TD-LTE多天线技术介绍

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1个终端占用多 个波束，这些波 束共享相同的时 频资源。 l 多个终端占用多 个波束，这些波 束共享相同的的 时频资源。
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空分多址的原理（隐形波束赋型）
利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，向多个终端并向 发射数据流，或从多个终端并行 接收数据流，以提高用户容量。 又可以称为多用户MIMO（MU-MIMO）， 相对单用户MIMO（SU-MIMO），空分 多址可以获得更大 的多用户分集增益， 也更适合于用户数 量较多，数据率较 低的情况（如提高 VoIP用户容量）。
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波束赋形天线
圆阵智能天线阵列 （用于全向小区） 双极化智能天线阵列 （可使阵列宽度减半， 或用于双流空间复用）
WiFi用智能天线
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0.5λ
0.5λ
0.5λ
多流波束赋形
基于波束赋形的空间复用
传统的智能天线： 每个波束占用专用 的时频资源，1个 用户占用1个波束。 （TD-SCDMA采用）
空间复用的应用场景
o k _ j Ø拉大天线间距也不能保证 天线信道之间的低相关性，还取决 x 于是否有足够的散射体为多个天线提供足够的信道差异：
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Ø观点：MIMO只能用于室内？只能用于微小区？ Ø对传统网规的挑战：选址的原则可能改变。
富散射环境、富绕射环境（瑞利模型）：基站或/和终端周围的散射体 和绕射体很多，存在相当数量的NLOS径，角度扩展较大，比较容易 生成独立衰落的信道。
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n可以看到：空间复用的应用效果取决于是否能有效区分多个 天线，如果天线间干扰过大，甚至性能差于单天线发送。解 决方法：
事后处理：干扰消除（性能好的算法复杂度较高，如迭代干扰消除） 事前处理：自适应MIMO（在天线相关性较高的场景，降低复用流数，甚至 退化到单流，此时多余的天线还可以用来进行空间分集；采用预编码技术）
LTE多天线方案介绍
方案一 8天线 Beamforming
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eNB采用双极化8天线阵列
下行UE 2天线接收，上行轮流发射 上行eNB 8天线接收，下行采用EBB算 法实现波束赋形
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方案二 8天线 2x2 MIMO
同极化的4天线组成某一子阵，即Ant1~Ant4 和Ant5~Ant8分别构成两个子阵 子阵内采用广播波束赋形 两个子阵间实现MIMO 双流
单天线端口 发送分集 开环空分复用 或发送分集 闭环空间复用 或发送分集 闭环空分复用 单流波束赋形 双流波束赋形 传输模式9
应用场景
主要应用于单天线传输的场合。 适合于小区边缘信道情况比较复杂，干扰较大的情 况，有时候也用于高速的情况。 可支持模式内流间自适应，适用于终端（UE）高速 移动的情况。 可支持模式内流间自适应，适用于信道条件较好的 场合，用于提供较高的数据率传输。 主要用来提高小区的容量 主要适合于小区边缘的情况（单流） 单天线beamforing，主要也是小区边缘，能够有效 对抗干扰。 可支持模式内流间自适应，可用于小区边缘也可以 应用于其他场景。 LTE-A中新增加的一种模式，可以支持最大到8层的 传输，主要为了提升数据传输速率。
a i j g FAD天线及小型化天线 n o k _ j x 合路影响
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天线应用场景
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LTE下行传输模式
传输模式
模式1（TM1） 模式2（TM2） 模式3（TM3） 模式4（TM4） 模式5（TM5） 模式6（TM6） 模式7（TM7） 模式8（TM8） 模式9（TM9）
说明
j 1 + C = ∑ log x det
K k =1 2
n o kλ P _
k
n a gji
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K

λk Pt = log 2 ∏ 1 + 2 Nt σ N σ k =1 t
t 2
Λ = diag ( λ1 , λ2 , K , λk ) λ1 ≥ λ2 ≥ L ≥ λK ≥ 0 K是信道矩阵的秩，
波束赋形基本原理（空间滤波）
Ø利用阵列天线各单元发射的波之间形成干涉，集中能 量于某个（或某些）特定方向上，形成波束。 Ø波束赋形与常规的MIMO有着本质的不同，波束赋形 基于的信道假设是莱斯衰落模型，而常规的MIMO基 于的信道假设是瑞利衰落模型。这就意味着他们的最 佳工作的场景是不同的。
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空间复用技术分类
n 在发射端和接收端同 时 采 用多天线， 可以 进 一步提 高 信 噪比和/或获得分集增益。灵活实现空间复用和空间分集 /波束赋形的切换和整合，需采用自适应MIMO方法。
Ø开环（Open-Loop）空间复用
•不管信道条件，采用固定的复用流数。 •由于MIMO信道的相关性有各种差异，开环 空间复用的流间串扰有时很难消除，可能造 成多流并行传输的性能比单天线传输还差。
自适应切换准则：基于吞吐率最大原则 根据信道相关性瞬时值、信干比等信息，分别 估算BF和双流MIMO传输方式下各自的瞬时吞
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4天线实现MIMO 双流
吐量，并采用瞬时吞吐量较高的一种方式
相关性弱 有利于实现MIMO
自适应选择，有利于发挥 MIMO/BF性能优势
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目录
MIMO天线技术介绍 LTE传输模式
r = Hx + n
MIMO容量与实现MIMO的必要条件
要使K增大：除了增加收发天 线数目外，还需要信道尽可能 不相关 需要提高SIR：克 服干扰
1 Pt H HH C = log h det I N r + 2 Nt σ
MIMO系统的信道容量可以进一步描述为
Ø闭环（Close-Loop）空间复用
•发射端事先掌握信道的先验信息，采用适合 无线信道现实条件的复用流数。 •可以灵活支持各种MIMO信道相关性，实现 各种流数，保证空间复用的传输性能，简化 接收端的干扰消除操作。
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空间复用的干扰问题
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MIMO技术沿革
Marconi 利 用 多 天线抑制信道衰 落，实现大容量 传输
