LTE MIMO 基本原理介紹

LTEMIMO基本原理介紹課程目標(biāo)了解LTE系統(tǒng)中的MIMO模型了解MIMO技術(shù)的優(yōu)勢(shì)理解MIMO傳輸模式了解MIMO技術(shù)的典型應(yīng)用課程內(nèi)容MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介MIMO基本原理MIMO在LTE中的應(yīng)用MIMO性能分析幾種傳輸模型單輸入單輸出系統(tǒng)多輸入單輸出系統(tǒng)單輸入多輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)什么是MIMO？MIMO(MultipleInputMultipleoutput：多輸入多輸出)系統(tǒng)，其基本思想是在收發(fā)兩端采用多根天線，分別同時(shí)發(fā)射與接收無(wú)線信號(hào)。SU-MIMO（單用戶MIMO）：指在同一時(shí)頻單元上一個(gè)用戶獨(dú)占所有空間資源，這時(shí)的預(yù)編碼考慮的是單個(gè)收發(fā)鏈路的性能；MU-MIMO（多用戶MIMO）：指在同一時(shí)頻單元上多個(gè)用戶共享所有的空間資源，相當(dāng)于一種空分多址技術(shù)，這時(shí)的預(yù)編碼還要和多用戶調(diào)度結(jié)合起來(lái)，評(píng)估系統(tǒng)的性能。LTE中的MIMO模型多輸入單輸出（MISO）系統(tǒng)：MIMO系統(tǒng)容量多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)：?jiǎn)屋斎攵噍敵觯⊿IMO）系統(tǒng)：MIMO系統(tǒng)中，系統(tǒng)容量隨著天線數(shù)目的增加成線性增加。單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)：為什么選擇MIMO技術(shù)？MIMO為無(wú)線資源增加了空間維的自由度。MIMO通過(guò)空時(shí)處理技術(shù)，充分利用空間資源，在無(wú)需增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下，成倍地提升通信系統(tǒng)的容量與可靠性，提高頻譜利用率。MIMO能夠獲得比單入單出（SISO），單入多出（SIMO）和多入單出（MISO）更高的信道容量。課程內(nèi)容MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介MIMO基本原理MIMO在LTE中的應(yīng)用MIMO性能分析MIMO系統(tǒng)模型圖MIMO系統(tǒng)信號(hào)模型表達(dá)式MIMO系統(tǒng)模型圖MIMO原理接收機(jī)數(shù)據(jù)流編碼編碼信道交織信道交織QPSK16QAM調(diào)制QPSK16QAM調(diào)制DetectorDetector復(fù)用數(shù)據(jù)流v12v21v11v22發(fā)射機(jī)解復(fù)用空間復(fù)用和空間分集技術(shù)能夠提高速率。MIMO關(guān)鍵技術(shù)：空間復(fù)用，空間分集，波束成形，層映射和預(yù)編碼。

空間復(fù)用空間復(fù)用：發(fā)射的高速數(shù)據(jù)被分成幾個(gè)并行的低速數(shù)據(jù)流，在同一頻帶從多個(gè)天線同時(shí)發(fā)射出去。

碼字≤層數(shù)≤發(fā)射天線數(shù)不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容——提高吞吐量更復(fù)雜的預(yù)編碼技術(shù)——碼本空間分集（發(fā)射分集、接收分集和接收發(fā)射分集），使用多根天線進(jìn)行發(fā)射和/或接收，根據(jù)收發(fā)天線數(shù)又分為發(fā)射分集、接收分集與接收發(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(guò)對(duì)不同的天線發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行編碼達(dá)到空間分集的目的，接收端獲得比單天線高的信噪比?？諘r(shí)發(fā)射分集STTD

