LTE MIMO 基本原理介绍

LTEMIMO基本原理介绍课程目标•了解LTE系统中的MIMO模型•了解MIMO技术的优势•理解MIMO传输模式•了解MIMO技术的典型应用课程内容•MIMO技术简介•MIMO基本原理•MIMO在LTE中的应用•MIMO性能分析几种传输模型单输入单输出系统多输入单输出系统单输入多输出系统多输入多输出系统什么是MIMO？•MIMO(MultipleInputMultipleoutput：多输入多输出)系统，其基本思想是在收发两端采用多根天线，分别同时发射与接收无线信号。•SU-MIMO（单用户MIMO）：指在同一时频单元上一个用户独占所有空间资源，这时的预编码考虑的是单个收发链路的性能；•MU-MIMO（多用户MIMO）：指在同一时频单元上多个用户共享所有的空间资源，相当于一种空分多址技术，这时的预编码还要和多用户调度结合起来，评估系统的性能。LTE中的MIMO模型•多输入单输出（MISO）系统：MIMO系统容量多输入多输出（MIMO）系统：单输入多输出（SIMO）系统：221log(1||)//MiiChbsHz221log(1||)//NiiChbsHzN*221log[det()]log(1)//mEPMiiCIHHbsHzNNMIMO系统中，系统容量随着天线数目的增加成线性增加。22log(1||)//ChbsHz单输入单输出（SISO）系统：为什么选择MIMO技术？MIMO为无线资源增加了空间维的自由度。MIMO通过空时处理技术，充分利用空间资源，在无需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性，提高频谱利用率。MIMO能够获得比单入单出（SISO），单入多出（SIMO）和多入单出（MISO）更高的信道容量。课程内容•MIMO技术简介•MIMO基本原理•MIMO在LTE中的应用•MIMO性能分析MIMO系统模型图111211112122222212ttttrrrrtNNNNNNNNNhhhxnrhhhxnrxnrhhhMIMO系统信号模型表达式MIMO系统模型图MIMO原理接收机数据流编码编码信道交织信道交织QPSK16QAM调制QPSK16QAM调制DetectorDetector复用数据流v12v21v11v22发射机解复用空间复用和空间分集技术能够提高速率。MIMO关键技术：空间复用，空间分集，波束成形，层映射和预编码。空间复用•空间复用：发射的高速数据被分成几个并行的低速数据流，在同一频带从多个天线同时发射出去。–码字≤层数≤发射天线数–不同的数据内容——提高吞吐量–更复杂的预编码技术——码本空间分集（发射分集、接收分集和接收发射分集），使用多根天线进行发射和/或接收，根据收发天线数又分为发射分集、接收分集与接收发射分集。发射分集：是在发射端使用多幅发射天线发射信息，通过对不同的天线发射的信号进行编码达到空间分集的目的，接收端获得比单天线高的信噪比。空时发射分集STTD循环延迟分集CDD空频发射分集SFTD发射分集•通过对不同的天线发射的信号进行空时编码达到时间和空间分集的目的；•在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声导致的符号错误概率；•空时编码通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使得信号在接收端获得时间和空间分集增益。可以利用额外的分集增益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。空时发射分集•空频发射分集与空时发射分集类似，不同的是SFTD是对发送的符号进行频域和空域编码•将同一组数据承载在不同的子载波上面获得频率分集增益空频发射分集•在不同的发射天线上发送具有不同相对延时的同一个信号,人为地制造时间弥散，能够获得分集增益。且循环延时分集采用的是循环延时而不是线性延时，延迟是通过固定步长的移相（CyclicShift，循环移相）来等效实现延迟。循环延迟发射分集（CDD）两天线发射分集•多个天线接收来自多个信道的承载同一信息的多个独立的信号副本。•由于信号不可能同时处于深衰落情况中，因此在任一给定的时刻至少可以保证有一个强度足够大的信号副本提供给接收机使用，从而提高了接收信号的信噪比。接收分集MIMO关键技术-层映射和预编码空间复用•空间复用方式下层映射•空间复用方式下预编码•闭环空间复用预编码•开环空间复用预编码发射分集•发射分集方式下的层映射•发射分集方式下预编码•发射分集两天线预编码空间复用方式下层映射•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。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空间复用方式下预编码•预编码：克服无线信道的相关性。当多路径信道在一个或多个MIMO接收机上无法提供足够的SINR（信噪比）时，预编码技术可以极大地提高系统性能。