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MIMO多天线技术课程内容MIMO基本原理MIMO的工作模式MIMO系统的实现自适应MIMO多用户MIMOMIMO基本原理概述数学模型极限容量多天线技术增益MIMO基本原理概述:MIMO技术的基本出发点是将用户数据分解为多个并行的数据流,在指定的带宽内由多个发射天线上同时刻发射,经过无线信道后,由多个接收天线接收,并根据各个并行数据流的空间特性,利用解调技术,最终恢复出原数据流。MIMO基本原理概述:最早的多天线技术是一种接收分集的技术如采用多天线发送相同的数据流,它们是相互干扰的,甚至会相互抵消,起不到发送分集的作用,要想实现发送分集,必须解决发送天线之间无线链路正交性的问题。多天线正交性的问题最终被攻克,于是MIMO技术成熟了。MIMO基本原理数学模型:R=HS+NR:接收数据流向量H:空间信道变换矩阵S:发射数据流向量N:噪声影响向量MIMO基本原理极限容量:单天线系统:C=B*LOG2(1+S/N)SIMO系统:C=B*LOG2(1+MrPt/δ*h²)MISO系统:C=B*LOG2(1+MtPt/δ*h²)MIMO系统:C=MIN(Mr,Mt)*B*LOG2(1+Pt/δ*λ)其中:Pt:天线发射功率,Mr:接收天线数Mt:发射天线数,δ:白噪声的方差h:衰减系数λ:空间信道转换矩阵的特征根MIMO基本原理多天线技术增益:阵列增益功率增益分集增益空间复用增益干扰抑制增益MIMO基本原理多天线技术增益和系统性能改善的关系改善系统覆盖提高链路可靠性提高系统容量提高用户峰值速率阵列增益√功率增益√分集增益√√空间复用增益√√干扰抑制增益√√√课程内容MIMO基本原理MIMO的工作模式MIMO系统的实现自适应MIMO多用户MIMOMIMO的工作模式MIMO系统的多个输入和多个输出实际上就是多个信号流在空中的并行传输提高信息传送效率的工作模式就是MIMO的复用模式提高信息传送可靠性的工作模式就是MIMO的分集模式MIMO的工作模式空间复用模式:空分复用的思想是把一个高速的数据流分割为几个速率较低的数据流,分别在不同的天线进行编码、调制,然后发送。天线之间相互独立,一个天线相当于一个独立的信道。接收机利用空间均衡器分离接收信号,然后解调、解码,将几个数据流合并,恢复出原始信号。空时编码MIMO的工作模式空间分集模式空间分集的思想是制作同一个数据流的不同版本,分别在不同的天线进行编码、调制、然后发送。这个数据流可以是原来要发送的数据流,也可以是原始数据流经过一定的数学变换后形成的新数据流。同一个东西,不同的面貌。不管是复用技术还是分集技术,都涉及把一路数据变成多路数据的技术,即空时编码技术。MIMO的工作模式STBC:空时块编码SFBC:空频块编码TSTD/FSTD:时间/频率转换传送分集CDD:循环延时分集MIMO的工作模式STBC的主要思想是在空间和时间两个维度上安排数据流的不同版本,可以有空间分集和时间分集的效果,从而降低信道误码率,提高信道可靠性。Z=S1S2-S2*S1*时间天线MIMO的工作模式SFBC的主要思想是在空间和频率两个维度上安排数据流的不同版本,可以有空间分集和频率分集的效果。Z=S1S2-S2*S1*子载波天线MIMO的工作模式TSTD也是在空间和时间两个维度上安排数据流的不同部分,可以有空间分集和时间分集的效果。S1S3S5S7S2S4S6时间空间(天线口)1msMIMO的工作模式CDD也是在空间和时间两个维度上安排数据流的,可以有空间分集和时间分集的效果。S2S1S2S1时间空间(天线口)1msMIMO的工作模式CDD矩阵表示形式:Z=S(t)S(t-t)子载波天线t:是CDD的时延量MIMO的工作模式LTE中7种MIMO模式6Mode6码本波束成形提供发射分集对抗衰落提高峰值速率提高系统容量1Mode1单天线端口2Mode2发射分集3Mode3开环空间复用457Mode4闭环空间复用Mode5多用户MIMOMode7非码本波束成形适用于高速移动环境适用于单天线端口提高小区覆盖,抑制干扰MIMO的工作模式MIMO模式在下行物理信道的应用物理信道Mode1Mode2Mode3–Mode7PDSCHPBCHPCFICHPDCCHPHICHSCHMIMO的工作模式MIMO模式的应用小区边缘小区中心市区高速移动小区边缘低速移动(室内)中速移动MIMO的工作模式传输方案信道相关性移动性数据速率在小区中的位置发射分集(SFBC)低高/中速移动低小区边缘开环空间复用低高/中速移动中/低小区中心/边缘双流预编码低低速移动高小区中心多用户MIMO低低速移动高小区中心码本波束成形高低速移动低小区边缘非码本波束成形高低速移动低小区边缘MIMO模式总结课程内容MIMO基本原理MIMO的工作模式MIMO系统的实现自适应MIMO多用户MIMOMIMO系统的实现空间分集:2——24——4码字流数据码字1码字2最多2个码字流最多4层延迟编码矩阵层1层4天线端口1天线端口单天线:1——1直接映射bit级处理每个码字流独立处理层映射调制QPSK/16QAM/64QAM空间复用:1——1(特指单天线发射)1——22——22——32——4发射分集:1——21——42q4P4PCRC、码块分割、编码、速率匹配、码块级连、加扰码本编码矩阵无延迟:不改