循環(huán)延遲分集CDD空頻發(fā)射分集SFTD發(fā)射分集通過(guò)對(duì)不同的天線發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行空時(shí)編碼達(dá)到時(shí)間和空間分集的目的；在發(fā)射端對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲導(dǎo)致的符號(hào)錯(cuò)誤概率；空時(shí)編碼通過(guò)在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號(hào)的冗余度，從而使得信號(hào)在接收端獲得時(shí)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。空時(shí)發(fā)射分集空頻發(fā)射分集與空時(shí)發(fā)射分集類似，不同的是SFTD是對(duì)發(fā)送的符號(hào)進(jìn)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空頻發(fā)射分集在不同的發(fā)射天線上發(fā)送具有不同相對(duì)延時(shí)的同一個(gè)信號(hào),人為地制造時(shí)間彌散，能夠獲得分集增益。且循環(huán)延時(shí)分集采用的是循環(huán)延時(shí)而不是線性延時(shí)，延遲是通過(guò)固定步長(zhǎng)的移相（CyclicShift，循環(huán)移相）來(lái)等效實(shí)現(xiàn)延遲。循環(huán)延遲發(fā)射分集（CDD）兩天線發(fā)射分集多個(gè)天線接收來(lái)自多個(gè)信道的承載同一信息的多個(gè)獨(dú)立的信號(hào)副本。由于信號(hào)不可能同時(shí)處于深衰落情況中，因此在任一給定的時(shí)刻至少可以保證有一個(gè)強(qiáng)度足夠大的信號(hào)副本提供給接收機(jī)使用，從而提高了接收信號(hào)的信噪比。接收分集MIMO關(guān)鍵技術(shù)-層映射和預(yù)編碼空間復(fù)用空間復(fù)用方式下層映射空間復(fù)用方式下預(yù)編碼閉環(huán)空間復(fù)用預(yù)編碼開(kāi)環(huán)空間復(fù)用預(yù)編碼發(fā)射分集發(fā)射分集方式下的層映射發(fā)射分集方式下預(yù)編碼發(fā)射分集兩天線預(yù)編碼空間復(fù)用方式下層映射層映射 根據(jù)協(xié)議36.211，層數(shù)V≤P，P表示物理信道用于發(fā)射的天線端口數(shù)，且碼字流的個(gè)數(shù)最多為2。 協(xié)議規(guī)定：碼字到層的映射可有1：1，1：2，2：2，2：3，2：4。

且1：2的情況只發(fā)生在P=4的條件下。空間復(fù)用方式下預(yù)編碼預(yù)編碼：克服無(wú)線信道的相關(guān)性。當(dāng)多路徑信道在一個(gè)或多個(gè)MIMO接收機(jī)上無(wú)法提供足夠的SINR（信噪比）時(shí)，預(yù)編碼技術(shù)可以極大地提高系統(tǒng)性能。閉環(huán)空間復(fù)用預(yù)編碼無(wú)CDD時(shí)的預(yù)編碼W是階數(shù)為P*V的預(yù)編碼矩陣。閉環(huán)空間復(fù)用

需要UE反饋PMI(預(yù)編碼矩陣指示),RI(秩指示)。大CDD時(shí)的預(yù)編碼（開(kāi)環(huán)空間復(fù)用）W是階數(shù)為P*V的預(yù)編碼矩陣，D,U為矩陣。加入CDD之后能夠人為的制造多徑效應(yīng)，以獲得更大的增益。開(kāi)環(huán)空間復(fù)用需要UE反饋RI(秩指示)，且當(dāng)RI=1時(shí)為發(fā)射分集。兩天線時(shí)Codebook的索引號(hào)為0，四天線時(shí)Codebook的索引號(hào)為12-15。開(kāi)環(huán)空間復(fù)用預(yù)編碼層映射根據(jù)協(xié)議，只允許對(duì)一個(gè)碼字進(jìn)行層映射，層數(shù)V和物理信道用于發(fā)射的天線端口數(shù)P相等。碼字到層的映射只允許有1：2和1：4，即一碼字流映射至兩層或四層。發(fā)射分集方式下的層映射發(fā)射分集方式的層映射要求映射層數(shù)和天線口數(shù)目相等，且層映射只有1：2和1：4，故預(yù)編碼模塊輸入的層數(shù)也是2層或4層。發(fā)射分集2天線預(yù)編碼

發(fā)射分集方式下預(yù)編碼LTE整個(gè)下行過(guò)程課程內(nèi)容MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介MIMO基本原理MIMO在LTE中的應(yīng)用MIMO性能分析LTE中7種MIMO模式6Mode6

碼本波束成形

提供發(fā)射分集對(duì)抗衰落提高峰值速率提高系統(tǒng)容量1Mode1單天線端口2Mode2發(fā)射分集3Mode3開(kāi)環(huán)空間復(fù)用457Mode4閉環(huán)空間復(fù)用Mode5多用戶MIMO

Mode7非碼本波束成形適用于高速移動(dòng)環(huán)境適用于單天線端口提高小區(qū)覆蓋，抑制干擾MIMO模式在下行物理信道的應(yīng)用物理信道Mode1Mode2Mode3–Mode7PDSCHPBCHPCFICHPDCCHPHICHSCHMIMO模式的應(yīng)用小區(qū)邊緣小區(qū)中心市區(qū)高速移動(dòng)DoubleStreamMIMO小區(qū)邊緣TransmitDiversityNoncodebookandcodebookBeam-formingTransmitDiversity低速移動(dòng)（室內(nèi)）MU-MIMOandDoublestreamPrecodingOpenLoopSM中速移動(dòng)手機(jī)自適應(yīng)MIMO模式2發(fā)射分集3開(kāi)環(huán)空間復(fù)用457閉環(huán)空間復(fù)用多用戶MIMO非碼本波束成形

