一种LTE-A系统上行传输模式自适应算法

王健,刁洪翠,张元雨,朱宇霞

(武汉邮电科学研究院,武汉 430074)



一种LTE-A系统上行传输模式自适应算法

王健,刁洪翠,张元雨,朱宇霞

(武汉邮电科学研究院,武汉 430074)

摘要:LTE-A(增强型长期演进)系统上行引入了多天线传输技术来解决终端天线较少的问题。在这种技术背景下,设计了一种上行传输模式自适应方法以提高系统性能。从传输模式间自适应、单双流自适应和MU-MIMO(多用户多输入多输出)与单天线传输之间的自适应三个方面进行了论述。系统级仿真表明,基站根据信道条件的变化选择适当的传输方式可以有效地降低用户误码率,提高系统吞吐量。

关键词:增强型长期演进;上行;自适应;系统仿真

0　引 言

在基带处理技术已近成熟的背景下,频率资源日益珍贵,但人们对于上传业务的数据量需求却在增长,上行多天线传输技术通过扩展空间的传输维度来成倍地提高信道容量,因此成为了LTE-A(增强型长期演进)的重要组成元素。LTE R8中上行仅支持两根天线,而且是选择其中一根天线来发送; 在LTE-A中,即R10以后,扩展到上行最多支持4天线发送,并在PUSCH(物理上行共享信道)引入SU-MIMO(单用户多输入多输出),最大可以支持两个码字和4层传输[1]。如果系统不能为UE(用户设备)分配合适的传输模式,就会造成无线资源的浪费和传输质量的下降。

在上行模式间自适应传统调度算法[2]中,一般联合使用移动速度、频谱效率、RI(秩指示)和BLER(误块率)这4个参数与相关阀值进行比较来完成模式切换。一方面,由于相应测量算法的局限性,参数测量的准确性不可靠;另一方面,参数之间存在相互推导的关系,计算重复且复杂,而且门限值往往都与具体环境相关,实际中难以确定,更难以保持统一性。为了解决上述问题,本文提出一种上行传输模式自适应算法。通过在单双流自适应中加入一种新的中心用户判断,并在判断中考虑连续两个切换周期的传输环境,在MIMO正交配对中引入天线选择的思想,改善系统判断条件和切换机制,来提高系统的吞吐量、传输质量以及系统切换的稳定性。

1　传输模式间自适应

上行TM1(传输模式1)和TM2(传输模式2)间的切换需要根据UE测量上报的UE能力、UE支持端口数和信道质量等参数来确定。当UE为R10之前的用户时,默认其传输模式为TM1,并保持不变,确保其稳定性,节约空口资源,此时系统通过DCI(下行控制信息)格式0调度,使用单码字单层来传输。如果UE为R10用户,即支持多天线传输的用户,则默认其传输模式为TM2,系统通过DCI格式4调度,采用闭环空间复用技术初始化。对于这类用户,让它们继续进行模式内切换,最终确定最适合信道环境的传输模式。闭环空间复用模式对传输环境要求高,要求有强的信道独立性和高的信道质量,而且终端移动速度越慢越好;而单流传输模式对信道环境的要求则相对简单,或用于天线间无充分空间隔离的场景。

2　传输模式内自适应

2.1单双流自适应

为满足上行峰值频谱效率的要求,提高传输速率,LTE-A引入了SU-MIMO。该技术是指单用户通过两个传输天线端口传输不同的数据,完成与一个基站点对点的通信。它不仅可以使系统的理论容量上限随天线数的增加而线性增大,还可以大幅提高单用户的数据传输速率。

从UE有限的发射功率考虑,当上行使用两天线时,基站接收到的经衰减的信号会更加虚弱。故在单双流中加入了对中心用户的判断,具体步骤如下:选取一个UE,设定其接入小区为服务小区;让该UE接收附近小区的RS(参考信号),同时在一定的频带上测量其功率,并依次上报给eNodeB(演进型节点);根据附近小区RS相关功率RSRP_n(单位为dBm)与服务小区RS相关功率RSRP_s(单位为d Bm),计算差值Δ=RSRP_s-RSRP_n(单位为dB);根据计算所得的Δ值确定该UE是否是中心用户,判断依据见表1。这里设置了一个缓冲区间,其好处是既保证了判断的准确性,又为判断带来了稳定性。

表1　中心用户判断依据

判定中心用户后,再对UE的信道质量做判断, 将SINR(信干噪比)与阀值做比较。在SINR较低时,单流发送的链路吞吐量性能优于双流,这是因为在同样的信号发射功率下,SINR越低,噪声的影响就越大,因而两个数据流反而会相互牵制,导致双流总体性能较差;而在SINR较高时,双流发送的性能更好,而且随着SINR的提高,双流对应的吞吐量会随之升高。

