mimo技術(shù)原理及在lte中的應(yīng)用

1、MIMO技術(shù)原理及在LTE中的應(yīng)用,中興通訊市場(chǎng)體系LTE產(chǎn)品規(guī)劃部姓 名：劉太江E-mail：×××,,膠片修改記錄,MIMO技術(shù)原理MIMO使用模式MIMO在LTE中的應(yīng)用,,,MIMO技術(shù)原理,MIMO基本思想MIMO系統(tǒng)模型MIMO系統(tǒng)容量分析,MIMO基本思想,為了進(jìn)一步提高頻譜的復(fù)用率，研究者們想到在通信的一方或雙方采用多個(gè)收發(fā)天線，主動(dòng)地利用用戶的空間方位信息或空間信

2、道的冗余來(lái)提高系統(tǒng)的容量，這便是MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)的由來(lái)。其基本思想是在收發(fā)雙端采用多根天線，分別同時(shí)發(fā)射與接收，通過空時(shí)處理技術(shù)，充分利用空間資源，在無(wú)需增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下，成倍地提升通信系統(tǒng)的容量與可靠性，提高頻譜利用率。,MIMO的優(yōu)點(diǎn),陣列增益：可以提高發(fā)射功率和進(jìn)行波束形成；系統(tǒng)的分集特性：可以改善信道衰落造成的干擾；系統(tǒng)的空間復(fù)用增益：可以構(gòu)造空間正交的信道，從而成倍地增加數(shù)據(jù)率；因此，充分

3、地利用MIMO 系統(tǒng)的這些優(yōu)秀品質(zhì)能夠大幅度地提高系統(tǒng)容量、獲得相當(dāng)高的頻譜利用率，從而可以獲得更高的數(shù)據(jù)率、更好的傳輸品質(zhì)或更大的系統(tǒng)覆蓋范圍。,MIMO系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,在發(fā)射器端配置Nt 個(gè)發(fā)射天線，在接收器端配置了Nr 接收天線，xj（j＝1, 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 ,…… 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，

4、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σ2，假設(shè)信道是準(zhǔn)靜態(tài)的平坦瑞利衰落信道，模型圖如下,MIMO系統(tǒng)的信號(hào)模型可以表示為：,寫成矩陣形式為：,MIMO系統(tǒng)模型圖,MIMO系統(tǒng)容量分析,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

5、容量由香農(nóng)(Shannon)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Pt / Nt 。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，

6、都為σ2。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 /σ2。,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。,MIMO系統(tǒng)容量分析（續(xù)1）,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 = UDVH

7、 其中，UN r×N r 和VN t× N t是酉矩陣，即滿足UUH= IN r×N r，VVH = IN t×N t,，,K是信道矩陣的秩，,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,MIMO系統(tǒng)容量分析（續(xù)2）,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K≤min(Nr ，Nt)，從

8、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)

9、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。,MIMO系統(tǒng)容量分析（續(xù)3）,,MIMO使用模式,空間分集空間復(fù)用波束成形,MIMO的使用模式,空間分集 使用多根天線進(jìn)行發(fā)射和/或接收，根據(jù)收發(fā)天線數(shù)又分為發(fā)射分集、接收分集與接收發(fā)射分集空間復(fù)用發(fā)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)發(fā)射出去波束成形在發(fā)射端將待發(fā)射數(shù)據(jù)矢量加權(quán)，形成某

10、種方向圖后到達(dá)接收端,空間分集,空間分集：發(fā)射分集、接收分集和接收發(fā)射分集分集優(yōu)點(diǎn)：很好的對(duì)抗傳輸信道的衰落易獲得相對(duì)穩(wěn)定的信號(hào) 可獲得分集處理增益 提高信噪比,發(fā)射分集,發(fā)射分集就是在發(fā)射端使用多幅發(fā)射天線發(fā)射信息，通過對(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，接收端獲得比單天線高的信噪比開環(huán)發(fā)射分集，閉環(huán)發(fā)射分集空時(shí)發(fā)射分集STTD，空頻發(fā)射分集SFTD ，循環(huán)延遲分集C

11、DD,空時(shí)發(fā)射分集,,通過對(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。,空時(shí)發(fā)射分集（續(xù)）,,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

12、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。典型的有空時(shí)格碼（Space-Time Trellis Code，STTC） 和空時(shí)分組碼（Space-Time Block Code，STBC）,循環(huán)延遲發(fā)射分集（CDD）,,在不同的發(fā)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

