04 LO BT1003 C01 0 LTE MIMO 基本原理介紹 32

1、MIMO 基本原理介紹課程目標(biāo)：了解MIMO的基本概念了解MIMO的技術(shù)優(yōu)勢理解MIMO傳輸模型了解MIMO技術(shù)的典型應(yīng)用第 1 章 系統(tǒng)概述1.1 MIMO 基本概念1.2 LTE 系統(tǒng)中的 MIMO 模型 第 2 章 MIMO 基本原理2.1 MIMO系統(tǒng)模型2.2 MIMO系統(tǒng)容量2.3 MIMO關(guān)鍵技術(shù)2.3.1空間復(fù)用2.3.2空間分集2.3.3波束成形132.3.4上行天線選擇142.3.5上行多用戶 MIMO15第 3 章 MIMO 的應(yīng)用173.1 MIMO 模式概述173.2 典型應(yīng)用場景193.2.1 MIMO 部署193.2.2 發(fā)射分集的應(yīng)用場景213.2.3 閉環(huán)空間

2、復(fù)用的應(yīng)用場景223.2.4 波束成形的應(yīng)用場景23第 4 章 MIMO 系統(tǒng)性能分析254.1 MIMO 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析254.2 MIMO 系統(tǒng)仿真結(jié)果匯總27 #第1章系統(tǒng)概述知識(shí)點(diǎn)MIMO基本概念LTE系統(tǒng)中的MIMO模型1.1 MIMO基本概念多天線技術(shù)是移動(dòng)通信領(lǐng)域中無線傳輸技術(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 （Mult ip le Inp ut Multi pie out put: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，通過空時(shí)處理技術(shù)實(shí) 現(xiàn)分集

3、增益或復(fù)用增益，充分利用空間資源，提高頻譜利用率。2叫11HKcnffd Bipalcep7 * IIS圖1.1-1 MIMO系統(tǒng)模型總的來說，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)

4、 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。MIMO基本原理介紹CTE中興 MIMO基本原理介紹CTE中興 1.2 LTE系統(tǒng)中的MIMO模型無線通信系統(tǒng)中通常采用如下幾種傳輸模型: 單輸入單輸出系統(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MIISOTxmJRxTx1單輸入單輸岀系統(tǒng)塞輸入單輸出系統(tǒng)SIMOMJMORxOTxORxORxllTxlRx1單輸入多輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)模型如下圖所示。S1SO圖1.2-1典型傳輸模型示意圖在一個(gè)無線通信系統(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

5、統(tǒng)帶來可觀的增益。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MISO、SIMO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 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-MIMO )。SU-MIMO （單用戶MIMO ）:指在同一時(shí)頻單元上一個(gè)用戶獨(dú)占所有空間資源

6、, 這時(shí)的預(yù)編碼考慮的是單個(gè)收發(fā)鏈路的性能，其傳輸模型如下圖所示。ZTE中興第1章系統(tǒng)概述 ZTE中興第1章系統(tǒng)概述 MU-MIMO （多用戶MIMO ）:多個(gè)終端同時(shí)使用相同的時(shí)頻資源塊進(jìn)行上行傳輸， 其中每個(gè)終端都是采用1根發(fā)射天線，系統(tǒng)側(cè)接收機(jī)對(duì)上行多用戶混合接收信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合檢測，最后恢復(fù)出各個(gè)用戶的原始發(fā)射信號(hào)。上行MU-MIMO 是大幅提高LTE系統(tǒng)上行頻譜效率的一個(gè)重要手段，但是無法提高上行單用戶峰值吞吐量。 其傳輸模型如下圖所示。1VUE 11 PeNB 1圖1.2-3 多用戶MIMOZTE中興第2章 MIMO基本原理 MIMO基本原理介紹CTE中興 第2章MIMO基本原理知識(shí)點(diǎn)

