MIMO在LTE中的應(yīng)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(fù)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(fù)用。在LTE系統(tǒng)中，應(yīng)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的問(wèn)題，目前對(duì)于上行并不支持一個(gè)終端同時(shí)使用兩根天線進(jìn)行信號(hào)發(fā)送，即只考慮存在單一上行傳輸鏈路的情況。因此，在當(dāng)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(fù)用 空間復(fù)用的主要原理是利用空間信道的弱相關(guān)性，通過(guò)在多個(gè)相互獨(dú)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?。LTE系統(tǒng)中空間復(fù)用技術(shù)包括：開(kāi)環(huán)空間復(fù)用和閉環(huán)空間復(fù)用。開(kāi)環(huán)空間復(fù)用：LTE系統(tǒng)支持基于多碼字的空間復(fù)用傳輸。所謂多碼字，即用于空間復(fù)用傳輸?shù)亩鄬訑?shù)據(jù)來(lái)自于多個(gè)不同的獨(dú)立進(jìn)行信道編碼的數(shù)據(jù)流，每個(gè)碼字可以獨(dú)立地進(jìn)行速率控制。閉環(huán)空間復(fù)用：即所謂的線性預(yù)編碼技術(shù)。線性預(yù)編碼技術(shù)：作用是將天線域的處理轉(zhuǎn)化為波束域進(jìn)行處理，在發(fā)射端利用已知的空間信道信息進(jìn)行預(yù)處理操作，從而進(jìn)一步提高用戶和系統(tǒng)的吞吐量。線性預(yù)編碼技術(shù)可以按其預(yù)編碼矩陣的獲取方式劃分為兩大類：非碼本的預(yù)編碼和基于碼本的預(yù)編碼。 非碼本的預(yù)編碼方式：對(duì)于非碼本的預(yù)編碼方式，預(yù)編碼矩陣中發(fā)射端獲得，發(fā)射端利用預(yù)測(cè)的信道狀態(tài)信息，進(jìn)行預(yù)編碼矩陣計(jì)算，常見(jiàn)的預(yù)編碼矩陣計(jì)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(duì)于非碼本的預(yù)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(duì)稱性等。 基于碼本的預(yù)編碼方式：對(duì)于基于碼本的預(yù)編碼方式，預(yù)編碼矩陣在接收端獲得，接收端利用預(yù)測(cè)的信道狀態(tài)信息，在預(yù)定的預(yù)編碼矩陣碼本中進(jìn)行預(yù)編碼矩陣的選擇，并將選定的預(yù)編碼矩陣的序號(hào)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(fù)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?？梢圆捎肕IMO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(fù)用原理圖如下所示：空間分集 采用多個(gè)收發(fā)天線的空間分集可以很好的對(duì)抗傳輸信道的衰落?？臻g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(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，接收端可以獲得比單天線高的信噪比。 發(fā)射分集包含空時(shí)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(shí)發(fā)射分集（STTD）：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。 基于發(fā)射分集的空時(shí)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(shí)質(zhì)在于利用存在于空域與時(shí)域之間的正交或準(zhǔn)正交特性，按照某種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，把編碼冗余信息盡量均勻映射到空時(shí)二維平面，以減弱無(wú)線多徑傳播所引起的空間選擇性衰落及時(shí)間選擇性衰落的消極影響，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)格碼（Space-Time Trellis Code，STTC） 和空時(shí)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(shí)發(fā)射分集類似，不同的是SFBC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。 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(dú)立，以最大限度的獲取分集增益。3.循環(huán)延遲分集（CDD）： 延時(shí)發(fā)射分集是一種常見(jiàn)的時(shí)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(shí)發(fā)射分集并非簡(jiǎn)單的線性延時(shí)，而是利用CP特性采用循環(huán)延時(shí)操作。根據(jù)DFT變換特性，信號(hào)在時(shí)域的周期循環(huán)移位（即延時(shí)）相當(dāng)于頻域的線性相位偏移，因此LTE的CDD（循環(huán)延時(shí)分集）是在頻域上進(jìn)行操作的。下圖給出了下行發(fā)射機(jī)時(shí)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(fù)用聯(lián)合作用的大延時(shí)CDD模式。大延時(shí)CDD將循環(huán)延時(shí)的概念從天線端口搬到了SU-MIMO空間復(fù)用的層上，并且延時(shí)明顯增大，仍以兩天線為例，延時(shí)達(dá)到了半個(gè)符號(hào)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(dú)立，以最大限度的獲取分集增益。