王健,刁洪翠,張?jiān)?朱宇霞

(武漢郵電科學(xué)研究院,武漢 430074)

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一種LTE-A系統(tǒng)上行傳輸模式自適應(yīng)算法

王健,刁洪翠,張?jiān)?朱宇霞

(武漢郵電科學(xué)研究院,武漢 430074)

摘要:LTE-A(增強(qiáng)型長(zhǎng)期演進(jìn))系統(tǒng)上行引入了多天線傳輸技術(shù)來解決終端天線較少的問題。在這種技術(shù)背景下,設(shè)計(jì)了一種上行傳輸模式自適應(yīng)方法以提高系統(tǒng)性能。從傳輸模式間自適應(yīng)、單雙流自適應(yīng)和MU-MIMO(多用戶多輸入多輸出)與單天線傳輸之間的自適應(yīng)三個(gè)方面進(jìn)行了論述。系統(tǒng)級(jí)仿真表明,基站根據(jù)信道條件的變化選擇適當(dāng)?shù)膫鬏敺绞娇梢杂行У亟档陀脩粽`碼率,提高系統(tǒng)吞吐量。

關(guān)鍵詞:增強(qiáng)型長(zhǎng)期演進(jìn);上行;自適應(yīng);系統(tǒng)仿真

0　引 言

在基帶處理技術(shù)已近成熟的背景下,頻率資源日益珍貴,但人們對(duì)于上傳業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量需求卻在增長(zhǎng),上行多天線傳輸技術(shù)通過擴(kuò)展空間的傳輸維度來成倍地提高信道容量,因此成為了LTE-A(增強(qiáng)型長(zhǎng)期演進(jìn))的重要組成元素。LTE R8中上行僅支持兩根天線,而且是選擇其中一根天線來發(fā)送; 在LTE-A中,即R10以后,擴(kuò)展到上行最多支持4天線發(fā)送,并在PUSCH(物理上行共享信道)引入SU-MIMO(單用戶多輸入多輸出),最大可以支持兩個(gè)碼字和4層傳輸[1]。如果系統(tǒng)不能為UE(用戶設(shè)備)分配合適的傳輸模式,就會(huì)造成無線資源的浪費(fèi)和傳輸質(zhì)量的下降。

在上行模式間自適應(yīng)傳統(tǒng)調(diào)度算法[2]中,一般聯(lián)合使用移動(dòng)速度、頻譜效率、RI(秩指示)和BLER(誤塊率)這4個(gè)參數(shù)與相關(guān)閥值進(jìn)行比較來完成模式切換。一方面,由于相應(yīng)測(cè)量算法的局限性,參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性不可靠;另一方面,參數(shù)之間存在相互推導(dǎo)的關(guān)系,計(jì)算重復(fù)且復(fù)雜,而且門限值往往都與具體環(huán)境相關(guān),實(shí)際中難以確定,更難以保持統(tǒng)一性。為了解決上述問題,本文提出一種上行傳輸模式自適應(yīng)算法。通過在單雙流自適應(yīng)中加入一種新的中心用戶判斷,并在判斷中考慮連續(xù)兩個(gè)切換周期的傳輸環(huán)境,在MIMO正交配對(duì)中引入天線選擇的思想,改善系統(tǒng)判斷條件和切換機(jī)制,來提高系統(tǒng)的吞吐量、傳輸質(zhì)量以及系統(tǒng)切換的穩(wěn)定性。

1　傳輸模式間自適應(yīng)

上行TM1(傳輸模式1)和TM2(傳輸模式2)間的切換需要根據(jù)UE測(cè)量上報(bào)的UE能力、UE支持端口數(shù)和信道質(zhì)量等參數(shù)來確定。當(dāng)UE為R10之前的用戶時(shí),默認(rèn)其傳輸模式為TM1,并保持不變,確保其穩(wěn)定性,節(jié)約空口資源,此時(shí)系統(tǒng)通過DCI(下行控制信息)格式0調(diào)度,使用單碼字單層來傳輸。如果UE為R10用戶,即支持多天線傳輸?shù)挠脩?則默認(rèn)其傳輸模式為TM2,系統(tǒng)通過DCI格式4調(diào)度,采用閉環(huán)空間復(fù)用技術(shù)初始化。對(duì)于這類用戶,讓它們繼續(xù)進(jìn)行模式內(nèi)切換,最終確定最適合信道環(huán)境的傳輸模式。閉環(huán)空間復(fù)用模式對(duì)傳輸環(huán)境要求高,要求有強(qiáng)的信道獨(dú)立性和高的信道質(zhì)量,而且終端移動(dòng)速度越慢越好;而單流傳輸模式對(duì)信道環(huán)境的要求則相對(duì)簡(jiǎn)單,或用于天線間無充分空間隔離的場(chǎng)景。

