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)兩端接受多根天線，分別同時(shí)放射與接收無(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)占全部空間資源，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)用戶共享全部的空間資源，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)？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：放射的高速數(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)放射出去。碼字≤層數(shù)≤放射天線數(shù)不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容——提高吞吐量更困難的預(yù)編碼技術(shù)——碼本空間分集（放射分集、接收分集和接收放射分集），運(yùn)用多根天線進(jìn)行放射和/或接收，依據(jù)收發(fā)天線數(shù)又分為放射分集、接收分集與接收放射分集。放射分集：是在放射端運(yùn)用多幅放射天線放射信息，通過(guò)對(duì)不同的天線放射的信號(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)放射分集STTD循環(huán)延遲分集CDD空頻放射分集SFTD放射分集通過(guò)對(duì)不同的天線放射的信號(hào)進(jìn)行空時(shí)編碼達(dá)到時(shí)間和空間分集的目的；在放射端對(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)在放射端的聯(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牢靠性，也可在同樣牢靠性下利用高階調(diào)制提高數(shù)據(jù)率和頻譜利用率。空時(shí)放射分集空頻放射分集與空時(shí)放射分集類似，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放射分集在不同的放射天線上發(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)分集接受的是循環(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)延遲放射分集（CDD）兩天線放射分集多個(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)不行能同時(shí)處于深衰落狀況中，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)副本供應(yīng)應(yīng)接收機(jī)運(yùn)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)用方式下層映射層映射 依據(jù)協(xié)議36.211，層數(shù)V≤P，P表示物理信道用于放射的天線端口數(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的狀況只發(fā)生在P=4的條件下?？臻g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)法供應(yīng)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

須要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)用須要UE反饋RI(秩指示)，且當(dāng)RI=1時(shí)為放射分集。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)編碼層映射依據(jù)協(xié)議，只允許對(duì)一個(gè)碼字進(jìn)行層映射，層數(shù)V和物理信道用于放射的天線端口數(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。放射分集方式下的層映射放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。放射分集2天線預(yù)編碼

放射分集方式下預(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

供應(yīng)放射分集對(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放射分集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)速率變更秩變更與小區(qū)的相對(duì)位置變更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)邊緣放射分集的應(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)景留意: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)碼字的狀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,RankAdaptive,20dB