最后,对信道的正交性进行评估。正交性评估采用基于容量最大化秩选择方案。基站对不同RI、PMI(预编码矩阵指示符)和预编码矩阵的组合情况分别进行运算,选择容量最大的RI反馈给UE。如果R≥2,则选择双流传输,即SU-MIMO;否则,进行单流传输。

在综合以上三点后,系统会得到一个传输优劣的判断结果,具体流程如图1所示。单流用户如果在两个连续调度周期内传输条件都变好,则切换到双流;双流用户如果在两个连续的调度周期内传输条件都变差,则切换到单流;其他情况则保持原有的单双流传输模式。这里考虑了两个周期的传输环境,当环境时好时坏时,系统会自我修正,防止模式间的“乒乓”切换,这样的设计会让单双流的自适应切换获得更好的稳定性。

图1　单双流自适应流程图

2.2MIMO与SIMO(单输入多输出)的切换

上行虚拟MIMO,也称为上行MU-MIMO(多用户多输入多输出),是指多个UE使用相同的时频资源将多个数据流发给基站的传输方式,多个UE的天线与基站的天线构成一个虚拟的MIMO系统。上行MU-MIMO不需要UE做特殊处理,只需选择两个合适的UE配对,然后为它们分配相同的资源, UE的DMRS(解调参考信号)的“循环移位”要配置成不同的值,以便上行基站处理信号时能够把两个UE的数据区分开。

系统首先选出一些传输条件相对较好的UE,然后对这些UE进行配对,如果配对成功,则采用MU-MIMO模式传输,否则采用SIMO模式传输。具体步骤如下:(1)选择传输性能好的UE。比较UE的BLER、SINR和对应切换门限,选择性能较好的UE作为MIMO配对备选UE。(2)根据某种配对准则选择MIMO用户对。配对准则处理随机配对的方法有OPS(正交配对算法)和DPS(行列式配对算法)[3]。本方案采用OPS,设子载波n的复数空间信道为Hn,则2×2 MIMO信道的矩阵可表示为相应的正交因子可表示为

以某一用户为主UE,轮询其他满足MIMO条件的UE,以不同UE的天线两两配对,选择出正交因子最大的UE做为配对UE,并用正交性最好的天线进行单流传输。利用R10终端的多天线特性,不再以特定天线发送资源,而是选择性能较好的天线进行发送。如果正交因子过小,则配对失败,否则视为配对成功。若配对成功,则该调度UE与配对UE进行配对,两个UE占用相同的传输资源,并使用MU-MIMO模式进行数据传输;否则,调度UE采用单天线模式进行数据传输。这种MIMO配对引入了天线选择的思想,进一步提高了系统吞吐量。

3　仿真结果

使用Microsoft VS2010软件进行系统仿真,仿真中参数设置如表2所示。

表2　LTE仿真场景参数设置

仿真场景为城市宏小区(共有7个小区),仿真业务类型为infinite buffer,每个小区由3个扇区组成。分以下两种模拟场景进行仿真:(1)每个扇区的UE数目为25个,共计525个UE;(2)每个扇区的UE数目为20个,共计420个UE。用UE的吞吐量来衡量算法的性能,两种场景下的吞吐量对比CDF(累积分布函数)仿真结果分别如图2和图3所示。

图2　UE数为25时吞吐量对比CDF图

由图2可知,在相同用户比例下,改进方案较传统方案吞吐量更大,这说明改进方案在用户吞吐量上有了普遍提高。根据图中数据计算可知,改进方

图3　UE数为20时吞吐量对比CDF图

案的UE吞吐量比传统方案提高了28.18%。由图3可知,当扇区UE数变少,即每个扇区UE数变为20个时,系统中双流用户变少,系统的吞吐量改变不如用户多时明显,但仍然可以看出其增益。根据图中数据可知,改进方案的UE吞吐量提高了约4%。

4　结束语

改进的上行传输自适应方法基于传统算法,在单双流自适应和MIMO与SIMO的自适应上进行了一些改良。在单双流自适应过程中引入一种新的对UE位置进行判断的方法[4],考虑用户发送功率、信道干扰和信道自身正交性这三点,同时对于信道变化结果的判断结合两个连续调度周期,兼顾了实时性和稳定性;在MU-MIMO中引入天线选择的思想,进一步增强了MIMO配对的灵活性。系统仿真结果表明,在LTE-A系统中,使用改进的上行传输模式自适应方法可以整体提高小区内UE的上行吞吐量,增强了基站的调度能力。

参考文献:

[1] Sesia S,Toufik I,Bsker M.LTE/LTE-Advanced-UMTS长期演进理论与实践[M].北京:人民邮电出版社,2012.

[2] 刁洪翠,王讴,朱宇霞,等.一种上行信道的MIMO模式内切换方法及装置:中国,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].

无线通信技术

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

中图分类号:TN929.5

文献标志码:A

文章编号:1005-8788(2016)01-0071-03

收稿日期:2015-06-24

作者简介:王健(1990-),男,湖北荆州人。硕士研究生,主要研究方向为移动通信。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.021