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1、MIMO技术原理及在LTE中的应用,中兴通讯市场体系LTE产品规划部姓 名：刘太江E-mail：,胶片修改记录,MIMO技术原理MIMO使用模式MIMO在LTE中的应用,MIMO技术原理,MIMO基本思想MIMO系统模型MIMO系统容量分析,MIMO基本思想,为了进一步提高频谱的复用率，研究者们想到在通信的一方或双方采用多个收发天线，主动地利用用户的空间方位信息或空间信道的冗余来提高系统的容量，这便是MIMO（多输入多输出）系统的由来。其基本思想是在收发双端采用多根天线，分别同时发射与接收，通过空时处理技术，充分利用空间资源，在无需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠
2、性，提高频谱利用率。,MIMO的优点,阵列增益：可以提高发射功率和进行波束形成；系统的分集特性：可以改善信道衰落造成的干扰；系统的空间复用增益：可以构造空间正交的信道，从而成倍地增加数据率；因此，充分地利用MIMO 系统的这些优秀品质能够大幅度地提高系统容量、获得相当高的频谱利用率，从而可以获得更高的数据率、更好的传输品质或更大的系统覆盖范围。,MIMO系统的数学模型,在发射器端配置Nt 个发射天线，在接收器端配置了Nr 接收天线，xj（j1,2,Nt）表示第j 号发射天线发射的信号，r i（i1,2,Nr）表示第i 号接收天线接收的信号，hij 表示第j号发射天线到第i号接收天线的信道衰落系
3、数。在接收端，噪声信号ni 是统计独立的复零均值高斯变量，而且与发射信号独立，不同时刻的噪声信号间也相互独立，每一个接收天线接收的噪声信号功率相同，都为2，假设信道是准静态的平坦瑞利衰落信道，模型图如下,MIMO系统的信号模型可以表示为：,写成矩阵形式为：,MIMO系统模型图,MIMO系统容量分析,无线信道容量是评价一个无线信道性能的综合性指标，它描述了在给定的信噪比(SNR)和带宽条件下，某一信道能可靠传输的传输速率极限。传统的单输入单输出系统的容量由香农(Shannon)给出，而MIMO系统的容量是多天线信道的容量问题,假设：在发射端，发射信号是零均值独立同分布的高斯变量，总的发射功率限制
4、为Pt，各个天线发射的信号都有相等的功率Pt/Nt。由于发射信号的带宽足够窄，因此认为它的频率响应是平坦的，即信道是无记忆的。在接收端，噪声信号ni是统计独立的复零均值高斯变量，而且与发射信号独立，不同时刻的噪声信号间也相互独立，每一个接收天线接收的噪声信号功率相同，都为2。假设每一根天线的接收功率等于总的发射功率，那么，每一根接收天线处的平均信噪比为SNR=Pt/2。,信道容量可以表示为,其中，H表示矩阵进行(Hermitian)转置；det表示求矩阵的行列式，如果对数log的底为2，则信道容量的单位为bit/s/Hz。,MIMO系统容量分析（续1）,对信道矩阵进行奇异值分解，从而将信道矩阵
5、H写为H=UDVH 其中，UN rN r 和VN t N t是酉矩阵，即满足UUH=IN rN r，VVH=IN tN t,，,K是信道矩阵的秩，,是相关矩阵HHH的非零特征值。这样，MIMO系统的信道容量可以进一步描述为,MIMO系统容量分析（续2）,信道容量并不依赖于发射天线数目Nt 和接收天线数目Nr 谁大谁小。一般情况下信道相关矩阵的非零特征值数目为Kmin(Nr，Nt)，从而可以求得MIMO信道容量的上限。当Nr=Nt 时，MIMO系统信道容量的上限恰好是单入单出(SISO)系统信道容量上限的Nr=Nt 倍；对于MIMO系统而言，如果接收端拥有信道矩阵的精确信息，MIMO的信道可以分
6、解为min(Nr，Nt)个独立的并行信道，其信道容量与min(Nr，Nt)个并列SISO系统的信道容量之和等价，且随着发射天线和接收天线的数目以min(Nr，Nt)线性增长。也就是说，采用MIMO技术，系统的信道容量随着天线数量的增大而线性增大，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍提高。,MIMO系统容量分析（续3）,MIMO使用模式,空间分集空间复用波束成形,MIMO的使用模式,空间分集 使用多根天线进行发射和/或接收，根据收发天线数又分为发射分集、接收分集与接收发射分集空间复用发射的高速数据被分成几个并行的低速数据流，在同一频带从多个天线同时发射出去波束成形在发射端将待发
7、射数据矢量加权，形成某种方向图后到达接收端,空间分集,空间分集：发射分集、接收分集和接收发射分集分集优点：很好的对抗传输信道的衰落易获得相对稳定的信号 可获得分集处理增益 提高信噪比,发射分集,发射分集就是在发射端使用多幅发射天线发射信息，通过对不同的天线发射的信号进行编码达到空间分集的目的，接收端获得比单天线高的信噪比开环发射分集，闭环发射分集空时发射分集STTD，空频发射分集SFTD，循环延迟分集CDD,空时发射分集,通过对不同的天线发射的信号进行空时编码达到时间和空间分集的目的；在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声导致的符号错误概率；空时编码通过在发射端的联合编码增加信号
