LTE空中接口技術(shù)與性能_3

1、一級建造師（通信與廣電類）繼續(xù)教育一級建造師（通信與廣電類）繼續(xù)教育主講主講: 西安郵電大學西安郵電大學 孫友偉孫友偉 教授教授2012.10.23一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育v MIMO MIMO技術(shù)簡介技術(shù)簡介v 上行上行MU-MIMOMU-MIMO的調(diào)度與解碼過程的調(diào)度與解碼過程v MIMO MIMO技術(shù)簡介技術(shù)簡介v 波束賦形技術(shù)波束賦形技術(shù)第三章第三章 LTE的的MIMO技術(shù)技術(shù)一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育 多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)是指依賴于使用多個接收發(fā)送天線的技術(shù)的通稱，包括多種數(shù)字信號處理技術(shù)。MIMO技術(shù)可用于提高系統(tǒng)性能，也可提高業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸率。MIM

2、O是無線移動通信領域天線技術(shù)的重大突破。任何一個無線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端采用了多個天線和天線陣列，就構(gòu)成一個無線MIMO系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)的組成大致可分為SISO、MISO、SIMO、MIMO、協(xié)作MIMO等幾種。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育SISO、MISO、SIMO結(jié)構(gòu)示意圖MIMO與寫作MIMO結(jié)構(gòu)示意圖一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育MIMO信道N MBSBSMSMS單發(fā)單收MSBS發(fā)射分集BS。MS發(fā)射分集MIMO天線收發(fā)方式變遷一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育下行下行開環(huán)發(fā)射分集空時編碼（STC），延遲分集（CDD），不同的天線輪流發(fā)射信號閉環(huán)發(fā)射分集基于

3、上、下行信道對稱的預編碼（TDD）基于終端反饋的編碼（FDD）空分復用單用戶空間復用（SU-MIMO）多用戶空間復用（MU-MIMO/SDMA）智能天線利用上、下行DoA對稱的波束賦形（FDD）上行上行發(fā)射分集天線選擇、天線切換空間復用虛擬MIMOLTE系統(tǒng)所采用的MIMO方式一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育3.1 MIMO技術(shù)簡介 MIMO技術(shù)所涉及的基本概念（1）碼字的起始點是Turbo編碼器的輸入端，終點在調(diào)試器的輸出端，碼字的數(shù)量則由信道編碼器的數(shù)量決定。（2）“層”的定義為一個空間數(shù)據(jù)流輸入到“虛天線”上，由Node B高層決定的空間復用時可用的數(shù)據(jù)流的個數(shù)。“秩”是信道矩陣H的

4、秩。秩小于等于發(fā)送天線和接收天線的最小值。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育3.1.1天線的種類與應用類型類型圖示圖示優(yōu)勢優(yōu)勢劣勢劣勢2路工程實施最簡單，可以利用現(xiàn)有天饋線系統(tǒng)；使用單天線，運營成本低；支持多頻段；可升級到4路結(jié)構(gòu)僅提供兩路處理性能4路4路處理功能；使用單個復合天線，運營成本低，有支持多頻段的潛力；可改善上行覆蓋范圍天線寬度受限，導致性能會有一定程度的影響；低頻段天線尺寸較大最佳4路處理性能；應用形式靈活可變；可以利用現(xiàn)有天潰敗線系統(tǒng)；支持多頻段；可改善上行覆蓋范圍，下行覆蓋性能看良好兩副天線，運營成本較高SDMA-MIMO天線陣列工程應用形式靈活，便于技術(shù)演進；容量較高（S

5、DMA-MIMO）;可同時支持4G系統(tǒng)并兼容2/3G系統(tǒng)；使用單個復合天線，運營成本低；上行覆蓋性能最好單頻段陣列，低頻段天線尺寸較大一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育3.1.2 碼字與層映射1.碼字 一個碼字的起始點是Turbo編碼器的輸入端，終在調(diào)試器的輸出端，碼字的數(shù)量則由信道編碼器的數(shù)量決定。LTE系統(tǒng)可支持多碼字（MCW）與單碼字（SCW）. 在LTE中，對于2或4天線結(jié)構(gòu)來說，最大碼字的數(shù)量都是2個。 單碼字的傳輸特點是：每層速率相同，僅反饋一路CQI信息，有聯(lián)合編碼增益，如圖3-1所示。 多碼字傳輸特點是：每層采用相適應的速率，每層單獨反饋CQI信息，提供串行干擾消除增益（SI