6碼本波束成形移動(dòng)速率改變秩改變與小區(qū)的相對(duì)位置改變MIMO的部署場(chǎng)景A場(chǎng)景B

場(chǎng)景C線性天線交叉極化1~3F4~6F7~9F10~12F13~15F16~18F19~21F22~24F25~27F28~30F31~33F34~36F37~39F40~42F43~45F46~48FMIMO模式總結(jié)傳輸方案秩信道相關(guān)性移動(dòng)性數(shù)據(jù)速率在小區(qū)中的位置發(fā)射分集(SFBC)1低高/中速移動(dòng)地小區(qū)邊緣開(kāi)環(huán)空間復(fù)用2/4低高/中速移動(dòng)中/低小區(qū)中心/邊緣雙流預(yù)編碼2/4低低速移動(dòng)高小區(qū)中心多用戶MIMO2/4低低速移動(dòng)高小區(qū)中心碼本波束成形1高低速移動(dòng)低小區(qū)邊緣非碼本波束成形1高低速移動(dòng)低小區(qū)邊緣發(fā)射分集的應(yīng)用場(chǎng)景2天線eNB4天線eNBCase2:LowCorrelation(10)

適用于2GHz以上頻率Ant1Ant2Case3:LowCorrelation(兩對(duì)天線間距4

or10)Ant1Ant2Ant3Ant4Case4:Highcorrelation(0.5)

Ant1Ant2Ant3Ant4Case1:MediumCorrelation(4)

Ant1Ant2閉環(huán)空間復(fù)用的應(yīng)用場(chǎng)景注意:支持天線端口2/4;支持1個(gè)碼字和2個(gè)碼字;要求終端反饋RI和PMI;秩RANK=1對(duì)應(yīng)于1個(gè)碼字;秩RANK>=2對(duì)應(yīng)于兩個(gè)碼字;一個(gè)碼字的情況被稱為碼本波束成形;適用于小區(qū)中心的高信噪比用戶波束成形的應(yīng)用場(chǎng)景低相關(guān)性天線高相關(guān)性天線課程內(nèi)容MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介MIMO基本原理MIMO在LTE中的應(yīng)用MIMO性能分析MIMO仿真結(jié)果-Case1小區(qū)頻譜效率小區(qū)邊緣頻譜效率(5%CDF)eNodeBUE0.0450.0470.0541T2R00.40.81.01.41.82.21.340.0450.0470.0541T2R00.010.020.030.040.050.060.042MIMO仿真結(jié)果-Case2小區(qū)頻譜效率小區(qū)邊緣頻譜效率(5%CDF)0.0450.0470.0542T2R00.40.81.01.41.82.21.67630.0450.0470.0542T2R00.010.020.030.040.050.060.0437秩eNodeBUEMIMO仿真結(jié)果-Case3小區(qū)頻譜效率小區(qū)邊緣頻譜效率(5%CDF)0.0450.0470.0544T2R00.40.81.01.41.82.21.74880.0450.0474T2R00.010.020.030.040.050.060.0495秩eNodeBUEMIMO仿真結(jié)果-Case4小區(qū)頻譜效率

0.0450.0470.0544T2R00.40.81.01.41.82.21.7484T2R00.010.020.030.040.050.060.04951.67632T2R1.341T2R0.04372T2R0.0421T2R25%30%4%18%小區(qū)邊緣頻譜效率(5%CDF)

MIMO模式的仿真結(jié)果匯總

仿真條件頻率復(fù)用系數(shù)小區(qū)平均吞吐量頻譜效率小區(qū)邊緣速率小區(qū)邊緣頻譜效率Case143dBm/AntennaMacroISD

=500m,10,2*2MIMO,Rank

Adaptive,20dB,3km/h18.56311.57740.27510.0507Case233dBm/AntennaMacroISD

=500m,4TxBF,Single

Stream,20dB,3km/h113.97732.57470.91950.1694Case333dBm/AntennaMacroISD

500m,4TxBFprecoding,

DualStream,20dB,3km/h113.43082.47410.89350.1646Case143dBm/AntennaMacroISD=500m,2*2MIMO