李國強(qiáng)，楊敏華

（1.中國移動通信集團(tuán)山東有限公司網(wǎng)絡(luò)部，山東 濟(jì)南 257091；2.中國移動通信集團(tuán)山東有限公司東營分公司，山東 東營 257300）

1 引言

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）技術(shù)是LTE的關(guān)鍵技術(shù)之一，該技術(shù)在不改變系統(tǒng)帶寬和天線功率的情況下能夠成倍地提高空口吞吐率和頻譜利用率。在移動通信設(shè)備中，需要通過MIMO相關(guān)參數(shù)控制傳輸模式的轉(zhuǎn)換，在繁雜的無線環(huán)境下，不同的傳輸模式對速率的影響很大。通過對MIMO參數(shù)門限的設(shè)置來提升雙流占比對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化至關(guān)重要，但盲目提升雙流占比也會造成誤塊率（Bler）過大、重傳現(xiàn)象增多等問題。

現(xiàn)網(wǎng)中MIMO 相關(guān)參數(shù)設(shè)置時存在的問題主要有：

（1）缺乏易于推廣的優(yōu)化方法及經(jīng)驗(yàn)。

（2）現(xiàn)網(wǎng)中MIMO相關(guān)參數(shù)大都是設(shè)備仿真默認(rèn)值，未經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化，非最佳值，雙流占比偏低，有一定的優(yōu)化空間。

本文通過對MIMO相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，旨在尋找MIMO參數(shù)的合理門限和優(yōu)化方法，并對其可行性和推廣性進(jìn)行驗(yàn)證。

2 基本原理

2.1 MIMO技術(shù)原理

MIMO技術(shù)的原理為：在通信系統(tǒng)的收發(fā)兩端使用多天線技術(shù)完成信號的發(fā)射與接收，從而在不改變系統(tǒng)帶寬和天線發(fā)射功率的情況下，大大提升系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)容量、速率傳輸及頻譜效率。

如圖1所示，收發(fā)機(jī)兩端均安裝有多根天線，其中發(fā)射端天線數(shù)目為m，接收端天線數(shù)目為n。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，發(fā)射端先對信源數(shù)據(jù)進(jìn)行空時編碼，產(chǎn)生m個信息子流，每一個信息子流經(jīng)過m個天線同時間、同頻率發(fā)射，經(jīng)過空間信道后，在接收端由n個天線接收，接收端通過信號疊加和空時處理解調(diào)出發(fā)射端的原始信號。如果各收發(fā)天線的通道互不相關(guān)，就可以在多路并行信道上同時傳送數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)在相同頻譜資源和功率設(shè)置的前提下網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸速率的成倍提升。MIMO技術(shù)大致分為兩類，即空間分集和空分復(fù)用：空間分集是指存在衰落特性獨(dú)立的多根天線上發(fā)送相同信號，從而獲得分集增益，可提高傳輸信息的可靠性；空分復(fù)用是在相互獨(dú)立的空間信道上同時完成不同數(shù)據(jù)的發(fā)送，可提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

圖1 MIMO工作原理

2.2 傳輸模式

MIMO利用多天線技術(shù)提升頻譜效率，主要的多天線技術(shù)有：分集、空間復(fù)用及波束賦形。3GPP在Release 9中規(guī)定了8種天線傳輸模式，分別為：

（1）TM1（單天線傳輸）：數(shù)據(jù)在單根天線上進(jìn)行傳送，主要應(yīng)用于單通道室分系統(tǒng)。

（2）TM2（發(fā)射分集）：采用SFBC（Space Frequency Block Code，空頻塊碼）進(jìn)行編碼，在相互獨(dú)立的空間信道上同時完成相同數(shù)據(jù)的發(fā)送，可產(chǎn)生分集增益，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕饕獞?yīng)用于無線環(huán)境較差的場景，也可用于高速移動場景。