7、MIMO系統(tǒng)模型MIMO系統(tǒng)容量MIMO關(guān)鍵技術(shù)2.1 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)多徑無線信道來說的。下圖所示為MIMO系統(tǒng)的原理圖。.T-*Nr個(gè)接收天線，xj （j = 1,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2 , Nt）表示第j號(hào)發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)，r i （i= 1,2 , ）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)

8、功率相同， 都為（T 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:門九1如仏h仏悅*鼻如1h凡2鼻:抵;聞r=Hx+ n寫成矩陣形式為:X-+3 _MIMO將多徑無線信道與發(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。2.2 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。無線 信道容量是評(píng)價(jià)一個(gè)無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

9、給出，而 MIMO系統(tǒng)的容量是多天線信道的容量問 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b 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表示求矩陣的行列式，如果對(duì)數(shù)log如果底為e,則信道容量的單位為則信道容量可以表示為:其中，H表示矩

10、陣進(jìn)行(Hermitian)轉(zhuǎn)置；detbitlsIHz。的底為2，則信道容量的單位為n ats/s/Hz。對(duì)信道矩陣進(jìn)行奇異值分解，從而將信道矩陣H 寫為：H = UDV H。其中，UN r X N r和VN t x N t是酉矩陣，即滿足 UU J in r x N r, WH = IN t X N t, D = A KXK 0;00 A = diag(寸Ti 2 ,pTk ) K 是信道矩陣的秩， 入1 八2T入k 0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：C = Vlog.detMEJL譏n噲咅t-1信道容量并不依賴于發(fā)射天線數(shù)目 信道相關(guān)矩陣的非

11、零特征值數(shù)目為 量的上限。當(dāng) Nr=Nt時(shí)，MIMO 系統(tǒng)信道容量上限的 Nr=Nt倍。LTE系統(tǒng)的下行Nt和接收天線數(shù)目Nr誰大誰小。一般情況下K =2，采用大延遲 CDD和雙流預(yù)編碼。高相關(guān)性環(huán)境：如果秩 =1，采用碼本波束成形或SFBC。SFBC和碼本波束信道相關(guān)性改變：如果信道相關(guān)性從低到高變化，采用 成形；如果信道相關(guān)性從高到低變化，采用雙流預(yù)編碼。3.用戶和小區(qū)的相對(duì)位置改變:小區(qū)中心：信噪比較高，采用雙流預(yù)編碼可以最大限度的提供系統(tǒng)容量;小區(qū)邊緣：信噪比較低，采用單流預(yù)編碼可以提供小區(qū)覆蓋;用戶和小區(qū)相對(duì)位置變化：如果從小區(qū)中心向小區(qū)邊緣移動(dòng)，采用單流預(yù)編碼，如SFBC和碼本波束

12、成形；如果從小區(qū)邊緣向小區(qū)中心移動(dòng)，在秩1時(shí)，采用雙流預(yù)編碼。3.2典型應(yīng)用場景3.2.1 MIMO 部署MIMO部署的幾種典型場景如下圖所示。場景A交叉根化場景C一寺* 0 p 七r營寺P P勺b中好寺0 0 * P *守審0 D b0寺七0 乜nb白立$寸亡石苦寺中廿書右幻TP W勺0弋b七0弋0“0 0 弋 0&圖3.2-1 MIMO的部署場景場景適用于覆蓋范圍廣的地區(qū)，如農(nóng)村或交通公路;簡單的多徑環(huán)境;采用模式6碼本波束成形;保持半波長間距的四根發(fā)射天線;增加約4db鏈路預(yù)算。適用于市區(qū)、郊區(qū)、熱點(diǎn)地區(qū)和多徑環(huán)境;更注重發(fā)射能力，而非覆蓋;2 / 4傳輸交叉極化天線;低流動(dòng)性：模式4閉

