TD-LTE多天线技术介绍
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TD-LTE网络中的多天线技术
增 益 较 为 明显 。 在 实 际 外 场 测 试 中 ，测 试 场 景 为
典 型 公 路 环 境 。 虽 然 站 间 距 与 城 区 环
功 率 损 失 的 增强 型 公 共 信道 发 送 方 案 ， 有 效 克 服 了静 态 赋 形 的 功 率损 失 问题 ， 提 升 了 广 播 信 道 的 覆 盖 ，使 ８ 线 公 共 天 信 道 获 得 与 ２ 线 相 当的 覆 盖 能 力 。在 天 深 圳 外 场 测 试 中 ，我 们 看 到 类 似 的 现 象 。 用扫 频 仪 在 相 同环 境 中 测 得 的结 果
ＥＲＩ Ｓ ＣＳ ＯＮ
Ｔ Ｔ 网络中的 Ｅ
马 嫡
爱 立信市 场与 战略发展 部
口 多天线技术简介
在 无 线 通 信 领 域 ，对 多 天 线 技 术 的 研 究 由来 已 久 。 其 中 天 线 分 集 、波 束 赋 形 、 空 分 复 用 （ Ｉ Ｏ ）等 技 术 Ｍ Ｍ 已在 ３ Ｇ和 Ｌ 网 络 中得 到 广 泛 应 用 。 ＴＥ 多 天 线 技 术 给 网 络 带 来 的 增 益 包 括 更 好 的 覆 盖 （ 波 束 赋 形 ）和 更 高 的 速 如 率 （ 空分 复 用 ）。 如 ３ Ｐ 范 Ｒ９ 本 中规 定 了 ８ 传 ＧＰ 规 版 种 输模 式 ，见表 １ 原 则上 ，３ Ｐ 对 天 线 。 ＧＰ
数 目与 所 采 用 的 传 输 模 式 没 有 特 别 的
考 虑 两 种 天 线 配 置 ： ８ 线 波 束 赋 形 天 （ 流 、双 流 ）和 ２ 线 Ｍ Ｉ Ｏ （ 分 单 天 Ｍ 空
复 用 、发 送 分 集 ）。
果 基 本 一 致 。 引入 模 式 内 、 问切 换 后 ８ 天 线 在 小 区 中心 采 用模 式 ３ ，边 缘 则 为
典 型 公 路 环 境 。 虽 然 站 间 距 与 城 区 环
功 率 损 失 的 增强 型 公 共 信道 发 送 方 案 ， 有 效 克 服 了静 态 赋 形 的 功 率损 失 问题 ， 提 升 了 广 播 信 道 的 覆 盖 ，使 ８ 线 公 共 天 信 道 获 得 与 ２ 线 相 当的 覆 盖 能 力 。在 天 深 圳 外 场 测 试 中 ，我 们 看 到 类 似 的 现 象 。 用扫 频 仪 在 相 同环 境 中 测 得 的结 果
ＥＲＩ Ｓ ＣＳ ＯＮ
Ｔ Ｔ 网络中的 Ｅ
马 嫡
爱 立信市 场与 战略发展 部
口 多天线技术简介
在 无 线 通 信 领 域 ，对 多 天 线 技 术 的 研 究 由来 已 久 。 其 中 天 线 分 集 、波 束 赋 形 、 空 分 复 用 （ Ｉ Ｏ ）等 技 术 Ｍ Ｍ 已在 ３ Ｇ和 Ｌ 网 络 中得 到 广 泛 应 用 。 ＴＥ 多 天 线 技 术 给 网 络 带 来 的 增 益 包 括 更 好 的 覆 盖 （ 波 束 赋 形 ）和 更 高 的 速 如 率 （ 空分 复 用 ）。 如 ３ Ｐ 范 Ｒ９ 本 中规 定 了 ８ 传 ＧＰ 规 版 种 输模 式 ，见表 １ 原 则上 ，３ Ｐ 对 天 线 。 ＧＰ
数 目与 所 采 用 的 传 输 模 式 没 有 特 别 的
考 虑 两 种 天 线 配 置 ： ８ 线 波 束 赋 形 天 （ 流 、双 流 ）和 ２ 线 Ｍ Ｉ Ｏ （ 分 单 天 Ｍ 空
复 用 、发 送 分 集 ）。
果 基 本 一 致 。 引入 模 式 内 、 问切 换 后 ８ 天 线 在 小 区 中心 采 用模 式 ３ ，边 缘 则 为
TD-LTE天线基础-天线原理及参数
• 可用式 λ＝Ｖ/ｆ 表示。在公式中，Ｖ为速度，单位 为米/秒；ｆ 为频率，单位为赫芝；λ为波长，单位 为米。由上述关系式不难看出，同一频率的无线电 波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波 长也不一样。
波长
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4
天线原理
• 什么是天线？ • 把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…... • 收集无线电波并产生电信号 • 无线通讯系统的关键组成部分之一，选择天线性能直接影响 整个通讯系统的运行状态。
后向功率
前向功率
F/B = 10 log(前向功率/后向功率） typically ： 25dB
h
26
天线电参数-集束天线、多频天线
集束天线
多频天线
h
27
天线电参数-集束天线、多频天线
• 3G在实施过程中,寻找新的 基站将会较2G更加困难,且 租金日益昂贵
