一种LTE系统中多天线传输模式切换算法的研究

温金芳

一种LTE系统中多天线传输模式切换算法的研究

温金芳

为能快速适应信道的变化情况，LTE系统在多天线传输过程中引入了模式切换的技术。模式切换过程中，LTE系统需要根据用户UE上报的CQI值进行模式切换和资源分配，而CQI值则是基于系统获取的RI值计算得到的。针对LTE系统中上报的RI值和实际使用的RI值可能不一致的情况，提出一种基于CQI重构的模式切换算法，并以LTE系统中典型的TM3传输模式的模式内切换为例进行仿真分析。结果表明，与固定传输模式、常规自适应模式切换相比，采用该算法可改善系统BLER性能指标，提高LTE系统的吞吐量。

LTE；多天线；CQI；模式切换

0 引言

基于多天线传输技术能充分利用空间资源，增加无线信道的有效带宽，有效提高通信系统的容量的特点，LTE系统采用了该技术以满足其在高数据速率和高系统容量方面的需求[1]。在实际无线环境中，由于终端的移动造成了信道状况的不断变化，此时若采用单一的多天线传输模式很难使系统工作在高效的状态，于是LTE系统引入了自适应多天线技术，使基站根据用户UE的CQI（信道质量指示）值等反馈信息对不同的信道状态可以自适应切换传输模式[2]，从而有效提高系统容量。

1 CQI的上报

CQI用来指示用户当前的信道质量。在LTE系统中，所有的多天线传输模式都需要CQI的上报，从而为频率选择性调度，调制编码方式的选择提供依据。CQI的测量是基于RI和PMI的。其中，RI用来指示用户采用的多天线传输层数，对于传输模式TM3、TM4需要RI的上报，其他传输模式下，RI默认为1，不需上报[3]。PMI用来指示用户采用的预编码矩阵索引，每一个索引对应一个预编码矩阵。对于传输模式TM4、TM5、TM6存在PMI上报，对于传输模式TM3，eNB和UE事先约定好采用的预编码矩阵，而其他模式不存在预编码矩阵。一般来说，当同时存在CQI/PMI/RI上报时，UE先测量得到RI值，然后根据RI选择合适的PMI，最后根据PMI结合信道响应得到CQI值。

多天线模式切换和CQI的上报模式密切相关，因为模式切换所需要的参考信息如接收端CQI、RI等都需要UE向基站反馈。在设计多天线模式切换算法时，需要考虑CQI/RI上报模式因素。例如，当用户工作在模式TM3时，若上报RI=1，那么用户上报的CQI就是基于RI=1的，但如果经过基站统计信道信息判决此时应该采用RI=2，即上报的RI值和实际使用的RI值不一致时，则需要对CQI值进行重构处理。

2 基于CQI重构的多天线模式切换算法

以LTE系统在实际场景中的一种典型传输模式TM3为例进行算法设计和分析。传输模式TM3是一种开环的多天线传输方案，采用的预编码矩阵是eNB和UE事先约定好的，主要适用于UE移动速度较高的场景[4]。TM3存在两种多天线传输方式，包括RI为1（即信道矩阵的秩rank=1）的传输分集和RI为2（即信道矩阵的秩rank=2）的开环空间复用[5,6]，此时的模式内切换主要涉及rank=1和rank=2之间的自适应切换。当上报的RI值与实际使用的RI值不一致时，需要对CQI进行重构，以提高切换性能。

2.1 TM3中CQI值重构的基本思想

传输模式TM3是一种开环的MIMO方式，不需要UE反馈PMI，当UE上报的RI值与系统实际使用的RI值不一致时，重构CQI值的基本思想是这样的，若上报rank=2，而实际使用rank=1，此时上报的CQI值比实际使用的CQI值偏低，主要体现在两个方面：一是rank=1时每根天线的发送功率为1，rank=2时每根天线的发送功率为1/2，二是rank=1时不存在层间干扰，rank=2时存在层间干扰，因此计算得到的信噪比会偏低，在实际重构时需要将MCS(Modulation and Coding Scheme，调制编码等级)进行提升。若上报rank=1而实际使用的rank=2，此时上报的CQI值比实际使用的CQI值偏高，为了保守起见，需要将信噪比降低6dB左右，对应的MCS等级也需要降低6个等级。同时，为了避免在SDM时使用过高的MCS等级，在算法设计时即使用户上报rank=2且实际使用rank=2时，也需要将MCS等级强制性降低。需要注意的是，在每次发生模式内切换后，所有与CQI修正相关的参数都应该清零。