6、C）如圖3-2所示。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育信道編碼加擾調(diào)制碼字碼字到層的映射信道編碼加擾調(diào)制預編碼RF映射RF映射層 MIMO發(fā)送示意圖一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育圖3-1 單碼字傳輸方式圖3-2 多碼字傳輸方式一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育2.層映射 LTE的多天線采用秩自適應的技術(shù)，即發(fā)送數(shù)據(jù)流的個數(shù)與實際發(fā)送天線數(shù)可以不相等，在這些情況下，這些數(shù)據(jù)流通過預編碼的方式映射到實際的物理天線。這里的每個數(shù)據(jù)流就稱作一個“層”。碼字數(shù)、層數(shù)及與發(fā)射天線數(shù)的關(guān)系如下：碼字數(shù)層數(shù)發(fā)射天線數(shù) 根據(jù)所選用的MIMO方式，層映射可分為空間復用層映射和發(fā)送分集層映射。 發(fā)送分集層

7、映射：一個碼字映射到2或4（虛天線）上層數(shù)v等于天線端口數(shù)P，2層或4層，只發(fā)送一個碼字。 空間復用層映射： 1個或2個碼字可映射到1、2、3或4個層（虛天線）上。層對應于信道矩陣的秩，因此層數(shù)v小于等于天線端口數(shù)P。最多4層，但最多同時發(fā)送2個碼字。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育 “層”到天線口的映射的對應關(guān)系介紹如下：（1）空間復用：層的數(shù)量小于或等于發(fā)射天線的天線端口數(shù)量。（2）發(fā)送分集：層的數(shù)量等于發(fā)射天線的天線端口數(shù)量。 在LTE下行MIMO模式下，每層對應的數(shù)據(jù)都來自碼字。每個下行發(fā)射時刻每層的數(shù)據(jù)都是不同的，系統(tǒng)根據(jù)下行信道的Rank指示（RI）確定層的具體數(shù)目，之后利用預

8、編碼權(quán)值矩陣W(大小為P*v)將層中的數(shù)據(jù)映射到每個端口上；而在發(fā)送分集模式下，所有曾德數(shù)據(jù)都來自同一個碼字，經(jīng)過SFBC編碼后映射到各個下行端口。層數(shù)層數(shù)123、4天線口數(shù)量1、2、32、44層數(shù)層數(shù)24天線口數(shù)量24一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育 層映射過程（1）單天線口發(fā)送的層映射 如果采用單天線發(fā)送，那么只有一層，即v=1。（2）空間復用層映射 對于空間復用，層數(shù)v不能大于物理層信道發(fā)送的天線口的數(shù)量。（3）發(fā)送分集的映射層 對于發(fā)送分集，只有一個碼字，發(fā)射層數(shù)v等于發(fā)射天線端口P的數(shù)目。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育3.1.3 預編碼 對于MIMO，LTE天線映射包括了層

9、映射和預編碼兩個步驟。層映射的功能是把編碼調(diào)制完成的符號序列分配到一層或幾層上。預編碼起到改變信號所經(jīng)歷的空間信道的作用。LTE系統(tǒng)的預編碼過程為系統(tǒng)的預編碼過程為：（1）信號發(fā)射前，在eNode B進行預編碼；（2） eNode B和UE使用同樣預先確定的碼本集，并從中選取最合適的碼本矩陣；（3）UE進行信道估計，同時選擇最好的預編碼矩陣并向eNode B反饋其索引號。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育3.1.4 下行MIMO LTE系統(tǒng)下行鏈路可用的MIMO方式如下所示。 （1）控制信道的發(fā)射分集； （2）業(yè)務信道的MIMO/波束賦形方式； （3）支持E-MBMS的MIMO。一級建造師繼

10、續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育3.1.5 SU-MIMO與MU-MIMO 下行2x2 SU（單用戶）-MIMO示意圖一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育 下行MU（多用戶）-MIMO示意圖一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育 上行MU（多用戶）-MIMO示意圖一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育3.2 上行MU-MIMO的調(diào)度與解碼過程 3.2.1 上行MU-MIMO的調(diào)度 上行MU-MIMO技術(shù)通過在同一指定的TTI中為不同的UE分配相同的資源塊，提高是上行鏈路吞吐量。UE不知道其所占用的資源塊與其他UE之間是有重疊的。eNode B采用基于SINR測量的MU-MIMO發(fā)射技術(shù)來判定哪兩個UE可以