• 由于环保意识的加强,居民 和团体更加不愿看到更多 的天线架设在其周边环境
• 当天线下倾角超过10度时,天线方向图会严重变 形,此时宜选用带电调下倾的天线
无下倾
电调下倾
机械下倾
城区天线常选用(固定)电子下倾+机械下倾的下倾方式
h
19
天线电参数-下倾方式
• 下倾技术的主要目的是倾斜主波束以降低朝邻 覆盖区域的辐射电平。在这种情况下，虽然在 区域边缘载波电平降低了，但是干扰电平比载 波电平降低更多。
面Hale Waihona Puke 未来的教育技术企业BeiJing Huatec Information Technology CO.,LTD
天线基础
讲师：张强
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1
课程内容
天线原理及参数
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2
波长
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天线原理
• 什么是天线？ • 把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…... • 收集无线电波并产生电信号 • 无线通讯系统的关键组成部分之一，选择天线性能直接影响 整个通讯系统的运行状态。
后向功率
前向功率
F/B = 10 log(前向功率/后向功率） typically ： 25dB
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天线电参数-集束天线、多频天线
集束天线
多频天线
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天线电参数-集束天线、多频天线
• 3G在实施过程中,寻找新的 基站将会较2G更加困难,且 租金日益昂贵
• 由于环保意识的加强,居民 和团体更加不愿看到更多 的天线架设在其周边环境
• 当天线下倾角超过10度时,天线方向图会严重变 形,此时宜选用带电调下倾的天线
无下倾
电调下倾
机械下倾
城区天线常选用(固定)电子下倾+机械下倾的下倾方式
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天线电参数-下倾方式
• 下倾技术的主要目的是倾斜主波束以降低朝邻 覆盖区域的辐射电平。在这种情况下，虽然在 区域边缘载波电平降低了，但是干扰电平比载 波电平降低更多。
面Hale Waihona Puke 未来的教育技术企业BeiJing Huatec Information Technology CO.,LTD
天线基础
讲师：张强
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1
课程内容
天线原理及参数
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TD-LTE系统中MIMO技术的应用场景与介绍
TD－LTE系统中MIMO技术的应用场景与介绍
1 引言日前，上海贝尔股份有限公司参加工业和信息化部和中国移动共同组织的多项实验室和外场验证及测试，并首批成功完成了该测试。作为第一批成功完成该项测试的厂商之一，上海贝尔将为中国移动在上海开展的大规模4G TD-LTE试验网部署项目提供端到端LTE解决方案。大规模外场测试在真实环境下布网，边界条件复杂，与实验室环境有诸多不同。TD-LTE技术采用多天线的发射接收技术，利用不同的传输模式来适配复杂的自然环境从而达到性能最优。在LTE系统的研发过程中，经过几年的摸索与实践，上海贝尔阿尔卡特朗讯公司积累了众多经验。下面以大规模试验网络需要的布网技术角度，对几种MIMO的原理及应用场景进行描述，对波束赋形的天线模式、物理层过程、波束赋形在TD-LTE基站系统中的实现和原理以及几种波束赋形算法的特点和应用场景进行介绍与分析。在LTE(Long Term Evolution，长期演进技术)标准中，被采纳的MIMO技术主要包括发送分集、空分复用、波束赋形等。其中基于用户专用参考信号的下行波束赋形技术能够利用时分复用LTE(TD-LTE)系统中的上/下行信道的互易性，针对单个用户进行动态的波束赋形，从而有效提高传输速率和增强小区边缘覆盖性能。这些都在阿尔卡特朗讯的解决方案中得到了验证。本文对此进行了总结，对真实的网络部署有参考意义。2 TD-LTE MIMO应用场景在本次中国移动大规模外场测试主要选用以下3种MIMO技术适配不同的应用场景。2.1 发射分集(Tx Diversity)LTE的多天线发送分集技术选用SFBC(Space Frequency Block 声所导致的符号错误率。