闭环空间复用预编码•无CDD时的预编码•W是阶数为P*V的预编码矩阵。•闭环空间复用需要UE反馈PMI(预编码矩阵指示),RI(秩指示)。)()()()()()1()0()1()0(ixixiWiyiyP•大CDD时的预编码（开环空间复用）•W是阶数为P*V的预编码矩阵，D,U为矩阵。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。开环空间复用预编码)()()()()()()1()0()1()0(ixixUiDiWiyiyP•层映射–根据协议，只允许对一个码字进行层映射，层数V和物理信道用于发射的天线端口数P相等。–码字到层的映射只允许有1：2和1：4，即一码字流映射至两层或四层。发射分集方式下的层映射•发射分集方式的层映射要求映射层数和天线口数目相等，且层映射只有1：2和1：4，故预编码模块输入的层数也是2层或4层。•发射分集2天线预编码•发射分集方式下预编码)(Im)(Im)(Re)(Re00101001000121)12()12()2()2()1()0()1()0()1()0()1()0(ixixixixjjjjiyiyiyiy层映射预编码x4x3x2x1x3x1x4x2x4x3x2x1x3(虚反)x4(实反)x1(虚反)x2(实反)Antenna0Antenna1LTE整个下行过程空间分集：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——42q4P4PCRC、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48M31M天线分组处理一般情况：IFFT1iM特殊情况：因此总的天线数：1iM1PppNM1/2/4P1/2/4N特殊情况1：1iqPM特殊情况2：11,4/6/8....qPM特殊情况3：11,5,148qPM课程内容•MIMO技术简介•MIMO基本原理•MIMO在LTE中的应用•MIMO性能分析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模式在下行物理信道的应用物理信道Mode1Mode2Mode3–Mode7PDSCHPBCHPCFICHPDCCHPHICHSCH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）中速移动手机自适应MIMO模式2发射分集3开环空间复用457闭环空间复用多用户MIMO非码本波束成形6码本波束成形移动速率改变秩改变与小区的相对位置改变MIMO的部署场景A场景B场景C线性天线交叉极化1~3F4~6F7~9F10~12F13~15F16~18F19~21F22~24F25~27F28~30F31~33F34~36F37~39F40~42F43~45F46~48FMIMO模式总结传输方案秩信道相关性移动性数据速率在小区中的位置发射分集(SFBC)1低高/中速移动地小区边缘开环空间复用2/4低高/中速移动中/低小区中心/边缘双流预编码2/4低低速移动高小区中心多用户MIMO2/4低低速移动高小区中心码本波束成形1高低速移动低小区边缘非码本波束成形1高低速移动低小区边缘发射分集的应用场景2天线eNB4天线eNBCase2:LowCorrelation(10)适用于2GHz以上频率Ant1Ant2Case3:LowCorrelation(两对天线间距4or10)Ant1Ant2Ant3Ant4Case4:Highcorrelation(0.5)Ant1Ant2Ant3Ant4Case1:MediumCorrelation(4)Ant1Ant2闭环空间复用的应用场景注意:支持天线端口2/4;支持1个码字和2个码字;要求终端反馈RI和PMI;秩RANK=1对应于1个码字;秩RANK=2对应于两个码字;一个码字的情况被称为码本波束成形;适用于小区中心的高信噪比用户波束成形的应用场景低相关性天线高相关性天线课程内容•MIMO技术简介•MIMO基本原理•MIMO在LTE中的应用•MIMO性能分析MIMO仿真结果-Case1小区频谱效率小区边缘频谱效率(5%CDF)eNodeBUE0.0450.0470.0541T2R00.40.81.01.41.82.21.340.0450.0470.0541T2R00.010.020.030.040.050.060.042MIMO仿真结果-Case2小区频谱效率小区边缘频谱效率(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仿真结果-Case3小区频谱效率小区边缘频谱效率(5%CDF)0.0450.0470.0544T2R00.40.81.01.41.82.21.74880.0450.0474T2R00.010.020.030.040.050.060.0495秩eNodeBUEMIMO仿真结果-Case4小区频谱效率0.0450.0470.0544T2R00.40.81.01.41.82.21.