11、配對應用。如果一個UE至少存在另一個可以與之配對的UE,那么這個UE將被列入候選集，否則，它將采用SIMO發(fā)射。通常，調(diào)度機制中實際可配對的UE數(shù)要小于15。 在MU-MIMO實際應用中，用戶配對是最重要的步驟，對系統(tǒng)性能影響很大，可以選擇隨機配對與正交配對。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育 隨機配對：當?shù)赜袀€UE已經(jīng)選定，就可進行隨機配對，無需信道探測。 正交配對：當?shù)匾粋€UE已經(jīng)選定，通過信道哦矩陣進行正交配對，需要信道探測。這里以3GPP的標準建議中提出的隨機調(diào)度算法舉例。隨機調(diào)度算法舉例一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育 上行MU-MIMO方式在每個調(diào)度周期內(nèi)收縮可配對的用戶。假

12、設在n時隙測量的SINR表示為SINRn，則SINRn的計算公式如下： 其中K為一個時隙中的導頻數(shù)量；SINRn,k為在時隙n子載波k上的SINR的測量值即： 一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育3.2.2 上行MU-MIMO的解碼 MIMO-OFDM是一種能夠提高速率和增大系統(tǒng)容量的技術(shù)。為了提高速率，接收端需要獲得精確的信道狀態(tài)信息。 右圖為MU-MIMO解碼的信令處理過程：一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育 其中， 和 ：分別對應于接收天線0和接受天線1在子載波k（在“移除CP+FFT模塊之后”）的接受信號： 和 ：用戶0在接受天線0和接收天線1上對子載波K的信道估計： 和 ：用戶1在

13、接受天線0和接受天線1上對子載波k的信道估計（兩個用戶在MU-MIMO模式下的參考信號必須是正交的）； 和 ：在接收天線0和接收天線1的噪聲變化估計。由此可得出：用戶1的輸出信號可表示為： ky0 ky1 kh00 kh01 kh11 kh012021一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育用戶2的輸出信號可表示為： 從輸出的信號可以看到，如果接收機不是工作咋MU-MIMO模式下，則等同于使用最大比合并（MRC）的SIMO接收機。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育3.3 MIMO性能 MIMO技術(shù)相對于傳統(tǒng)的接收分集等技術(shù)的特點在于發(fā)射端和接收端均采用了多副天線，利用空間維度資源讓每個天線發(fā)送獨

14、立的數(shù)據(jù)流，從而在不增加發(fā)射功率和寬帶的前提下，成倍提高無線通信系統(tǒng)的傳輸容量。MIMO信道的本質(zhì)是提供多個并行傳輸通道來同時傳送多路獨立的數(shù)據(jù)以提高系統(tǒng)的吞吐率和頻譜效率。 1.SM-MIMO的下行自適應編碼（AMC）性能如右圖所示：一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育從上面的仿真結(jié)果可以得出以下初步結(jié)論：（1）隨著運動速度的增加，性能中毒降低；（2）系統(tǒng)可支持350km/h的移動速度；（3）當SNR小于16dB時，MCS性能都較低2.SFBC的下行自適應編碼（AMC）性能如下圖所示：一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育從上面的仿真結(jié)果可以得出一下初步加侖：（1）SFBC與SM-MIMO相比

15、具有更好的抗衰落想能，在EVA30衰落條件下可以和AWGN下吞吐量相當；（2）隨著運動速度的增加，性能平緩降低；（3）系統(tǒng)可支持350km/h的移動速度；（4)當SNR小于16DB時，MCS性能都較低。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育3.4 波束賦形技術(shù)波束賦形技術(shù)有如下特點：（1）波束賦形是LTE中提高覆蓋和容量的一種解決方案；（2）波束賦形使用自適應或固定發(fā)射，接收波束圖實現(xiàn)對信號的空間選擇性； （3）波束賦形算法可基于用戶DOA（天線陣元的間隔為半波長）或用戶空間特征實現(xiàn)（主要適應于NLOS場景）；（4）基于上行估計的下行鏈路波束賦形；該算法適用于LOS場景或角度擴散小的場景且要求天

16、線真遠的艱巨d且UE中低速；（5）基于反饋的DL波束賦形：該算法可適用于天線的任意幾何形狀，且對陣元間隔，直射徑。散射角均無要求，且UE中低速；（6）波束賦形可以形成具有有限零點的方向波束；（7）天線陣元越多，所形成的波束越窄，波束形成增益越大，消除干擾的能力越強；（8）波束賦形包括固定和動態(tài)波束形成技術(shù)；（9）波束賦形不能很好地適用于UE高速的場景。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育波束賦形算法中的兩種權(quán)值產(chǎn)生的方法波束賦形算法中的兩種權(quán)值產(chǎn)生的方法：（1）基于上行估計的下行鏈路波束賦形（2）基于反饋的DL波束賦形波束賦形兩種反饋方式的區(qū)別波束賦形兩種反饋方式的區(qū)別：（1）碼本反饋方式：信

