LTE MIMO 基本原理介紹

LTEMIMO基本原理介紹課程目標了解LTE系統(tǒng)中的MIMO模型了解MIMO技術(shù)的優(yōu)勢理解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，分別同時發(fā)射與接收無線信號。SU-MIMO（單用戶MIMO）：指在同一時頻單元上一個用戶獨占所有空間資源，這時的預(yù)編碼考慮的是單個收發(fā)鏈路的性能；MU-MIMO（多用戶MIMO）：指在同一時頻單元上多個用戶共享所有的空間資源，相當于一種空分多址技術(shù)，這時的預(yù)編碼還要和多用戶調(diào)度結(jié)合起來，評估系統(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)：單輸入多輸出（SIMO）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為無線資源增加了空間維的自由度。MIMO通過空時處理技術(shù)，充分利用空間資源，在無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)信號模型表達式MIMO系統(tǒng)模型圖MIMO原理接收機數(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復用數(shù)據(jù)流v12v21v11v22發(fā)射機解復用空間復用和空間分集技術(shù)能夠提高速率。MIMO關(guān)鍵技術(shù)：空間復用，空間分集，波束成形，層映射和預(yù)編碼。

空間復用空間復用：發(fā)射的高速數(shù)據(jù)被分成幾個并行的低速數(shù)據(jù)流，在同一頻帶從多個天線同時發(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，接收端獲得比單天線高的信噪比?？諘r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?？諘r發(fā)射分集空頻發(fā)射分集與空時發(fā)射分集類似，不同的是SFTD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)送具有不同相對延時的同一個信號,人為地制造時間彌散，能夠獲得分集增益。且循環(huán)延時分集采用的是循環(huán)延時而不是線性延時，延遲是通過固定步長的移相（CyclicShift，循環(huán)移相）來等效實現(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MIMO關(guān)鍵技術(shù)-層映射和預(yù)編碼空間復用空間復用方式下層映射空間復用方式下預(yù)編碼閉環(huán)空間復用預(yù)編碼開環(huán)空間復用預(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?？臻g復用方式下預(yù)編碼預(yù)編碼：克服無線信道的相關(guān)性。當多路徑信道在一個或多個MIMO接收機上無法提供足夠的SINR（信噪比）時，預(yù)編碼技術(shù)可以極大地提高系統(tǒng)性能。閉環(huán)空間復用預(yù)編碼無CDD時的預(yù)編碼W是階數(shù)為P*V的預(yù)編碼矩陣。閉環(huán)空間復用

需要UE反饋PMI(預(yù)編碼矩陣指示),RI(秩指示)。大CDD時的預(yù)編碼（開環(huán)空間復用）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。開環(huán)空間復用需要UE反饋RI(秩指示)，且當RI=1時為發(fā)射分集。兩天線時Codebook的索引號為0，四天線時Codebook的索引號為12-15。開環(huán)空間復用預(yù)編碼層映射根據(jù)協(xié)議，只允許對一個碼字進行層映射，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整個下行過程課程內(nèi)容MIMO技術(shù)簡介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開環(huán)空間復用457Mode4閉環(huán)空間復用Mode5多用戶MIMO

Mode7非碼本波束成形適用于高速移動環(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DoubleStreamMIMO小區(qū)邊緣TransmitDiversityNoncodebookandcodebookBeam-formingTransmitDiversity低速移動（室內(nèi)）MU-MIMOandDoublestreamPrecodingOpenLoopSM中速移動手機自適應(yīng)MIMO模式2發(fā)射分集3開環(huán)空間復用457閉環(huán)空間復用多用戶MIMO非碼本波束成形

6碼本波束成形移動速率改變秩改變與小區(qū)的相對位置改變MIMO的部署場景A場景B

場景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/中速移動地小區(qū)邊緣開環(huán)空間復用2/4低高/中速移動中/低小區(qū)中心/邊緣雙流預(yù)編碼2/4低低速移動高小區(qū)中心多用戶MIMO2/4低低速移動高小區(qū)中心碼本波束成形1高低速移動低小區(qū)邊緣非碼本波束成形1高低速移動低小區(qū)邊緣發(fā)射分集的應(yīng)用場景2天線eNB4天線eNBCase2:LowCorrelation(10)

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

or10)Ant1Ant2Ant3Ant4Case4:Highcorrelation(0.5)

Ant1Ant2Ant3Ant4Case1:MediumCorrelation(4)

Ant1Ant2閉環(huán)空間復用的應(yīng)用場景注意:支持天線端口2/4;支持1個碼字和2個碼字;要求終端反饋RI和PMI;秩RANK=1對應(yīng)于1個碼字;秩RANK>=2對應(yīng)于兩個碼字;一個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