8、的冗余度，从而使得信号在接收端获得时间和空间分集增益。可以利用额外的分集增益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。,空时发射分集（续）,STC技术的物理实质在于：利用存在于空域与时域之间的正交或准正交特性，按照某种设计准则，把编码冗余信息尽量均匀映射到空时二维平面，以减弱无线多径传播所引起的空间选择性衰落及时间选择性衰落的消极影响，从而实现无线信道中高可靠性的高速数据传输。典型的有空时格码（Space-Time Trellis Code，STTC）和空时分组码（Space-Time Block Code，STBC）,循环延迟发射分集（CDD）,在不同的发射
9、天线上发送具有不同相对延时的同一个信号,人为地制造时间弥散，能够获得分集增益。且循环延时分集采用的是循环延时而不是线性延时，延迟是通过固定步长的移相（Cyclic Shift，循环移相）来等效实现延迟,空频发射分集,空频发射分集与空时发射分集类似，不同的是SFTD是对发送的符号进行频域和空域编码将同一组数据承载在不同的子载波上面获得频率分集增益,接收分集,多个天线接收来自多个信道的承载同一信息的多个独立的信号副本，由于信号不可能同时处于深衰落情况中，因此在任一给定的时刻至少可以保证有一个强度足够大的信号副本提供给接收机使用，从而提高了接收信号的信噪比,空间复用,发射的高速数据被分成几个并行的低
10、速数据流，在同一频带从多个天线同时发射出去。由于多径传播，每个发射天线对于接收机产生不同的空间签名，接收机利用这些不同的签名分离出独立的数据流，最后再复用成原始数据流。因此空间复用可以成倍提高数据传输速率,波束成形基本思想,MIMO中的波束形成方式与智能天线系统中的波束形成类似，在发射端将待发射数据矢量加权，形成某种方向图后到达接收端，接收端再对收到的信号进行上行波束形成，抑制噪声和干扰；与常规智能天线不同的是，原来的下行波束形成只针对一个天线，现在需要针对多个天线。通过下行波束形成，使得信号在用户方向上得到加强，通过上行波束形成，使得用户具有更强的抗干扰能力和抗噪能力。因此，和发分集类似，可
11、以利用额外的波束形成增益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。,波束成形原理图,波束成形的分类,按照信号的发射方式传统波束形成：当信道特征值只有一个或只有一个接收天线时，沿特征向量发射所有的功率实现波束形成；特征波束形成（Eigenbeamforming）：对信道矩阵进行特征值分解，信道将转化为多个并行的信道，在每个信道上独立传输数据。按反馈的信道信息瞬时信道信息反馈信道均值信息反馈信道协方差矩阵反馈,MIMO在LTE中的应用,基本处理流程单天线时的MIMO应用空间复用时的MIMO应用空间分集时的MIMO应用各信道的MIMO支持情况,基本处理流程,层映射原
12、理示意,预编码原理示意,单天线时的MIMO应用,层映射一个码字流映射到一层，将输入直接输出。预编码无需预编码，输入直接输出；是用来发射的天线口索引，如p=0，即经第0个天线口发射，其中天线口4专门为MBSFN用的，天线口5专门为UE用的。,空间复用时的MIMO应用层映射,层数VP，P表示物理信道用于发射的天线端口数，且码字流的个数最多为2；码字到层的映射可有1:1，1:2，2:2，2:3，2:4，且1:2的情况只用在P=4的情况下,空间复用时的层映射举例2:3,空间复用时的MIMO应用预编码,无CDD时的预编码,其中：W为阶数为P*V的预编码矩阵,空间复用时的MIMO应用预编码(续),大CDD
13、时的预编码,其中：W为阶数为P*V的预编码矩阵，D,U为V*V矩阵。加入CDD之后能够人为的制造多径效应，以获得更大的增益,不同层数下的D、U矩阵,2天线空间复用时的预编码码本W,4天线空间复用时的预编码码本W,发射分集时的MIMO应用层映射,只允许对一个码字进行层映射，层数V和物理信道用于发射的天线端口数P相等；码字到层的映射只允许有1：2和1：4，即一码字流映射至两层或四层。,发射分集时的MIMO应用预编码,2天线时的预编码,发射分集时的MIMO应用预编码(续),4天线时的预编码,2天线发射分集时层映射+预编码示意,4天线发射分集时层映射+预编码示意,各物理信道的MIMO支持情况,注：PHICH在2天线发射时的层映射和预编码与PBCH一致，在4天线时有自己的预编码矩阵，且常规CP和扩展CP时的矩阵不相同；SCH的发射分集方案没有明确规定，建议使用TSTD方案。,LTE整个下行过程,
