mimo技術原理及在lte中的應用

1、MIMO技術原理及在LTE中的應用,中興通訊市場體系LTE產(chǎn)品規(guī)劃部姓 名：劉太江E-mail：×××,,膠片修改記錄,MIMO技術原理MIMO使用模式MIMO在LTE中的應用,,,MIMO技術原理,MIMO基本思想MIMO系統(tǒng)模型MIMO系統(tǒng)容量分析,MIMO基本思想,為了進一步提高頻譜的復用率，研究者們想到在通信的一方或雙方采用多個收發(fā)天線，主動地利用用戶的空間方位信息或空間信

2、道的冗余來提高系統(tǒng)的容量，這便是MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)的由來。其基本思想是在收發(fā)雙端采用多根天線，分別同時發(fā)射與接收，通過空時處理技術，充分利用空間資源，在無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,陣列增益：可以提高發(fā)射功率和進行波束形成；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)學模型,在發(fā)射器端配置Nt 個發(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 號發(fā)射天線發(fā)射的信號，r i（i＝1, 2 ,…… Nr ）表示第i 號接收天線接收的信號，hij 表示第j號發(fā)射天線到第i號接收天線的信道衰落系數(shù)。在接收端，

4、噪聲信號ni 是統(tǒng)計獨立的復零均值高斯變量，而且與發(fā)射信號獨立，不同時刻的噪聲信號間也相互獨立，每一個接收天線接收的噪聲信號功率相同，都為σ2，假設信道是準靜態(tài)的平坦瑞利衰落信道，模型圖如下,MIMO系統(tǒng)的信號模型可以表示為：,寫成矩陣形式為：,MIMO系統(tǒng)模型圖,MIMO系統(tǒng)容量分析,無線信道容量是評價一個無線信道性能的綜合性指標，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： 在發(fā)射端，發(fā)射信號是零均值獨立同分布的高斯變量，總的發(fā)射功率限制為Pt，各個天線發(fā)射的信號都有相等的功率Pt / Nt 。由于發(fā)射信號的帶寬足夠窄，因此認為它的頻率響應是平坦的，即信道是無記憶的。在接收端，噪聲信號ni是統(tǒng)計獨立的復零均值高斯變量，而且與發(fā)射信號獨立，不同時刻的噪聲信號間也相互獨立，每一個接收天線接收的噪聲信號功率相同，

6、都為σ2。假設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表示矩陣進行(Hermitian)轉(zhuǎn)置；det表示求矩陣的行列式，如果對數(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）,對信道矩陣進行奇異值分解，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，,是相關矩陣HHH的非零特征值。這樣，MIMO系統(tǒng)的信道容量可以進一步描述為,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 誰大誰小。一般情況下信道相關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Nr = Nt 時，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)個獨立的并行信道，其信道容量與min(Nr ，Nt)個并列SISO系統(tǒng)的信道容量之和等價，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。也就是說，采用MIMO技術，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,空間分集空間復用波束成形,MIMO的使用模式,空間分集 使用多根天線進行發(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)射分集空間復用發(fā)射的高速數(shù)據(jù)被分成幾個并行的低速數(shù)據(jù)流，在同一頻帶從多個天線同時發(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，形成某

10、種方向圖后到達接收端,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：很好的對抗傳輸信道的衰落易獲得相對穩(wěn)定的信號 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，通過對不同的天線發(fā)射的信號進行編碼達到空間分集的目的，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,空時發(fā)射分集,,通過對不同的天線發(fā)射的信號進行空時編碼達到時間和空間分集的目的；在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲導致的符號錯誤概率；空時編碼通過在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號的冗余度，從而使得信號在接收端獲得時間和空間分集增益?？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。,空時發(fā)射分集（續(xù)）,,STC技術的物理實質(zhì)在于：利用存在于空域與時域之間的正交或準正交