接收分集 接收分集指多個(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(duì)多徑無(wú)線信道來(lái)說(shuō)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(gè)發(fā)射天線，在接收器端配置了Nr個(gè)接收天線，xj（j1, 2 ,Nt）表示第j號(hào)發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)，r i（i1, 2 ,Nr）表示第i號(hào)接收天線接收的信號(hào)，hij表示第j號(hào)發(fā)射天線到第i號(hào)接收天線的信道衰落系數(shù)。在接收端，噪聲信號(hào)ni是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的復(fù)零均值高斯變量，而且與發(fā)射信號(hào)獨(dú)立，不同時(shí)刻的噪聲信號(hào)間也相互獨(dú)立，每一個(gè)接收天線接收的噪聲信號(hào)功率相同，都為2。假設(shè)信道是準(zhǔn)靜態(tài)的平坦瑞利衰落信道。 MIMO系統(tǒng)的信號(hào)模型可以表示為： 寫(xiě)成矩陣形式為：r=Hx+n MIMO將多徑無(wú)線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)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(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)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(biāo)志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。無(wú)線信道容量是評(píng)價(jià)一個(gè)無(wú)線信道性能的綜合性指標(biāo)，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(wèn)題。 假設(shè)：在發(fā)射端，發(fā)射信號(hào)是零均值獨(dú)立同分布的高斯變量，總的發(fā)射功率限制為Pt，各個(gè)天線發(fā)射的信號(hào)都有相等的功率Nt /Pt。由于發(fā)射信號(hào)的帶寬足夠窄，因此認(rèn)為它的頻率響應(yīng)是平坦的，即信道是無(wú)記憶的。在接收端，噪聲信號(hào)ni是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的復(fù)零均值高斯變量，而且與發(fā)射信號(hào)獨(dú)立，不同時(shí)刻的噪聲信號(hào)間也相互獨(dú)立，每一個(gè)接收天線接收的噪聲信號(hào)功率相同，都為2。假設(shè)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(jìn)行(Hermitian)轉(zhuǎn)置；det表示求矩陣的行列式，如果對(duì)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(duì)信道矩陣進(jìn)行奇異值分解，從而將信道矩陣H寫(xiě)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(jìn)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(shuí)大誰(shuí)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(dāng)Nr=Nt時(shí)，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(duì)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(gè)獨(dú)立的并行信道，其信道容量與min(Nr，Nt)個(gè)并列SISO系統(tǒng)的信道容量之和等價(jià)，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(zhǎng)。也就是說(shuō)，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(dòng)通信領(lǐng)域中無(wú)線傳輸技術(shù)的重大突破。通常，多徑效應(yīng)會(huì)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(gè)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(gè)天線，如下圖所示，通過(guò)空時(shí)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)分集增益或復(fù)用增益，充分利用空間資源，提高頻譜利用率。 總的來(lái)說(shuō)，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(wú)線信道更加“平穩(wěn)”，從而降低誤碼率，進(jìn)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(shí)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(gè)并行的數(shù)據(jù)流，然后分別在每根發(fā)送天線上進(jìn)行同時(shí)刻、同頻率的發(fā)送，同時(shí)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(gè)并行數(shù)據(jù)流的空間特性，在接收機(jī)端將其識(shí)別，并利用多用戶解調(diào)結(jié)束最終恢復(fù)出原數(shù)據(jù)流。LTE系統(tǒng)中的MIMO模型 無(wú)線通信系統(tǒng)中通常采用如下幾種傳輸模型：?jiǎn)屋斎雴屋敵鱿到y(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(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)中，天線是處于最前端的信號(hào)處理部分。提高天線系統(tǒng)的性能和效率，將會(huì)直接給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)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(shí)變-多徑衰落對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，人們不斷的尋找新的技術(shù)。采用時(shí)間分集（時(shí)域交織）和頻率分集（擴(kuò)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(jìn)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