（3）TM3（開環(huán)空間復(fù)用）：不需要終端反饋PMI（Pre-coding Matrix Indicator，預(yù)編碼矩陣指示）等信道信息，基站通過預(yù)先定義的信道信息進(jìn)行預(yù)編碼，采用大時延CDD（Cyclic Delay Diversity，循環(huán)延遲分集）的方式進(jìn)行發(fā)送，主要用于無線環(huán)境較好的場景，可提升吞吐率。

（4）TM4（閉環(huán)空間復(fù)用）：基站通過終端反饋的PMI等信道信息進(jìn)行預(yù)編碼處理以產(chǎn)生空間獨(dú)立性，主要適用于無線環(huán)境較好且移動速度較低的場景，可提升傳輸速率。

（5）TM5（多用戶MIMO）：發(fā)射端使用相同的時頻資源將多個數(shù)據(jù)流同時發(fā)送給多個用戶，接收端采用多根天線對接收到的干擾數(shù)據(jù)流進(jìn)行清除和過濾，可以用來提高小區(qū)的容量。

（6）TM6（單層閉環(huán)空間復(fù)用）：當(dāng)U E 反饋Rank=1時，為適應(yīng)當(dāng)前的信道情況，發(fā)射端使用單層預(yù)編碼的方式進(jìn)行編碼，主要適合于小區(qū)邊緣的場景。

（7）TM7（單流波束賦形）：基于Port 5的單流波束賦形，發(fā)射端依據(jù)上行信號的情況來預(yù)估下行信道的特征，每根天線在進(jìn)行下行信號發(fā)送時候乘以一定的特征權(quán)值，從而實(shí)現(xiàn)天線陣列發(fā)射信號的波束賦形，主要用于無線環(huán)境較差的場景，可較好地對抗干擾。

（8）TM8（雙流波束賦形）：Port7/8雙流波束賦形，結(jié)合只能天線技術(shù)和空間復(fù)用，實(shí)現(xiàn)多路信號的波束賦形，不但提高了終端接收到的信號強(qiáng)度，又能提升速率，一舉兩得，主要應(yīng)用于無線環(huán)境較差的場景，如小區(qū)中部區(qū)域或者邊緣區(qū)域。

2.3 模式轉(zhuǎn)換參數(shù)

目前中移動LTE 網(wǎng)絡(luò)中采用的傳輸模式主要是TM2、TM3、TM7、TM8，影響這些傳輸模式的因素主要有CQI（Channel Quality Indicator，信道質(zhì)量指示）和RI（rank indication，秩指示）。可通過設(shè)備上MIMO相關(guān)參數(shù)來控制在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用不同的傳輸模式，現(xiàn)網(wǎng)主要采用TM3/TM7自適應(yīng)和TM3/TM8自適應(yīng)，以及TM3模式內(nèi)單雙流轉(zhuǎn)換，其中TM3內(nèi)的單流相當(dāng)于3GPP協(xié)議規(guī)定的TM2，是同一概念的不同表述。

如圖2所示，模式間的轉(zhuǎn)換主要通過設(shè)置CQI的上下門限決定，大于上門限時使用TM3，小于下門限時使用波束賦形TM7或者TM8，門限值設(shè)置越高，TM3使用的幾率越大。而TM3模式內(nèi)單雙流轉(zhuǎn)換由CQI和RI共同控制，只有當(dāng)CQI和RI都大于上門限時才會使用雙流空分復(fù)用，同時滿足CQI小于下門限或者RI小于下門限其中任意一項(xiàng)，都會使用單流，設(shè)置值越高，越容易占用單流。

圖2 傳輸模式轉(zhuǎn)換相關(guān)MIMO參數(shù)

3 參數(shù)方案

由于處于LTE網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)初期，現(xiàn)網(wǎng)還存在一定網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量問題，當(dāng)發(fā)生模式間轉(zhuǎn)換時很容易掉線，因此現(xiàn)網(wǎng)中并未打開模式間轉(zhuǎn)換開關(guān)，主要使用TM3單雙流。

因RI參數(shù)門限對網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的影響情況不易控制，因此使用默認(rèn)值RI值。為尋找CQI的最佳設(shè)置門限，制定了如下的實(shí)驗(yàn)方案：

