MIMO在LTE中的應用.doc

為了滿足系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)傳輸速率和高系統(tǒng)容量方面的需求，LTE系統(tǒng)的下行MIMO技術(shù)支持22的基本天線配置。下行MIMO技術(shù)主要包括：空間分集、空間復用及波束成形3大類。與下行MIMO相同，LTE系統(tǒng)上行MIMO技術(shù)也包括空間分集和空間復用。在LTE系統(tǒng)中，應用MIMO技術(shù)的上行基本天線配置為12，即一根發(fā)送天線和兩根接收天線。考慮到終端實現(xiàn)復雜度的問題，目前對于上行并不支持一個終端同時使用兩根天線進行信號發(fā)送，即只考慮存在單一上行傳輸鏈路的情況。因此，在當前階段上行僅僅支持上行天線選擇和多用戶MIMO兩種方案?？臻g復用 空間復用的主要原理是利用空間信道的弱相關(guān)性，通過在多個相互獨立的空間信道上傳輸不同的數(shù)據(jù)流，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾省TE系統(tǒng)中空間復用技術(shù)包括：開環(huán)空間復用和閉環(huán)空間復用。開環(huán)空間復用：LTE系統(tǒng)支持基于多碼字的空間復用傳輸。所謂多碼字，即用于空間復用傳輸?shù)亩鄬訑?shù)據(jù)來自于多個不同的獨立進行信道編碼的數(shù)據(jù)流，每個碼字可以獨立地進行速率控制。閉環(huán)空間復用：即所謂的線性預編碼技術(shù)。線性預編碼技術(shù)：作用是將天線域的處理轉(zhuǎn)化為波束域進行處理，在發(fā)射端利用已知的空間信道信息進行預處理操作，從而進一步提高用戶和系統(tǒng)的吞吐量。線性預編碼技術(shù)可以按其預編碼矩陣的獲取方式劃分為兩大類：非碼本的預編碼和基于碼本的預編碼。 非碼本的預編碼方式：對于非碼本的預編碼方式，預編碼矩陣中發(fā)射端獲得，發(fā)射端利用預測的信道狀態(tài)信息，進行預編碼矩陣計算，常見的預編碼矩陣計算方法有奇異值分解、均勻信道分解等，其中奇異值分解的方案最為常用。對于非碼本的預編碼方式，發(fā)射端有多種方式可以獲得空間信道狀態(tài)信息，如直接反饋信道、差分反饋、利用TDD信道對稱性等。 基于碼本的預編碼方式：對于基于碼本的預編碼方式，預編碼矩陣在接收端獲得，接收端利用預測的信道狀態(tài)信息，在預定的預編碼矩陣碼本中進行預編碼矩陣的選擇，并將選定的預編碼矩陣的序號反饋至發(fā)射端。目前，LTE采用的碼本構(gòu)建方式基于Householder變換的碼本。MIMO系統(tǒng)的空間復用原理示意圖如下所示： 在目前的LTE協(xié)議中，下行采用的是SU-MIMO。可以采用MIMO發(fā)射的信道有PDSCH和PMCH，其余的下行物理信道不支持MIMO，只能采用單天線發(fā)射或發(fā)射分集。LTE系統(tǒng)的空間復用原理圖如下所示：空間分集 采用多個收發(fā)天線的空間分集可以很好的對抗傳輸信道的衰落。空間分集分為發(fā)射分集、接收分集和接收發(fā)射分集三種。發(fā)射分集 發(fā)射分集是在發(fā)射端使用多幅發(fā)射天線發(fā)射信息，通過對不同的天線發(fā)射的信號進行編碼達到空間分集的目的，接收端可以獲得比單天線高的信噪比。 發(fā)射分集包含空時發(fā)射分集（STTD）、空頻發(fā)射分集（SFBC）和循環(huán)延遲分集（CDD）幾種。1.空時發(fā)射分集（STTD）：通過對不同的天線發(fā)射的信號進行空時編碼達到時間和空間分集的目的；在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲導致的符號錯誤概率；空時編碼通過在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號的冗余度，從而使得信號在接收端獲得時間和空間分集增益?？梢岳妙~外的分集增益提高通信鏈路的可靠性，也可在同樣可靠性下利用高階調(diào)制提高數(shù)據(jù)率和頻譜利用率。 