LTE MIMO 基本原理介绍

y
(
P1)
(i)

x
(
1)
(i)
• 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。

y
( P 1)
(i)

x
(
1)
(i)
• 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)。
开环空间复用预编码
• 大CDD时的预编码（开环空间复用）
y(0) (i)
x(0) (i)




W (i)D(i)U
• 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。
MIMO系统容量
• 多输入单输出（MISO）系统 ：
单输入单输出（SISO）系统 ： C log2(1 | h |2) b / s / Hz
m i 1
log2(1

N
i )
b / s / Hz
MIMO系统中，系统容量随着天线数目的增加成线性增加。
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。
天线分组处理
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
1 Mode 1 单天线端口 2 Mode 2 发射分集 3 Mode 3 开环空间复用 4 Mode 4 闭环空间复用 5 Mode 5 多用户MIMO 6 Mode 6 码本波束成形 7 Mode 7 非码本波束成形
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
MIMO系统模型图
r1

r2

M

rNr

天线端口1 各端 口数 据
O FDM
天线端口P 调制
端口 天线端口1 广播
加权
M3 1
M4 8
预编码
射
端口
单天线：
天线端口P 广播
1——>1 直接映射
空间复用：
无延迟：不 改变层数
[I ] 矩阵
单天线： 1——>1 无预编码
加权
1——>1 (特指单天
线发射) 1——>2 2——>2 2——>3 2——>4
Ant1
Ant2
Case 1: Medium Correlation (4)
4天线 eNB
Ant3
Ant4
Ant1
Ant2
Case 3: Low Correlation (两对天线间距4 or 10)
Ant1
Ant2
Case 2: Low Correlation (10) 适用于 2GHz以上 频率
空时发射分集
• 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。
层1
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
y(0) (i)
x(0) (i)




W (i)
MIMO原理
编码
信道交织
数据流 解复用
v11 QPSK 16QAM 调制
v21
v12
发射机
Detector
接收机
复用
数据流
编码
信道交织
QPSK
16QAM 调制
v22
Detector
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
发射分集方式下的层映射
• 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 。
发射分集方式下预编码
• 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
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
LTE MIMO 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பைடு நூலகம்出系统
多输入单输出系统
最多4个天线端口P 4
每端口天线数目 M P 1
码字1 码 字
流
M
数
A 码字2 据
C
层
CRC、码块 分割、编
码、速率匹 配、码块级
连、加扰
调 制
QPSK/ 16QA M/64 QAM
M1 4
层1
延
层
迟
映
编
射
码
矩
层4
阵
码 本 编 码 矩
阵
天线端口1 各 端 口 数 据 资 源
天线端口P 映
0Im
x(1) (i)

• 发射分集2天线预编码
x3 x1
x4 x3 x2 x1 层映射
预编码
x4 x2
•
Antenna 0 x4 x3 x2 x1 x3(虚反) x4(实反) x1(虚反) x2(实反)
Antenna 1
LTE整个下行过程
最多2个码字流q 2
最多4层 4
M
C log2(1 | hi |2 ) b / s / Hz
i 1

单输入多输出（SIMO）系统 ： C log2 (1

N
N
| hi |2 )
i 1
b / s / Hz
多输入多输出（MIMO）系统 ：
CEP

log2 [det( I M


N
HH *)]
单输入多输出系统
多输入多输出系统
什么是MIMO？
• MIMO (Multiple Input Multiple output：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。
LTE中的MIMO模型
• 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；
适用于单天线端口 提供发射分集对抗衰落 适用于高速移动环境 提高峰值速率 提高系统容量
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 PDSCH PBCH PCFICH PDCCH PHICH
SCH
Mode1
Mode 2
Mode3 – Mode 7
两天线发射分集
接收分集
• 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。
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
MIMO模式的应用
小区中心
小区边缘
高速移动
中速移动
市区
低速移动（室内） 小区边缘
手机自适应MIMO模式
移动速率改变 秩改变
与小区的相对位置改变
2 发射分集 3 开环空间复用 4 闭环空间复用 5 多用户MIMO 6 码本波束成形 7 非码本波束成形
MIMO 的部署
场景 A
场景 C
线性天线
d(0)•(i)协议规定：d码(0)(字i) 到= x层(0)的(i)映射可有x1(0：)(i)1，1：
码字流20 ，2：2，2：3，2：4。
层0
且1：2的情d况(1)(只2i)发生=在x(1P)(=i4) 的条件x(下1)(i。)
d(1)(i)
码字流1
串
转 并
d(1)(2i+1) = x(2)(i)
y (0) (2i)
1 0 j 0Re x(0) (i)

y (1) (2i)

y (0) (2i 1)


y
(1)
(2i

1)

1 0 2 0
1
1 1 0
0 0 j
j

Re
x(1) (i)

jIm x(0) (i)
1
低
移动性 高/中速移动
开环空间复用
2/4
低
高/中速移动
双流预编码
2/4
多用户MIMO
2/4
码本波束成形
1
低
低速移动
低
低速移动
高
低速移动
非码本波束成形
1
高
低速移动
数据 速率
地
在小区中 的位置
小区边缘
中/低 高 高 低 低
小区中心/边缘 小区中心 小区中心 小区边缘 小区边缘
发射分集的应用场景
2天线 eNB
空频发射分集
• 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
循环延迟发射分集（CDD）
• 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（Cyclic Shift， 循环移相）来等效实现延迟 。
特殊情况1： q P Mi 1
约定： P
特殊情况2：
2——>2 4——>4
q P 1, M1 4 / 6 / 8.... 特殊情况3：
q 1, P 5, M1 1 48
bit级处理 每个码字流
独立处理
symbol级处理
样点级处理
场景 B
交叉极化
46~4 8F 43~45 F
40~42 F
37~39 F
34~3 6F 31~33 F
28~30 F
25~27 F
22~2 4F 19~21 F
16~18 F
13~15 F
10~1 2F 7~9 F
4~6 F
1~3 F
MIMO 模式总结
传输 方案
发射分集 (SFBC)
秩
信道
相关性
Ant1 Ant2 Ant3 Ant4 Case 4: High correlation (0.5)
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
• 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
个数最空间多复为用2方。式时2:3模式层映射

h11 h21

M
hNr 1
h12 h22 M hNr 2
L L M M
h1Nt h2 Nt
M hNr Nt


x1
x2

M
xNt


n1

n2

M

nNt

MIMO系统信号模型表达式
发射分集：
大延迟：不 改变层数
[] 矩阵
目的：引入 一定的分集
增益
空间复用：
[]P 矩阵
1——>2 2——>2 4——>4
IFFT
一般情况：
Mi
1 P 1/ 2 N 1/ 2/ 4
/
4
特殊情况：
Mi 1
因此总的天线数：
P
N Mp
1——>2 1——>4
空间分集：
[]PP 矩阵
p 1