12、特性，按照某種設計準則，把編碼冗余信息盡量均勻映射到空時二維平面，以減弱無線多徑傳播所引起的空間選擇性衰落及時間選擇性衰落的消極影響，從而實現(xiàn)無線信道中高可靠性的高速數(shù)據(jù)傳輸。典型的有空時格碼（Space-Time Trellis Code，STTC） 和空時分組碼（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)送具有不同相對延時的同一個信號, 人為地制造時間彌散，能夠獲

13、得分集增益。且循環(huán)延時分集采用的是循環(huán)延時而不是線性延時，延遲是通過固定步長的移相（Cyclic Shift，循環(huán)移相）來等效實現(xiàn)延遲,空頻發(fā)射分集,,空頻發(fā)射分集與空時發(fā)射分集類似，不同的是SFTD是對發(fā)送的符號進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,,多個天線接收來自多個信道的承載同一信息的多個獨立的信號副本，由于信號不可能同時處于深衰落情況中，因此在任一給定的時刻至少可以保證有一個強度足夠

14、大的信號副本提供給接收機使用，從而提高了接收信號的信噪比,空間復用,,發(fā)射的高速數(shù)據(jù)被分成幾個并行的低速數(shù)據(jù)流，在同一頻帶從多個天線同時發(fā)射出去。由于多徑傳播，每個發(fā)射天線對于接收機產(chǎn)生不同的空間簽名，接收機利用這些不同的簽名分離出獨立的數(shù)據(jù)流，最后再復用成原始數(shù)據(jù)流。因此空間復用可以成倍提高數(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，形成某種方向圖后到達接收端，

15、接收端再對收到的信號進行上行波束形成，抑制噪聲和干擾；與常規(guī)智能天線不同的是，原來的下行波束形成只針對一個天線，現(xiàn)在需要針對多個天線。通過下行波束形成，使得信號在用戶方向上得到加強，通過上行波束形成，使得用戶具有更強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,按照信號的發(fā)射方式傳統(tǒng)波束形成：當信

16、道特征值只有一個或只有一個接收天線時，沿特征向量發(fā)射所有的功率實現(xiàn)波束形成；特征波束形成（Eigen－beamforming）：對信道矩陣進行特征值分解，信道將轉(zhuǎn)化為多個并行的信道，在每個信道上獨立傳輸數(shù)據(jù)。按反饋的信道信息瞬時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中的應用,基本處理流程單天線時的MIMO應用空間復用時的MIMO應用空間分集時的MIMO應用各信道的MIMO支持情況,基本處理流

17、程,層映射原理示意,預編碼原理示意,,單天線時的MIMO應用,層映射一個碼字流映射到一層，將輸入直接輸出。預編碼無需預編碼 ，輸入直接輸出； 是用來發(fā)射的天線口索引，如p=0，即經(jīng)第0個天線口發(fā)射，其中天線口4專門為MBSFN用的，天線口5專門為UE用的。,空間復用時的MIMO應用—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,空間復用時的層映射舉例—2:3,空間復用時的MIMO應用—預編碼,無CDD時的預編碼,其中：W為階數(shù)為P*V的預編碼矩陣,空間復用時的MIMO應用—預編碼(續(xù)),大CDD時的預編碼,其中：W為階數(shù)為P*V的預編碼矩陣， D,U為V*V矩陣。加入CDD之后能夠人為的制造多徑效應，以獲得更大的增益,不同層數(shù)下的D、U矩陣,2天線空間復用時的預編碼碼本W(wǎng),4天線空

19、間復用時的預編碼碼本W(wǎng),,發(fā)射分集時的MIMO應用—層映射,只允許對一個碼字進行層映射，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)射分集時的MIMO應用—預編碼,2天線時的預編碼,發(fā)射分集時的MIMO應用—預編碼(續(xù)),4天線時的預編碼,2天線發(fā)射分集時層映射+預編碼示意,,4天線發(fā)射分集時層映射+預編碼示意,,各物理信道的MIMO支持情況,注：PHICH在2天線