13、得分集增益。且循環(huán)延時(shí)分集采用的是循環(huán)延時(shí)而不是線性延時(shí)，延遲是通過固定步長(zhǎng)的移相（Cyclic Shift，循環(huán)移相）來(lái)等效實(shí)現(xiàn)延遲,空頻發(fā)射分集,,空頻發(fā)射分集與空時(shí)發(fā)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,接收分集,,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

14、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,空間復(fù)用,,發(fā)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)發(fā)射出去。由于多徑傳播，每個(gè)發(fā)射天線對(duì)于接收機(jī)產(chǎn)生不同的空間簽名，接收機(jī)利用這些不同的簽名分離出獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，最后再?gòu)?fù)用成原始數(shù)據(jù)流。因此空間復(fù)用可以成倍提高數(shù)據(jù)傳輸速率,波束成形基本思想,MIMO中的波束形成方式與智能天線系統(tǒng)中的波束形成類似，在發(fā)射端將待發(fā)射數(shù)據(jù)矢量加權(quán)，形成某種方向圖后到達(dá)接收端，

15、接收端再對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行上行波束形成，抑制噪聲和干擾；與常規(guī)智能天線不同的是，原來(lái)的下行波束形成只針對(duì)一個(gè)天線，現(xiàn)在需要針對(duì)多個(gè)天線。通過下行波束形成，使得信號(hào)在用戶方向上得到加強(qiáng)，通過上行波束形成，使得用戶具有更強(qiáng)的抗干擾能力和抗噪能力。因此，和發(fā)分集類似，可以利用額外的波束形成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。,,,波束成形原理圖,波束成形的分類,按照信號(hào)的發(fā)射方式傳統(tǒng)波束形成：當(dāng)信

16、道特征值只有一個(gè)或只有一個(gè)接收天線時(shí)，沿特征向量發(fā)射所有的功率實(shí)現(xiàn)波束形成；特征波束形成（Eigen－beamforming）：對(duì)信道矩陣進(jìn)行特征值分解，信道將轉(zhuǎn)化為多個(gè)并行的信道，在每個(gè)信道上獨(dú)立傳輸數(shù)據(jù)。按反饋的信道信息瞬時(shí)信道信息反饋信道均值信息反饋信道協(xié)方差矩陣反饋,,MIMO在LTE中的應(yīng)用,基本處理流程單天線時(shí)的MIMO應(yīng)用空間復(fù)用時(shí)的MIMO應(yīng)用空間分集時(shí)的MIMO應(yīng)用各信道的MIMO支持情況,基本處理流

17、程,層映射原理示意,預(yù)編碼原理示意,,單天線時(shí)的MIMO應(yīng)用,層映射一個(gè)碼字流映射到一層，將輸入直接輸出。預(yù)編碼無(wú)需預(yù)編碼 ，輸入直接輸出； 是用來(lái)發(fā)射的天線口索引，如p=0，即經(jīng)第0個(gè)天線口發(fā)射，其中天線口4專門為MBSFN用的，天線口5專門為UE用的。,空間復(fù)用時(shí)的MIMO應(yīng)用—層映射,層數(shù)V≤P，P表示物理信道用于發(fā)射的天線端口數(shù)，且碼字流的個(gè)數(shù)最多為2 ；碼字到層的映射可

18、有1:1，1:2，2:2，2:3，2:4，且1:2的情況只用在P=4的情況下,空間復(fù)用時(shí)的層映射舉例—2:3,空間復(fù)用時(shí)的MIMO應(yīng)用—預(yù)編碼,無(wú)CDD時(shí)的預(yù)編碼,其中：W為階數(shù)為P*V的預(yù)編碼矩陣,空間復(fù)用時(shí)的MIMO應(yīng)用—預(yù)編碼(續(xù)),大CDD時(shí)的預(yù)編碼,其中：W為階數(shù)為P*V的預(yù)編碼矩陣， D,U為V*V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,不同層數(shù)下的D、U矩陣,2天線空間復(fù)用時(shí)的預(yù)編碼碼本W(wǎng),4天線空

19、間復(fù)用時(shí)的預(yù)編碼碼本W(wǎng),,發(fā)射分集時(shí)的MIMO應(yīng)用—層映射,只允許對(duì)一個(gè)碼字進(jìn)行層映射，層數(shù)V和物理信道用于發(fā)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。,發(fā)射分集時(shí)的MIMO應(yīng)用—預(yù)編碼,2天線時(shí)的預(yù)編碼,發(fā)射分集時(shí)的MIMO應(yīng)用—預(yù)編碼(續(xù)),4天線時(shí)的預(yù)編碼,2天線發(fā)射分集時(shí)層映射+預(yù)編碼示意,,4天線發(fā)射分集時(shí)層映射+預(yù)編碼示意,,各物理信道的MIMO支持情況,注：PHICH在2天線