基于發(fā)射分集的空時編碼（STC，Space-Time Coding）技術(shù)的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示： STC技術(shù)的物理實質(zhì)在于利用存在于空域與時域之間的正交或準正交特性，按照某種設計準則，把編碼冗余信息盡量均勻映射到空時二維平面，以減弱無線多徑傳播所引起的空間選擇性衰落及時間選擇性衰落的消極影響，從而實現(xiàn)無線信道中高可靠性的高速數(shù)據(jù)傳輸。STC的原理圖如下所示： 典型的有空時格碼（Space-Time Trellis Code，STTC） 和空時塊碼（Space-Time Block Code，STBC）。2.空頻發(fā)射分集（SFBC）：空頻發(fā)射分集與空時發(fā)射分集類似，不同的是SFBC是對發(fā)送的符號進行頻域和空域編碼 ；將同一組數(shù)據(jù)承載在不同的子載波上面獲得頻率分集增益。 兩天線空頻發(fā)射分集原理圖如下所示： 除兩天線SFBC發(fā)射分集外，LTE協(xié)議還支持4天線SFBC發(fā)射分集，并且給出了構(gòu)造方法。SFBC發(fā)射分集方式通常要求發(fā)射天線盡可能獨立，以最大限度的獲取分集增益。3.循環(huán)延遲分集（CDD）： 延時發(fā)射分集是一種常見的時間分集方式，可以通俗的理解為發(fā)射端為接收端人為制造多徑。LTE中采用的延時發(fā)射分集并非簡單的線性延時，而是利用CP特性采用循環(huán)延時操作。根據(jù)DFT變換特性，信號在時域的周期循環(huán)移位（即延時）相當于頻域的線性相位偏移，因此LTE的CDD（循環(huán)延時分集）是在頻域上進行操作的。下圖給出了下行發(fā)射機時域循環(huán)移位與頻域相位線性偏移的等效示意圖。 循環(huán)延遲分集原理圖如下所示： LTE協(xié)議支持一種與下行空間復用聯(lián)合作用的大延時CDD模式。大延時CDD將循環(huán)延時的概念從天線端口搬到了SU-MIMO空間復用的層上，并且延時明顯增大，仍以兩天線為例，延時達到了半個符號積分周期（即1024Ts）。 目前LTE協(xié)議支持2天線和4天線的下行CDD發(fā)射分集。CDD發(fā)射分集方式通常要求發(fā)射天線盡可能獨立，以最大限度的獲取分集增益。接收分集 接收分集指多個天線接收來自多個信道的承載同一信息的多個獨立的信號副本。 由于信號不可能同時處于深衰落情況中，因此在任一給定的時刻至少可以保證有一個強度足夠大的信號副本提供給接收機使用，從而提高了接收信號的信噪比。 接收分集原理示意圖如下所示：MIMO系統(tǒng)模型 MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道，MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。下圖所示為MIMO系統(tǒng)的原理圖： 在發(fā)射器端配置了Nt個發(fā)射天線，在接收器端配置了Nr個接收天線，xj（j1, 2 ,Nt）表示第j號發(fā)射天線發(fā)射的信號，r i（i1, 2 ,Nr）表示第i號接收天線接收的信號，hij表示第j號發(fā)射天線到第i號接收天線的信道衰落系數(shù)。在接收端，噪聲信號ni是統(tǒng)計獨立的復零均值高斯變量，而且與發(fā)射信號獨立，不同時刻的噪聲信號間也相互獨立，每一個接收天線接收的噪聲信號功率相同，都為2。假設信道是準靜態(tài)的平坦瑞利衰落信道。 MIMO系統(tǒng)的信號模型可以表示為： 寫成矩陣形式為：r=Hx+n MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。MIMO系統(tǒng)容量 系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。無線信道容量是評價一個無線信道性能的綜合性指標，它描述了在給定的信噪比(SNR)和帶寬條件下，某一信道能可靠傳輸?shù)膫鬏斔俾蕵O限。傳統(tǒng)的單輸入單輸出系統(tǒng)的容量由香農(nóng)(Shannon)公式給出，而MIMO系統(tǒng)的容量是多天線信道的容量問題。 假設：在發(fā)射端，發(fā)射信號是零均值獨立同分布的高斯變量，總的發(fā)射功率限制為Pt，各個天線發(fā)射的信號都有相等的功率Nt /Pt。由于發(fā)射信號的帶寬足夠窄，因此認為它的頻率響應是平坦的，即信道是無記憶的。