13、環(huán)空間復(fù)用;場景高流動(dòng)性：模式C：適用于室內(nèi)覆蓋;3發(fā)射分集。采用模式5多用戶MIMO ;在室內(nèi)覆蓋情況下，多用戶MIMO和SDMA原理類似;由于不同樓層之間的相關(guān)性較低，多個(gè)用戶可以在不同樓層使用相同的無 線資源。322發(fā)射分集的應(yīng)用場景MIMO系統(tǒng)的天線選擇方案如下圖所示。4天線eNB2天線MBAni3Ant4AntiAnt2AntiX XAnt2Case 1: Medium Correlation (4刀Case 3: Low Correlation(兩對(duì)天戯間距4zor10z；Afit1Art2Case?： Low Correlation dO/J適用于2GHzU類事Case 4: H

14、igh correlation (0.5ZJ圖3.2-2 MIMO系統(tǒng)的天線選擇方案MIMO系統(tǒng)的天線選擇方案:Case 1:Casel能夠滿足LTE系統(tǒng)的基本要求;適用于大多數(shù)情況，如高/低速移動(dòng)，高/低相關(guān)性信道衰落;性能較case2低;適用于 Mode2/3/4/5。Case 2: 適用于熱點(diǎn)區(qū)域和復(fù)雜的多徑環(huán)境;能夠提高系統(tǒng)容量;安裝難度高，尤其在頻率低于2GHz時(shí);適用于模式4/5。Case 3適用于所有模式;由于有四個(gè)天線端口，同兩天線端口相比，最大的優(yōu)點(diǎn)能夠提高上行覆蓋 范圍；安裝占用空間較大。Case 4綜上，網(wǎng)絡(luò)。用在LTE網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的第二個(gè)階段，尤其在上行鏈路能夠提高適用于模

15、式6 ； 適用于大覆蓋范圍，如農(nóng)村;需要考慮LTE天線類型的選擇;在LTE發(fā)展初期，case1是較好的選擇，它可以在大多數(shù)情況下發(fā)展LTECase2可以用在市區(qū)等數(shù)據(jù)速率要求較高的復(fù)雜多徑環(huán)境下。Case3/4能夠LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。在簡單的多徑環(huán)境如農(nóng)村，高相關(guān)性天線（ 雜的多路徑環(huán)境如市區(qū)，低相關(guān)性天線（case4）通常用來增加小區(qū)半徑。在復(fù) case1/2/3 ）通常用來增加峰值速率。3.2.3閉環(huán)空間復(fù)用的應(yīng)用場景 21 NA A7卡T閉環(huán)空間復(fù)用的實(shí)現(xiàn)原理如下圖所示。VyViII圖3.2-3閉環(huán)空間復(fù)用實(shí)現(xiàn)原理閉環(huán)空間復(fù)用適用于: 低速移動(dòng)終端;帶寬有限系統(tǒng)（高信噪比，尤其在小區(qū)中心

16、）UE反饋PMI和RI ； 復(fù)雜的多徑環(huán)境;天線具有低互相關(guān)性（天線間距10 /Jo說明:預(yù)編碼矩陣指示（Pre-coding Matrix Indicator ； PMI ）是指僅在閉環(huán)空間復(fù)用這種 發(fā)射模式下，終端（UE）告訴基站（eNode B）應(yīng)使用什么樣的預(yù)編碼矩陣來給 該UE的PDSCH信道進(jìn)行預(yù)編碼。秩指示（Rankindicator ； RI）是指在（開環(huán)、閉環(huán)）空間復(fù)用這2種發(fā)射模式下,關(guān)于信道沖激響應(yīng)（H）的秩（Rank）。即，RI=Rank（H）。324波束成形的應(yīng)用場景波束成形的應(yīng)用場景如下圖所示。圖3.2-4波束成形應(yīng)用場景低互相關(guān)性天線:天線間距較遠(yuǎn)且有不同的極化方