2.2 CQI重构的过程

CQI的关键参数是信道中的信噪比（SNR），在描述当上报的RI值和实际使用的RI值不一致时CQI重构过程之前，先定义以下变量。

dec_snr_12：当UE上报rank=1但实际采用rank=2时的信噪比减量，具体的信噪比减

量为0.2* dec_snr_12；

dec_snr_11：当UE上报rank=1但实际采用rank=1时的信噪比减量，具体的信噪比减

量为0.2* dec_snr_11；

add_snr_21：当UE上报rank=2但实际采用rank=1时的信噪比减量，具体的信噪比增

量为0.2* add_snr_21；

dec_snr_22：当UE上报rank=2但实际采用rank=2时的信噪比减量，具体的信噪比减

量为0.2* dec_snr_22。

CQI值的具体重构过程如下：

（1）if（UE上报rank=1&&eNB判定UE采用rank=2的开环空间复用）

信噪比=修正后的信噪比-0.2* dec_snr_12；

（2）elseif（UE上报rank=2&& eNB判定UE采用rank=1的传输分集）

信噪比=修正后的信噪比-0.2* dec_snr_11；

（3）elseif（UE上报rank=2&& eNB判定UE采用rank=2的开环空间复用）

信噪比=修正后的信噪比+0.2* add_snr_21；

（4）elseif（UE上报rank=1&& eNB判定UE采用rank=1的传输分集）

信噪比=修正后的信噪比-0.2* dec_snr_22；

（5）end

2.3 基于CQI重构的多天线模式切换算法

在传输模式TM3的rank=2的开环空间复用传输方式中，由于两个码字上的信息在两个端口上轮流发送，因此两个码字的CQI值相同并且BLER也相同，在统计时只需要记录一个码字的CQI值及BLER（误块率）值即可。模式切换算法分两种情况描述如下。

2.3.1 当前模式为rank=1的传输分集

（1）如果当前采用的多天线传输模式为rank=1的传输分集，则当用户上报rank=1且重构后CQI值对应的信噪比大于切换门限，且累计初始的BLER值小于发生切换时的初始BLER门限时，系统中相应移位寄存器（用来存储待应用多天线传输模式，1表示rank=1的传输分集模式，2表rank=2的开环空间复用模式）存储的值置为2；

（2）当用户上报rank=2且重构后的CQI值对应的信噪比大于切换门限，同时累计初始的BLER值小于发生切换时的初始BLER门限时，系统中相应移位寄存器存储的值置为2；

（3）传输模式发生切换，系统将rank=1的传输分集模式切换到rank=2的开环空间复用模式；

（4）CQI值相关参数清零，累计初始BLER值清零。

2.3.1 当前模式为rank=2的开环空间复用

（1）如果当前采用的多天线传输模式为rank=2的开环空间复用，则当用户上报rank=2且重构后CQI值对应的信噪比小于切换门限，或累计初始的BLER值大于发生切换时的初始BLER门限时，系统中相应移位寄存器存储的值置为1；

（2）当用户上报rank=1且重构后的CQI值对应的信噪比小于切换门限，同时累计初始的BLER值大于发生切换时的初始BLER门限时，系统中相应移位寄存器存储的值置为1；

（3）传输模式发生切换，系统将rank=2的开环空间复用模式切换到rank=1的传输分集模式；

（4）CQI值相关参数清零，累计初始BLER值清零。

3.仿真与性能分析

为分析和比较传输模式TM3中采用固定传输模式、常规自适应模式切换和基于CQI值重构的自适应切换方案的性能，对这几种多天线传输方案进行仿真，基本参数如表1所示：

表1 仿真基本参数表

对采用不同传输模式的系统进行系统误块率BLER和系统吞吐量Throughput进行仿真。需要说明的是，由于采用的是典型的ETU70信道模型，而UTE信道的多径时延扩展较大，若频域采用LS算法会使信道估计出现较大的误差[7]，因此应当采用LSMMSE1D的信道估计算法，仿真结果如图1和图2所示：

图1 三种不同多天线传输方案的BLER对比

图2 三种不同多天线传输方案的吞吐量对比

从图1中可以看出，在典型的ETU70信道环境下，采用基于CQI重构的多天线切换模式，其系统BLER值小于固定传输模式和常规自适应切换模式，尤其是在信道质量较差，信噪比较小（图1中小于5dB时）的情况下，其BLER指标明显优于另外两种传输方式。而从图2中可以看出，采用基于CQI重构的多天线切换模式，其系统吞吐量大于固定传输模式和常规自适应切换模式，尤其是在信道质量较好，信噪比较大（图2中大于20dB时）的情况下，其吞吐量指标明显优于另外两种传输方式。

4.总结

本文对LTE系统中的多天线传输切换方法进行了研究，在算法设计中考虑到用户的信道条件，针对LTE系统中上报的RI值和实际使用的RI值不一致的情况，提出基于CQI重构的模式切换算法，并以LTE系统中典型的传输模式TM3的模式内切换为例进行仿真分析。从实验结果来看，该算法在网络仿真环境下能改善LTE系统的BLER指标，并可有效提高LTE系统的吞吐量。

[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系统中MIMO发射模式应用研究[J]. 电子世界, 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模式自适应切换技术的研究[D].武汉:武汉理工大学, 2014.

[6] 袁弋非. LTE/LTE-Advanced关键技术与系统性能[M].北京:人民邮电出版社, 2013:97-101.

[7] 李宝良. 基于TD-LTE的MIMO模式选择算法的研究[D].西安:西安电子大学, 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）

河南省高等学校重点科研项目（16A510019）黄淮学院青年教师科研能力提升计划项目（201512705）

温金芳（1985-），女，山西平遥人，黄淮学院信息工程系，助教，硕士。研究方向：通信信号处理、天线与移动通信技术，驻马店 463000