变层数大延迟:不改变层数目的:引入一定的分集增益预编码单天线:1——1无预编码[]I矩阵[]矩阵空间复用:1——22——24——4[]P矩阵[]PP矩阵P约定:MAC层最多4个天线端口symbol级处理各端口数据资源映射天线端口天线端口1P各端口数据OFDM调制天线端口天线端口1P样点级处理1PM每端口天线数目端口广播加权14M端口广播加权48M31M天线分组处理一般情况:IFFT1iM特殊情况:因此总的天线数:1iM1PppNM1/2/4P1/2/4N特殊情况1:1iqPM特殊情况2:11,4/6/8....qPM特殊情况3:11,5,148qPMMIMO系统的实现多码字编码调制编码调制层映射预编码OFDM符号OFDM符号OFDM符号OFDM符号天线口0天线口1天线口2天线口3码字0码字1多码字目前,由于LTE系统接收端最多支持2天线,能够发送的相互独立的编码调制数据流的数量最多为2,所以不管发送端天线数目为1、2或4还是8,码字的最大值为2.这样,就出现了码字数目和天线数目不匹配的问题。于是,MIMO经过层映射和预编码将码字数目和天线口数目匹配起来。MIMO系统的实现MIMO系统的实现层映射根据协议36.211,层数V≤P,P表示物理信道用于发射的天线端口数,且码字流的个数最多为2。协议规定:码字到层的映射可有1:1,1:2,2:2,2:3,2:4。且1:2的情况只发生在P=4的条件下。MIMO系统的实现空间复用方式时2:3模式层映射d(0)(i)d(1)(i)d(0)(i)=x(0)(i)x(0)(i)x(1)(i)码字流0码字流1层0层1串转并d(1)(2i)=x(1)(i)d(1)(2i+1)=x(2)(i)x(2)(i)层2一个码字流逐个比特依次转换到不同的层层数目一定小于或等于天线端口数量,一定小于或等于信道矩阵秩的大小。一定大于或等于码字数目。这是因为层是码字和天线的中间过渡。在多数情况下,层数目等于秩的大小。MIMO系统的实现预编码:预编码过程是将层数据按照一定规则映射到不同的天线端口上的过程。预编码过程同样有分集和复用的区别,也有开环和闭环的差别。接收端是否反馈信道状态信息CSI是判断开环闭环的依据。MIMO系统的实现MIMO系统的实现闭环空间复用预编码W(i)是阶数为P*V的预编码矩阵。需要UE反馈PMI(预编码矩阵指示),RI(秩指示)闭环空分复用一般采用基于码本的预编码矩阵选择机制。)()()()()()1()0()1()0(ixixiWiyiyP开环空间复用预编码开环空分复用一般采用循环延时分集CCD来降低信道间衰落的相关性,增加传输的可靠性。MIMO系统的实现)()()()()()()1()0()1()0(ixixUiDiWiyiyPW是阶数为P*V的预编码矩阵,D,U为矩阵。D实现不同层的时延,U实现符号间的时延。加入CDD之后能够人为的制造多径效应,以获得更大的增益。开环空间复用需要UE反馈RI(秩指示),且当RI=1时为发射分集。两天线时Codebook的索引号为0,四天线时Codebook的索引号为12-15。2天线的开环发射分集一般采用SFBC4天线的开环发射分集采用SFBC+FSTDMIMO系统的实现课程内容MIMO基本原理MIMO的工作模式MIMO系统的实现自适应MIMO多用户MIMO自适应MIMO自适应MIMO系统的实现来自于三个方面:1、天线相关性问题天线互不相关性主要靠空间隔离来实现,也可以按照极化方式的不同来实现。2、接收端复杂性问题接收机设计时既要考虑发挥MIMO技术的优点,又要降低接收机实现的复杂性3、信道估计发射端发射数据的方式来源于对接收端接收效果的正确估计。自适应MIMO多码字编码调制编码调制层映射预编码OFDM符号OFDM符号OFDM符号OFDM符号天线口0天线口1天线口2天线口3码字0码字1接收反馈PMIRICQI0/1自适应MIMOCQI反馈决定了编码和调制的方式,通过CQI的大小,实现自适应调制编码AMC。采用两个码字的MIMO系统需反馈两个CQI.空间信道秩的大小描述了发送端和接收端空间信道的最大不相关性的数据传送通道数目。预编码矩阵标识PMI决定了从层数据流到天线端口的对应关系。预编码矩阵选取的判断准则有两个:信噪比最大化(即容量最大化)和码距最小化(误比特率的最小化)课程内容MIMO基本原理MIMO的工作模式MIMO系统的实现自适应MIMO多用户MIMO下行MU-MIMO从下行方向上来看,MIMO系统可以将不同天线上的时频资源安排给一个用户(SU-MIMO),也可以安排给不同的用户(MU-MIMO)。无论是单用户还是多用户MIMO都可以是自适应的MIMO。通过用户反馈PMI动态的调整预编码矩阵,从而改善MIMO性能。多用户MIMO上行MU-MIMO多个单天线用户终端组成一组,在相同的时频资源块上,传送上行数据的方法,称为虚拟MIMO技术。在上行方向,一组使用相同时频资源的不同终端的数据发射,就可以等效使用多个天线的工作,这样起到了提高上行吞吐量的效果。多用户MIMO上行MU-MIMO在3GPP的LTE中采用的是基站集中统一调度的用户配对方式。1、随机配对法2、正交用户配对法(依据用户反馈的CSI)多用户MIMOMIMO多天线技术谢谢!
本文标题:MIMO技术
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