2　傳輸模式內(nèi)自適應(yīng)

2.1單雙流自適應(yīng)

為滿足上行峰值頻譜效率的要求,提高傳輸速率,LTE-A引入了SU-MIMO。該技術(shù)是指單用戶通過兩個(gè)傳輸天線端口傳輸不同的數(shù)據(jù),完成與一個(gè)基站點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。它不僅可以使系統(tǒng)的理論容量上限隨天線數(shù)的增加而線性增大,還可以大幅提高單用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率。

從UE有限的發(fā)射功率考慮,當(dāng)上行使用兩天線時(shí),基站接收到的經(jīng)衰減的信號(hào)會(huì)更加虛弱。故在單雙流中加入了對(duì)中心用戶的判斷,具體步驟如下:選取一個(gè)UE,設(shè)定其接入小區(qū)為服務(wù)小區(qū);讓該UE接收附近小區(qū)的RS(參考信號(hào)),同時(shí)在一定的頻帶上測(cè)量其功率,并依次上報(bào)給eNodeB(演進(jìn)型節(jié)點(diǎn));根據(jù)附近小區(qū)RS相關(guān)功率RSRP_n(單位為dBm)與服務(wù)小區(qū)RS相關(guān)功率RSRP_s(單位為d Bm),計(jì)算差值Δ=RSRP_s-RSRP_n(單位為dB);根據(jù)計(jì)算所得的Δ值確定該UE是否是中心用戶,判斷依據(jù)見表1。這里設(shè)置了一個(gè)緩沖區(qū)間,其好處是既保證了判斷的準(zhǔn)確性,又為判斷帶來了穩(wěn)定性。

表1　中心用戶判斷依據(jù)

判定中心用戶后,再對(duì)UE的信道質(zhì)量做判斷, 將SINR(信干噪比)與閥值做比較。在SINR較低時(shí),單流發(fā)送的鏈路吞吐量性能優(yōu)于雙流,這是因?yàn)樵谕瑯拥男盘?hào)發(fā)射功率下,SINR越低,噪聲的影響就越大,因而兩個(gè)數(shù)據(jù)流反而會(huì)相互牽制,導(dǎo)致雙流總體性能較差;而在SINR較高時(shí),雙流發(fā)送的性能更好,而且隨著SINR的提高,雙流對(duì)應(yīng)的吞吐量會(huì)隨之升高。

最后,對(duì)信道的正交性進(jìn)行評(píng)估。正交性評(píng)估采用基于容量最大化秩選擇方案。基站對(duì)不同RI、PMI(預(yù)編碼矩陣指示符)和預(yù)編碼矩陣的組合情況分別進(jìn)行運(yùn)算,選擇容量最大的RI反饋給UE。如果R≥2,則選擇雙流傳輸,即SU-MIMO;否則,進(jìn)行單流傳輸。

在綜合以上三點(diǎn)后,系統(tǒng)會(huì)得到一個(gè)傳輸優(yōu)劣的判斷結(jié)果,具體流程如圖1所示。單流用戶如果在兩個(gè)連續(xù)調(diào)度周期內(nèi)傳輸條件都變好,則切換到雙流;雙流用戶如果在兩個(gè)連續(xù)的調(diào)度周期內(nèi)傳輸條件都變差,則切換到單流;其他情況則保持原有的單雙流傳輸模式。這里考慮了兩個(gè)周期的傳輸環(huán)境,當(dāng)環(huán)境時(shí)好時(shí)壞時(shí),系統(tǒng)會(huì)自我修正,防止模式間的“乒乓”切換,這樣的設(shè)計(jì)會(huì)讓單雙流的自適應(yīng)切換獲得更好的穩(wěn)定性。

圖1　單雙流自適應(yīng)流程圖

2.2MIMO與SIMO(單輸入多輸出)的切換

上行虛擬MIMO,也稱為上行MU-MIMO(多用戶多輸入多輸出),是指多個(gè)UE使用相同的時(shí)頻資源將多個(gè)數(shù)據(jù)流發(fā)給基站的傳輸方式,多個(gè)UE的天線與基站的天線構(gòu)成一個(gè)虛擬的MIMO系統(tǒng)。上行MU-MIMO不需要UE做特殊處理,只需選擇兩個(gè)合適的UE配對(duì),然后為它們分配相同的資源, UE的DMRS(解調(diào)參考信號(hào))的“循環(huán)移位”要配置成不同的值,以便上行基站處理信號(hào)時(shí)能夠把兩個(gè)UE的數(shù)據(jù)區(qū)分開。