在接收端，噪聲信號ni是統(tǒng)計獨立的復零均值高斯變量，而且與發(fā)射信號獨立，不同時刻的噪聲信號間也相互獨立，每一個接收天線接收的噪聲信號功率相同，都為2。假設每一根天線的接收功率等于總的發(fā)射功率，那么，每一根接收天線處的平均信噪比為SNR=Pt/2。 則信道容量可以表示為： 其中，H表示矩陣進行(Hermitian)轉(zhuǎn)置；det表示求矩陣的行列式，如果對數(shù)log的底為2，則信道容量的單位為bit/s/Hz。如果底為e，則信道容量的單位為nats/s/Hz。 對信道矩陣進行奇異值分解，從而將信道矩陣H寫為：H = UDVH。 其中，UN rN r和VN tN t是酉矩陣，即滿足UUH= IN rN r，VVH = IN tN t，D=KK 0;00=diag(1 ,2 ,k )K是信道矩陣的秩，12k0是相關(guān)矩陣HHH的非零特征值。這樣，MIMO系統(tǒng)的信道容量可以進一步描述為： 信道容量并不依賴于發(fā)射天線數(shù)目Nt和接收天線數(shù)目Nr誰大誰小。一般情況下信道相關(guān)矩陣的非零特征值數(shù)目為Kmin(Nr，Nt)，從而可以求得MIMO信道容量的上限。當Nr=Nt時，MIMO系統(tǒng)信道容量的上限恰好是單入單出(SISO)系統(tǒng)信道容量上限的Nr=Nt倍。 對于MIMO系統(tǒng)而言，如果接收端擁有信道矩陣的精確信息，MIMO的信道可以分解為min(Nr，Nt)個獨立的并行信道，其信道容量與min(Nr，Nt)個并列SISO系統(tǒng)的信道容量之和等價，且隨著發(fā)射天線和接收天線的數(shù)目以min(Nr，Nt)線性增長。也就是說，采用MIMO技術(shù)，系統(tǒng)的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍提高。多天線技術(shù)是移動通信領(lǐng)域中無線傳輸技術(shù)的重大突破。通常，多徑效應會引起衰落，因而被視為有害因素，然而，多天線技術(shù)卻能將多徑作為一個有利因素加以利用。MIMO (Multiple Input Multiple output：多輸入多輸出)技術(shù)利用空間中的多徑因素，在發(fā)送端和接收端采用多個天線，如下圖所示，通過空時處理技術(shù)實現(xiàn)分集增益或復用增益，充分利用空間資源，提高頻譜利用率。 總的來說，MIMO技術(shù)的基礎(chǔ)目的是：提供更高的空間分集增益：聯(lián)合發(fā)射分集和接收分集兩部分的空間分集增益，提供更大的空間分集增益，保證等效無線信道更加“平穩(wěn)”，從而降低誤碼率，進一步提升系統(tǒng)容量；提供更大的系統(tǒng)容量：在信噪比SNR足夠高，同時信道條件滿足“秩1”，則可以在發(fā)射端把用戶數(shù)據(jù)分解為多個并行的數(shù)據(jù)流，然后分別在每根發(fā)送天線上進行同時刻、同頻率的發(fā)送，同時保持總發(fā)射功率不變，最后，再由多元接收天線陣根據(jù)各個并行數(shù)據(jù)流的空間特性，在接收機端將其識別，并利用多用戶解調(diào)結(jié)束最終恢復出原數(shù)據(jù)流。LTE系統(tǒng)中的MIMO模型 無線通信系統(tǒng)中通常采用如下幾種傳輸模型：單輸入單輸出系統(tǒng)SISO、多輸入單輸出系統(tǒng)MISO、單輸入多輸出系統(tǒng)SIMO和多輸入多輸出系統(tǒng)MIMO。其傳輸模型如下圖所： 在一個無線通信系統(tǒng)中，天線是處于最前端的信號處理部分。提高天線系統(tǒng)的性能和效率，將會直接給整個系統(tǒng)帶來可觀的增益。傳統(tǒng)天線系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從單發(fā)/單收天線SISO，到多發(fā)/單收MISO，以及單發(fā)/多收SIMO天線的階段。 為了盡可能的抵抗這種時變-多徑衰落對信號傳輸?shù)挠绊?，人們不斷的尋找新的技術(shù)。采用時間分集（時域交織）和頻率分集（擴展頻譜技術(shù)）技術(shù)就是在傳統(tǒng)SISO系統(tǒng)中抵抗多徑衰落的有效手段，而空間分集（多天線）技術(shù)就是MISO、SIMO或MIMO系統(tǒng)進一步抵抗衰落的有效手段。 LTE系統(tǒng)中常用的MIMO模型有下行單用戶MIMO（SU-MIMO）和上行多用戶MIMO（MU-MIM