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Bell 实 验 室 的 Foschini 提 出 分 层 控 释 结 构 BLAST ， 完 成 MIMO 信道容量 理论分析 1996
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AT ＆ T 的 Tarokh等人在 Alamouti 的研 究基础上提出 空 时 分 组 码 STBC
FDD/ TDD
4G
EV-DO Rev. A EV-DO Rev. B 802.16 m
802.16 d
2G
2.5G
2.75G
3.5G
3.75G
3.9G
4G
LTE成为移动通信技术演进的主流方向
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LTE关键技术
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OFDM技术
MIMO天线技术
MIMO技术的发展历程
TX
MIMO
y21
y22
RX
H=sqrt(|h11|2+|H12|2+|h21|2+|h22|2)
x2 x1
TX
更稳健的等效SISO RX
0
-1 0
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h11 h12 v1 * * − h x h 12 v2 11 1 = ⋅ + h h x v 22 21 2 3 * * h − h v 22 21 4 | h11 | 2 + | h12 | 2 + | h 21 | 2 + | h 22 | 2 ⋅ x i , i = 1, 2
n 多天线发射分集技术把多径信号在接收端合 并,提高链路抗衰落的能力, 亦即降低在同等 平均接收信号强度下的误码率;
-2 0
dB
-3 0
-4 0 2 X 2 c o m b in e d c h a n n e l c hannel path 1 c hannel path 2 c hannel path 3 c hannel path 4 0 100 200 300 400 s a m p lin g a t 1 5 K H z 500 600 700
实现宽带化的核心技术——MIMO技术
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r1 h11 r h 2 = 21 M M rN r hNr 1 h12 h22 M hNr 2 L
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h1Nt x1 n1 n L h2 Nt x 2 + 2 M M M M M hNr Nt xNt nN t
GSM GPRS EDGE eEDGE
LTE
TDSCDMA WCDMA R99
HSDPA
MBMS HSDPA R5
CDMA IS95
CDMA 2000 1x
xj
3G
CDMA 2000 1X EV-DO
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802.16 e
HSUPA R6 MBMS
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HSUPA
HSPA+ R7
多用户MIMO
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第 12 页
各种MIMO应用场景分析
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多天线技术：空间分集
H h11
-x2* x1 h12 h21 h22 x1* x2 y11 y12
MIMO用于分集增益的基本信道模型
y11 y 21
1908
1998
空域并行技术,提升信道容量
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ØHigh SNR:–MIMO provides higher bit-rates than non-MIMO (at a given SNR) ØLow SNR:–MIMO basically operates as Rx diversity
n 2发2收能提供最大4阶的分集增益, 使得误 码率与平均信噪比的4次方成反比。
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LTE关键技术-多天线技术的空间复用
H
x1
单用户双 数据流 h11 h12 h21 h22
MIMO用于空间复用增益的基本信道模型
y1 y2 RX
来自百度文库
x2 TX
MIMO
y1 h11 h12 x1 v1 + ⋅ h y = 2 21 h22 x2 v1
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单流
抗干扰能力强 边缘用户速率有保障
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BF与 MIMO结合
LTE多天线方案介绍（续）
方案三 4x2 MIMO
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双极化8天线中Ant1/Ant4/Ant5/Ant8 为 间距最大的交叉极化4天线
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n n
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方案四 Adaptive MIMO / BF
TD-LTE多天线技术介绍 jia
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中国移动设计院研究所
g n ko
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2012-3
中国移动通信集团设计院有限公司
目录
MIMO天线技术介绍 LTE传输模式
a i j g FAD天线及小型化天线 n o k _ j x 合路影响
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天线应用场景
第2页
移动通信技术的演进与融合
y11 * y12 y 21 y* 22 ~ x =
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y12 h11 = y22 h21
h12 x1 ⋅ h22 x2
* v11 v12 − x2 + * x1 v21 v22
x1
单用户双 数据流
h1 h2
x2 TX
2个独立的等效SISO
xj
n o _k
y1 y2 RX
= ⋅ + y H x v a i gj ~ x = H −1y
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n 收发两端配置多个天线可构成多入多出(MIMO)信道如上左图. 其平坦衰落数学模型如上右图. n 如果上述H可逆, 则可用接收到的y=[y1,y2]解出x=[x1,x2], 这样相对于单入单出(SIMO),数据 率提高了2倍! n 通常而言,对于M发N收, 数据率相对于1发1收最高可提高min(M,N)倍. n H可逆的前提是收发之间必须要有丰富的多径! MIMO与OFDM最佳匹配