基于MIMO参数优化提升下载速率的研究与应用

2015-04-13李国强杨敏华

移动通信 2015年21期

李国强，杨敏华

（1.中国移动通信集团山东有限公司网络部，山东济南 257091；2.中国移动通信集团山东有限公司东营分公司，山东东营 257300）

1 引言

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）技术是LTE的关键技术之一，该技术在不改变系统带宽和天线功率的情况下能够成倍地提高空口吞吐率和频谱利用率。在移动通信设备中，需要通过MIMO相关参数控制传输模式的转换，在繁杂的无线环境下，不同的传输模式对速率的影响很大。通过对MIMO参数门限的设置来提升双流占比对网络优化至关重要，但盲目提升双流占比也会造成误块率（Bler）过大、重传现象增多等问题。

现网中MIMO 相关参数设置时存在的问题主要有：

（1）缺乏易于推广的优化方法及经验。

（2）现网中MIMO相关参数大都是设备仿真默认值，未经过系统优化，非最佳值，双流占比偏低，有一定的优化空间。

本文通过对MIMO相关参数进行优化实验，旨在寻找MIMO参数的合理门限和优化方法，并对其可行性和推广性进行验证。

2 基本原理

2.1 MIMO技术原理

MIMO技术的原理为：在通信系统的收发两端使用多天线技术完成信号的发射与接收，从而在不改变系统带宽和天线发射功率的情况下，大大提升系统网络容量、速率传输及频谱效率。

如图1所示，收发机两端均安装有多根天线，其中发射端天线数目为m，接收端天线数目为n。在数据传输的过程中，发射端先对信源数据进行空时编码，产生m个信息子流，每一个信息子流经过m个天线同时间、同频率发射，经过空间信道后，在接收端由n个天线接收，接收端通过信号叠加和空时处理解调出发射端的原始信号。如果各收发天线的通道互不相关，就可以在多路并行信道上同时传送数据，以实现在相同频谱资源和功率设置的前提下网络容量和传输速率的成倍提升。MIMO技术大致分为两类，即空间分集和空分复用：空间分集是指存在衰落特性独立的多根天线上发送相同信号，从而获得分集增益，可提高传输信息的可靠性；空分复用是在相互独立的空间信道上同时完成不同数据的发送，可提高数据传输的效率。

图1 MIMO工作原理

2.2 传输模式

MIMO利用多天线技术提升频谱效率，主要的多天线技术有：分集、空间复用及波束赋形。3GPP在Release 9中规定了8种天线传输模式，分别为：

（1）TM1（单天线传输）：数据在单根天线上进行传送，主要应用于单通道室分系统。

（2）TM2（发射分集）：采用SFBC（Space Frequency Block Code，空频块码）进行编码，在相互独立的空间信道上同时完成相同数据的发送，可产生分集增益，提高数据传输的可靠性，主要应用于无线环境较差的场景，也可用于高速移动场景。

（3）TM3（开环空间复用）：不需要终端反馈PMI（Pre-coding Matrix Indicator，预编码矩阵指示）等信道信息，基站通过预先定义的信道信息进行预编码，采用大时延CDD（Cyclic Delay Diversity，循环延迟分集）的方式进行发送，主要用于无线环境较好的场景，可提升吞吐率。

（4）TM4（闭环空间复用）：基站通过终端反馈的PMI等信道信息进行预编码处理以产生空间独立性，主要适用于无线环境较好且移动速度较低的场景，可提升传输速率。

（5）TM5（多用户MIMO）：发射端使用相同的时频资源将多个数据流同时发送给多个用户，接收端采用多根天线对接收到的干扰数据流进行清除和过滤，可以用来提高小区的容量。

（6）TM6（单层闭环空间复用）：当U E 反馈Rank=1时，为适应当前的信道情况，发射端使用单层预编码的方式进行编码，主要适合于小区边缘的场景。

（7）TM7（单流波束赋形）：基于Port 5的单流波束赋形，发射端依据上行信号的情况来预估下行信道的特征，每根天线在进行下行信号发送时候乘以一定的特征权值，从而实现天线阵列发射信号的波束赋形，主要用于无线环境较差的场景，可较好地对抗干扰。

（8）TM8（双流波束赋形）：Port7/8双流波束赋形，结合只能天线技术和空间复用，实现多路信号的波束赋形，不但提高了终端接收到的信号强度，又能提升速率，一举两得，主要应用于无线环境较差的场景，如小区中部区域或者边缘区域。

2.3 模式转换参数

目前中移动LTE 网络中采用的传输模式主要是TM2、TM3、TM7、TM8，影响这些传输模式的因素主要有CQI（Channel Quality Indicator，信道质量指示）和RI（rank indication，秩指示）。可通过设备上MIMO相关参数来控制在不同网络环境下使用不同的传输模式，现网主要采用TM3/TM7自适应和TM3/TM8自适应，以及TM3模式内单双流转换，其中TM3内的单流相当于3GPP协议规定的TM2，是同一概念的不同表述。

如图2所示，模式间的转换主要通过设置CQI的上下门限决定，大于上门限时使用TM3，小于下门限时使用波束赋形TM7或者TM8，门限值设置越高，TM3使用的几率越大。而TM3模式内单双流转换由CQI和RI共同控制，只有当CQI和RI都大于上门限时才会使用双流空分复用，同时满足CQI小于下门限或者RI小于下门限其中任意一项，都会使用单流，设置值越高，越容易占用单流。

图2 传输模式转换相关MIMO参数

3 参数方案

由于处于LTE网络建网初期，现网还存在一定网络质量问题，当发生模式间转换时很容易掉线，因此现网中并未打开模式间转换开关，主要使用TM3单双流。

因RI参数门限对网络指标的影响情况不易控制，因此使用默认值RI值。为寻找CQI的最佳设置门限，制定了如下的实验方案：

（1）在默认RI值的情况下，将CQI的上/下门限设置为最小值1/1，尽量让网络使用双流。

（2）在默认RI值的情况下，将CQI的上/下门限设置为最大值16/16，尽量让网络使用单流。

（3）3GPP协议TS 36.213中规定调制编码效率会随着CQI的增大而升高，也就是说，下载速率会随着CQI的增大而提升，如表1所示：

从理论上分析，在CQI 较高时（无线环境较好），使用双流传输时的下载速率是使用单流传输时的2倍，但随着CQI变差（无线环境变差），使用双流传输比使用单流传输可靠性要差，误码率要高，两者之间的速率差距逐渐降低，甚至在CQI小到一定程度时，双流传输速率要低于单流传输速率。因此，通过对上述两种方案CQI和速率作图，会得出速率随着CQI增大而提升的图，并且当达到某个CQI值时，单流和双流会交叉，如图3所示。设置的CQI门限值低于交叉点时，使用单流的速率要优于双流；高于交叉点时，双流的速率要优于单流。因此，可以认为此交叉点为TM3模式内转换的最佳设置值。