17、向 天線權(quán)重包括相位和振幅;對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)以補(bǔ)償信道相位，并確保接收信號(hào)的相位一致;可以為信道條件較好的天線分配更大功率;模式-7,非碼本波束成形。高互相關(guān)性天線:天線間距較小;不同天線端口的天線權(quán)重和信道衰落相同;不同相位反轉(zhuǎn)到終端的方向;適用于大區(qū)域覆蓋;通過增強(qiáng)接收信號(hào)強(qiáng)度來對(duì)抗信道衰落;模式-6，碼本波束成形。波束成形是在發(fā)射端將待發(fā)射數(shù)據(jù)矢量加權(quán)，形成某種方向圖后發(fā)送到接收端。在下行鏈路提供小區(qū)邊緣速率：增加信號(hào)發(fā)射功率，同時(shí)抑制干擾;無碼本波束成形：基于測量的方向性和上行信道條件，基站計(jì)算分配給每 個(gè)發(fā)射機(jī)信號(hào)的控制相位和相對(duì)振幅；基于碼本的波束成形：該機(jī)制和秩=1的MIM

18、O預(yù)編碼相同。UE從碼本中選擇一個(gè)合適的預(yù)編碼向量，并上報(bào)預(yù)編碼指示矩陣給基站。波束成形應(yīng)用場景:天線具有高互相關(guān)性;適用于簡單的多徑環(huán)境中，如農(nóng)村;跟空間復(fù)用相比，波束成形適合于干擾較小的環(huán)境。 第4章MIMO系統(tǒng)性能分析知識(shí)點(diǎn)了解不同MIMO模式下的系統(tǒng)性能4.1 MIMO系統(tǒng)仿真結(jié)果分析Case 1仿真條件:一個(gè)發(fā)射天線，兩個(gè)接收天線，即1T2R ；接收天線配置：0.5入;頻域帶寬：10 MHz;頻率復(fù)用1；Marco ISD 500 m。Case1仿真結(jié)果如下圖所示。小區(qū)頻譜效率2 小區(qū)辺緣頻譜效率(5%CDF) PB _ “10.051 C1T2ReNodeBQ.D40jO2un0.

19、0421T2RUE圖4.1-1Case1仿真結(jié)果Case 2仿真條件:兩個(gè)發(fā)射天線，兩個(gè)接收天線，即2T2R ；eNodeB天線配置：交叉極化;UE天線配置：0.5 Z；2TE中興第4章 MIMO系統(tǒng)性能分析 MIMO基本原理介紹CTE中興 秩自適應(yīng)：RI=1單流；RI1雙流。Case2仿真結(jié)果如下圖所示。小區(qū)頻譜效率2.3|.-小區(qū)邊緣頻譜效率(5% CDFO.ffi1i.a.A1.DD.aOHTe7632T2Ra.(Ma.cE001秩UENodeBI2T2R圖4.1-2 Case2仿真結(jié)果Case 3仿真條件:四個(gè)發(fā)射天線，兩個(gè)接收天線，即4T2R ；eNodeB天線配置：10 Z在兩個(gè)交

20、叉極化對(duì)之間;UE天線配置：0.5入;秩自適應(yīng)：RI=1單流；RI1雙流。Case3仿真結(jié)果如下圖所示。小區(qū)頻譜效率0.G495Q Q5Q.D40 03Q.D2a 014T2RUE小區(qū)邊緣頻譜效率(5% CDF).DQieNodeB圖4.1-3 Case3仿真結(jié)果三種場景下的 MIMO仿真結(jié)果對(duì)比如下圖所示。 在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)應(yīng)用場景和需求靈活配置。小區(qū)頻譜效率 小區(qū)邊緣頻譜效率(5% CDF)25%30% .5 .5D.M .3 .20.010,04950.042了1T2R2T2R4%4T2R ie%圖4.1-4 MIMO仿真結(jié)果對(duì)比4.2 MIMO系統(tǒng)仿真結(jié)果匯總F表對(duì)不同仿真條件下的MIMO系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行了匯總。表4.2-1 MIMO系統(tǒng)仿真結(jié)果匯總表仿真條件頻率復(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Case 143dBm/Antenna Macro ISD18.56311.57740.27510.0507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=5OOm,1O,2*2MIMO,R