（1）在默認(rèn)RI值的情況下，將CQI的上/下門限設(shè)置為最小值1/1，盡量讓網(wǎng)絡(luò)使用雙流。

（2）在默認(rèn)RI值的情況下，將CQI的上/下門限設(shè)置為最大值16/16，盡量讓網(wǎng)絡(luò)使用單流。

（3）3GPP協(xié)議TS 36.213中規(guī)定調(diào)制編碼效率會隨著CQI的增大而升高，也就是說，下載速率會隨著CQI的增大而提升，如表1所示：

從理論上分析，在CQI 較高時（無線環(huán)境較好），使用雙流傳輸時的下載速率是使用單流傳輸時的2倍，但隨著CQI變差（無線環(huán)境變差），使用雙流傳輸比使用單流傳輸可靠性要差，誤碼率要高，兩者之間的速率差距逐漸降低，甚至在CQI小到一定程度時，雙流傳輸速率要低于單流傳輸速率。因此，通過對上述兩種方案CQI和速率作圖，會得出速率隨著CQI增大而提升的圖，并且當(dāng)達(dá)到某個CQI值時，單流和雙流會交叉，如圖3所示。設(shè)置的CQI門限值低于交叉點(diǎn)時，使用單流的速率要優(yōu)于雙流；高于交叉點(diǎn)時，雙流的速率要優(yōu)于單流。因此，可以認(rèn)為此交叉點(diǎn)為TM3模式內(nèi)轉(zhuǎn)換的最佳設(shè)置值。

圖3 單雙流分析理論示意圖

（4）設(shè)置不同的CQI門限值，驗(yàn)證通過上述方法確定的設(shè)置值是否為最佳值。

4 試驗(yàn)效果

（1）通過上述方案步驟（1）、（2），根據(jù)路測數(shù)據(jù)采樣做CQI與速率的關(guān)系如圖4所示，在CQI=4的時候出現(xiàn)交叉點(diǎn)，也就是CQI=5的時候用雙流效果較好。根據(jù)此分析，有兩種參數(shù)設(shè)置方式：激進(jìn)方式：將CQI上/下門限設(shè)置為5/4；保守方式：將CQI上/下門限設(shè)置為6/5。

圖4 單雙流與速率關(guān)系圖

（2）從表2中不同參數(shù)設(shè)置對比可以看出，當(dāng)設(shè)置保守方式和激進(jìn)方式時，雙流占比明顯提升，速率最高，證明此方法可行。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時，推薦保守設(shè)置，能適當(dāng)提升邊緣用戶的感知。

表2 不同MIMO設(shè)置值外場對比

（3）此參數(shù)的設(shè)置是否合理還需要通過網(wǎng)管統(tǒng)計(jì)來確認(rèn)，如表3所示。從網(wǎng)管統(tǒng)計(jì)接通率、掉話率及切換成功率指標(biāo)對比，參數(shù)修改前后對統(tǒng)計(jì)指標(biāo)影響不大。

表3 網(wǎng)管統(tǒng)計(jì)對比

（4）MIMO參數(shù)設(shè)置對網(wǎng)絡(luò)流量也有一定的影響，如表4所示，參數(shù)修改前后，試驗(yàn)區(qū)域一周日均流量提升顯著，由42.09GB提高至45.31GB，提升近10%。

表4 用戶流量對比

5 結(jié)束語

本次試驗(yàn)通過研究MIMO相關(guān)CQI參數(shù)門限優(yōu)化的方法，成功找到優(yōu)化區(qū)域合理的參數(shù)門限，對速率的提升比較明顯。

中國移動目前已完成TD-LTE大規(guī)模部署，未來的幾年，TD-LTE將承擔(dān)起中國移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展和用戶感知體驗(yàn)的重任。后續(xù)LTE優(yōu)化將是中國移動的重點(diǎn)工作，而速率又對用戶感知的影響最為直接，因此MIMO參數(shù)優(yōu)化對提升用戶感知意義重大。

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