系統(tǒng)首先選出一些傳輸條件相對(duì)較好的UE,然后對(duì)這些UE進(jìn)行配對(duì),如果配對(duì)成功,則采用MU-MIMO模式傳輸,否則采用SIMO模式傳輸。具體步驟如下:(1)選擇傳輸性能好的UE。比較UE的BLER、SINR和對(duì)應(yīng)切換門限,選擇性能較好的UE作為MIMO配對(duì)備選UE。(2)根據(jù)某種配對(duì)準(zhǔn)則選擇MIMO用戶對(duì)。配對(duì)準(zhǔn)則處理隨機(jī)配對(duì)的方法有OPS(正交配對(duì)算法)和DPS(行列式配對(duì)算法)[3]。本方案采用OPS,設(shè)子載波n的復(fù)數(shù)空間信道為Hn,則2×2 MIMO信道的矩陣可表示為相應(yīng)的正交因子可表示為

以某一用戶為主UE,輪詢其他滿足MIMO條件的UE,以不同UE的天線兩兩配對(duì),選擇出正交因子最大的UE做為配對(duì)UE,并用正交性最好的天線進(jìn)行單流傳輸。利用R10終端的多天線特性,不再以特定天線發(fā)送資源,而是選擇性能較好的天線進(jìn)行發(fā)送。如果正交因子過小,則配對(duì)失敗,否則視為配對(duì)成功。若配對(duì)成功,則該調(diào)度UE與配對(duì)UE進(jìn)行配對(duì),兩個(gè)UE占用相同的傳輸資源,并使用MU-MIMO模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;否則,調(diào)度UE采用單天線模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種MIMO配對(duì)引入了天線選擇的思想,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)吞吐量。

3　仿真結(jié)果

使用Microsoft VS2010軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真,仿真中參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2　LTE仿真場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置

仿真場(chǎng)景為城市宏小區(qū)(共有7個(gè)小區(qū)),仿真業(yè)務(wù)類型為infinite buffer,每個(gè)小區(qū)由3個(gè)扇區(qū)組成。分以下兩種模擬場(chǎng)景進(jìn)行仿真:(1)每個(gè)扇區(qū)的UE數(shù)目為25個(gè),共計(jì)525個(gè)UE;(2)每個(gè)扇區(qū)的UE數(shù)目為20個(gè),共計(jì)420個(gè)UE。用UE的吞吐量來衡量算法的性能,兩種場(chǎng)景下的吞吐量對(duì)比CDF(累積分布函數(shù))仿真結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2　UE數(shù)為25時(shí)吞吐量對(duì)比CDF圖

由圖2可知,在相同用戶比例下,改進(jìn)方案較傳統(tǒng)方案吞吐量更大,這說明改進(jìn)方案在用戶吞吐量上有了普遍提高。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)計(jì)算可知,改進(jìn)方

圖3　UE數(shù)為20時(shí)吞吐量對(duì)比CDF圖

案的UE吞吐量比傳統(tǒng)方案提高了28.18%。由圖3可知,當(dāng)扇區(qū)UE數(shù)變少,即每個(gè)扇區(qū)UE數(shù)變?yōu)?0個(gè)時(shí),系統(tǒng)中雙流用戶變少,系統(tǒng)的吞吐量改變不如用戶多時(shí)明顯,但仍然可以看出其增益。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可知,改進(jìn)方案的UE吞吐量提高了約4%。

4　結(jié)束語

改進(jìn)的上行傳輸自適應(yīng)方法基于傳統(tǒng)算法,在單雙流自適應(yīng)和MIMO與SIMO的自適應(yīng)上進(jìn)行了一些改良。在單雙流自適應(yīng)過程中引入一種新的對(duì)UE位置進(jìn)行判斷的方法[4],考慮用戶發(fā)送功率、信道干擾和信道自身正交性這三點(diǎn),同時(shí)對(duì)于信道變化結(jié)果的判斷結(jié)合兩個(gè)連續(xù)調(diào)度周期,兼顧了實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性;在MU-MIMO中引入天線選擇的思想,進(jìn)一步增強(qiáng)了MIMO配對(duì)的靈活性。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明,在LTE-A系統(tǒng)中,使用改進(jìn)的上行傳輸模式自適應(yīng)方法可以整體提高小區(qū)內(nèi)UE的上行吞吐量,增強(qiáng)了基站的調(diào)度能力。

參考文獻(xiàn):

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無線通信技術(shù)

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

中圖分類號(hào):TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1005-8788(2016)01-0071-03

收稿日期:2015-06-24

作者簡(jiǎn)介:王健(1990-),男,湖北荊州人。碩士研究生,主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.021