰当的MIMO技术,能够进一步提高系统容量，增加系统稳定性。

LTE下行链路采用多种MIMO技术以及链路自适应技术，更适用于移动通信的复杂信道。链路自适应使得基站能够实时地跟踪信道变化，及时提供适当的调制编码，MIMO技术使得系统容量大大增加。各种MIMO技术对空间信道的要求不同，其应用场景也有所不同。本文主要分析了各MIMO传输模式的原理，并结合自动调制编码技术对各MIMO模式的性能进行了仿真，得出各MIMO传输模式的适应环境。

1 MIMO传输模式原理分析

1.1 发射分集

发射分集码字到层的映射关系如表1所示。在LTE中，发射分集只定义于一个数据流，2个或者4个天线端口，并且层数要等于天线端口数。为最大化分集增益，天线通常需要非相关，所以它们相对波长长度有很好的分隔，或有不同的极化方向。

LTE物理层分别采用空频分组码SFBC(Space-Frequency Block Codes)和SFBC+频率切换发射分集FSTD(Frequency Switched Transmit Diversity)支持 2个和 4个发射天线端口的场景。

1.1.1 空频分组码

如果LTE的物理信道是使用两根eNode B天线的发射分集操作而配置，则可使用纯SFBC（Space Frequency Block Coding），SFBC 是空时分组码（STBC）的频域版本。设计这种码使得发射分集流是正交的，实现了线性接收机的最优信噪比，这种正交码只有在2根发射天线的情况下使用。

图1所示是典型的SFBC发射分集方案。从图中可以看出天线2的发射分集模式的传输秩为1，传输秩r=复数符号数/所占时频资源数=2/2=1,即2个复数符号在2个时频资源上传输。由于天线配置超过2×2阶就不存在正交码，为在4根天线情况下应用SFBC，不得不对其进行调整，LTE中将SFBC和FSTD结合起来实现。

1.1.2 SFBC与FSTD相结合

在4根发射天线端口情况下,使用SFBC+FSTD（Frequency Shift Transmit Diversity）的发射分集方案。该过程可以描述为图2的形式,即SFBC结合FSTD在天线间频域的转换。同2天线相似，4天线发射分集的传输秩也为1，r=4/4=1,即4个复数符号在4个时频资源上传输。

1.2 闭环空分复用

在LTE系统中，闭环空分复用是指基站在同一时刻向UE端发送1流或者2流数据。发送1流则叫闭环秩为1的空分复用，发送2流叫秩为2的空分复用，闭环空分复用也叫无循环延迟空分复用预编码。

在闭环模式下，终端通过对下行信道状态的测量选择适当的空分复用的层数目，并且从码本集合中选择预编码矩阵，分别表示为 RI(Rank Indicator)和PMI(Precoding Matrix Indicator)的形式通过上行链路反馈给基站[2]；基站根据这些信息进行预测，确定随后的下行发送中将采用的空分复用方案(包括采用的层数目和预编码矩阵)。

假设空分复用的层数为 υ，天线端口数为p，则在i时刻，对于无循环空分复用的预编码的情况，层向量x(i)=[x(0)(i)…x(υ-1)(i)]T， 向物理天线端口发射信号 y(i)=[y(0)(i)…y(p-1)(i)]T的映射可以表示为:

其中，i=0,1,…，-1,=,W(i)为p×υ阶预编码矩阵，由终端/基站从配置的码本中进行选择。

为了使基站能够更好地控制终端的行为，基站可以通过高层信令对终端在码本内能够选择的元素范围进行限制，即限制终端只能在码本中的一定范围内进行预编码矩阵（PMI）的选择，相关的机制称为码本限制子集(Codebook Subset Restrictions)[3]。

2 MIMO传输模式性能仿真与分析

根据 LTE协议[4-6]规定的具体细节，用 Matlab语言搭建TDD-LTE下行链路仿真平台并对上述MIMO传输模式进行仿真。主要仿真了在三种典型信道环境(EPA/EVA/ETU)[7]下各MIMO模式的性能，这三种扩展信道确定的应用在低、中、高多普勒频移中,即 5 Hz、70 Hz、300 Hz，这在 2.3 GHz载频中，分别对应大约 3 km/h,45 km/h,140 km/h的UE移动速度。系统带宽为1.4 MB，并假设UE占用所有的信道带宽。

2.1 发射分集(SFBC)在不同速率下的性能仿真

发射分集模式在UE不同运动速率的环境下的性能如图3和图4所示。从吞吐量曲线图（图3）可以看出，在低信噪比时（10 dB以下），UE运动速率对发射分集模式的影响不大，低速率只有1～2 dB左右的增益，当信噪比较高时（10 dB以后），速率对性能有一定的影响，但没有波束赋形模式对UE运动速率那么敏感。当UE运动速率很高时（140 km/h），在高信噪比时，系统吞吐量上不去，这主要是因为速率较高，信道变化快，导致信道估计误差比较大，而SFBC模式对信道较为敏感，当信噪比较高时，信道估计误差对性能的影响很大，从而导致性能较差。同时，从图4也可以看到，链路自适应方案保证了系统的可靠性(系统误块率都在0.1以下)的同时，也增加了系统容量。从而可以得出，发射分集模式适合工作在低信噪比的环境下，在此环境下UE运动速率对其影响不大。

2.2 闭环秩为1(CLSM1)模式在不同速率下的性能仿真

闭环秩为1的MIMO传输模式在不同速率下的性能如图5和图6所示。可以得出，闭环秩为1的空分复用适合工作在中低速的环境下。

2.3 闭环秩为2(CLSM2)模式在不同速率下的性能仿真

闭环秩为2的空分复用，即通常所说的闭环空分复用。闭环空分复用的性能曲线如图7和8所示。从吞吐量曲线图（图 7）可以看出，在高信噪比(10 dB以后)时，速度对空分复用的影响很大，比对闭环秩为1的空分复用的影响还大。从图8也可以看到，链路自适应技术保证了系统的可靠性。

本文研究了MIMO传输模式的基本原理，在TDD LTE下行链路仿真平台仿真了各种MIMO模式在不同传输信道和运动速率下的性能。结果表明,发射分集和闭环秩为1的空分复用模式适合工作在低信噪比的环境，在此环境下对UE运动速率不是很敏感。在高信噪比、低速率的情况时使用秩为2的空分复用模式能够大大提高系统容量。

[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).