17、道信息通過上下行信道的對稱性得到（適應于FDD和TDD系統(tǒng)）使用公共導頻進行數(shù)據(jù)調(diào)解，開銷主要為上行PMI反饋，為了減少UE反饋開銷，需要對信道信息進行量化。（2）非碼本反饋方式：信道信息通過上下行信道的對稱性得到（適用于TDD系統(tǒng)），使用專用導頻進行數(shù)據(jù)解調(diào)，開銷主要為下行專用導頻。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育3.4.1 基于波束賦形的非碼本反饋方式 基于波束賦形的非碼本反饋方式是一種自適應波束賦形技術(shù)，每個天線陣元的權(quán)值可以通過DoA測量的方式進行調(diào)整。這種類型的BF在實際應用中是最適宜的，可以采用Wiener模型來得以實現(xiàn)。 下圖是基于波束賦形的非碼本反饋方式的一個應用實例。從圖

18、中可以看出，賦形后的波束都指向格子的UE所處的方向，UE位于波束主瓣中間。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育 參照現(xiàn)行的LTE標準，采用基于波束賦行的非碼本反饋方式有以下一些問題： （1）基于波束賦行的非碼本反饋方式可以改善PDSCH的覆蓋范圍，但它無法同時適用于PDCCH、PBCH、PMCH等公共信道； （2）當天線陣元較多時，波束寬度是非常窄的在多經(jīng)及散射較多的環(huán)境下尤其是密集區(qū)域，將會導致DoA估計產(chǎn)生偏差，致使性能下降； （3）如果所有的基站都使用自適應波束賦行方式，波束方向需要逐個子幀的由一個UE切換到另一個UE，這樣就很難得到相對精確的干擾測量結(jié)果，這將導致SINR波動很大，不利

19、于UE進行MCS的確定； （4）為了準確估算DoA，包括基站射頻前端在內(nèi)的天線陣列系統(tǒng)在幅度和相位兩方面都必須進行測量校正，增加了系統(tǒng)復雜性； （5）為了保證性能，需要增加專用參考信號來輔助進行信道估計； （6）該種方式對廣播和組播的業(yè)務性能沒有改善。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育3.4.2 基于波束賦形的碼本反饋方式 與基于波束賦形的非碼本反饋方式相比，基于波束賦形的碼本反饋方式是一種相對簡單的固定波束賦形技術(shù)。通過分別為每個UE選擇最佳波束來獲得良好的性能，這種方式可用于增加同時傳輸?shù)挠脩魯?shù)。這時要求每個波束需要有一個相互正交的下行參考信號加以區(qū)分。使用這種方式時，采用預編碼的單個數(shù)

20、據(jù)流（SU-MIMO方式）可以認為是最多支持4個發(fā)射天線的基于波束賦形的碼本反饋方式來實現(xiàn)的，因為使用的碼本已知，波束方向是固定的，不需要任何特定的導頻來區(qū)分用戶。 基于波束賦形的碼本反饋方式可以采用基于DFT發(fā)射權(quán)值來形成賦形波束。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育 下圖是基于波束賦形的碼本反饋方式的一個應用實例。從中可以看后的波束方向固定，系統(tǒng)UE根據(jù)所處的方向分配相應的波束，UE位于該波束的任意位置。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育 參照現(xiàn)行的LTE標準，采用基于波束賦行的碼本反饋方式有以下一些問題： （1）基于波束賦行的碼本反饋方式可以改善PDSCH的覆蓋范圍，但它無法同時兼顧P

21、DCCH、PBCH、PMCH等公共信道； （2）當天線陣元較多時，波束寬度是非常窄的，在多經(jīng)及散射較多的環(huán)境下，尤其是密集區(qū)域，將會導致DoA估計產(chǎn)生偏差，致使性能下降； （3）如果所有的基站都使用自適應波束賦行方式，波束方向需要逐個子幀的由一個UE切換到另一個UE，這樣就很難得到相對精確的干擾測量結(jié)果，這將導致SINR波動很大，不利于UE進行MCS的確定； （4）這種方式需要針對不同場景重新設計碼本； （5）該種方式對廣播和組播的業(yè)務性能沒有改善一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育3.4.3 BF和MIMO的結(jié)合 在這種方案中，天線振子采用交叉極化的方式，如下圖所示。天線內(nèi)部每個交叉極化的陣元間距是波長的二分之一，同樣通過陣元間信號相關(guān)性形成波束。而兩組交叉極化天線陣元可用于MIMO傳送，如SFBC、SM等方式。一級建造師繼續(xù)教育一級建造師繼續(xù)教育 對于現(xiàn)行LTE系統(tǒng)設計來講，為了對其MIMO標準要求修改最少