SFBC通过在发射端增加信号的冗余度，使信号在接收端获得分集增益。发射分集方案不能提高数据率。LTE采用的SFBC技术对编码矩阵进行了改进，能保证在有天线损坏的情况下也可以正常传输，传输数据更为简单，图1为SFBC发送端基本框图。 图1 SFBC发送端基本框图对发射信号以发送分集进行传输可以获得额外的分集增益和编码增益，从而可以在信噪比相对较小的无线环境下使用高阶调制方式，但无法获取空间并行信道带来的速率红利。空时编码技术在无线相关性较大的场合也能很好地发挥效能。SFBC可以较普遍地应用于表1所示场景。表1 SFBC应用场景 发送分集发射方式对信道条件要求不高，对SNR，信道相关性，移动速度均不敏感。但是该发射方式无法获取空间并行信道带来的速率红利，发送分集方案不能提高数据率。当信道间相关性大且SNR较低或移动速度过高情况下(对应无线信道条件差)，会考虑切换到发送分集的发射方案，例如信道恶化的场景下。当信道处于理想状态或信道间相关性小时，发射端采用空分复用的发射方案，例如密集城区、室内覆盖高SNR条件等场景。2.2 空分复用技术(Spatial Multiplexing)空分复用技术是在发射端发射相互独立的信号，接收端采用干扰抑制的方法进行解码，此时的理论空口信道容量随着收发端天线对数量的增加而线性增大，从而能够显著提高系统的传输速率。空分复用允许在同一个下行资源块上传输不同的数据流，这些数据流可以来自于一个用户(单用户MIMO/SU-MIMO)，也可以来自多个用户(多用户MIMO/MU-MIMO)。单用户MIMO可以增加一个用户的数据传输速率，多用户MIMO可以增加整个系统的容量(见图2)。 图2 空间复用基本框图空分复用能最大化MIMO系统的平均发射速率，但只能获得有限的分集增益，在信噪比较小时使用可能无法使用高阶调制方式。无线信号在密集城区、室内覆盖等环境中会频繁反射，使得多个空间信道之间的衰落特性更加独立，从而使得空分复用的效果更加明显。无线信号在市郊、农村地区多径分量少，各空间信道之间的相关性较大，因此空分复用的效果要差许多。无线信号在密集城区、室内覆盖等环境中会频繁反射，使得多个空间信道之间的衰落特性更加独立，从而使得空分复用的效果更加明显。对于适用于密集城区地区的MIMO应用，可以用OpenLoop MIMO和CloseLoop MIMO两种MIMO模式选择，其中CloseLoop MIMO对环境要求较高，由于拥有PMI/RI的反馈调整，其数据可靠性较强，对于OpenLoop MIMO，其健壮性较强，对SNR要求和信道相关性要求不如前者严格(见表2，表3)。无线信号在市郊、农村地区多径分量少，各空间信道之间的相关性较大，因此空间复用的效果要差许多。表2 CL-MIMO应用场景 表3 OL-MIMO应用场景 2.3 波束赋形(Beam Forming)波束成型技术又称为智能天线，通过对多根天线输出信号的相关性进行相位加权，使信号在某个方向形成同相叠加，在其他方向形成相位抵消，从而实现信号的增益。系统发射端能够获取信道状态信息时(例如TDD系统)，系统会根据信道状态调整每根天线发射信号的相位(数据相同)，以保证在目标方向达到最大的增益；当系统发射端不知道信道状态时，可以采用随机波束成形的方法实现多用户分集(见图3)。图3 定向智能天线的信号仿真效果系统发射端能够获取信道状态信息时(例如TDD系统)，系统会根据信道状态调整每根天线发射信号的相位，以保证在目标方向达到最大的增益。波束成型技术在能够获取信道状态信息时，可以实现较好的信号增益及干扰抑制使的小区边缘性能提升(见表4)。波束成型技术不适合密集城区、室内覆盖等环境，由于反射的原因，接收端会收到太多路径的信号，导致相位叠加的效果不佳。表4 波束成型应用场景 波束赋形技术对环境要求严格，不适用于密集城区。在阿尔卡特朗讯的LTE-TDD的系统方案中，针对波束赋形技术能够适配的场景的无线信道情况不同，应用不同的波束赋形算法，从而获得最大的增益与健壮性，达到性能最优。下面对阿尔卡特方案中的几种典型的算法做简单的介绍。(1)per-RB-MRT(窄带加权)per-RB-MRT是基于EBB(Eigen Beam Forming，SEBB)波束赋形算法的一个子类；利用对每个子载波/资源块瞬时信道状态信息的特征值分解成对应的下行波束加权向量。可适用于角度扩展比较大的应用场合(如城区微小区覆盖、基站天线架设不太高的场合)；复杂度高；在信道移动性较低，信道估计质量较好的情况下，可以获得最优的波束赋形增益；在移动性较高，信道估计交差的情况下，性能不是很健壮。(2)Full-BW-EBB算法(宽带加权)Full-BW-EBB是基于EBB波束赋形算法的另一个子类，利用对每个子载波/资源块的瞬时信道状态信息“统计特性”的特征值分解形成对应的下行波束赋形的加权向量。可适用于角度扩展较大的应用场合；复杂度低于基于MRT的波束成形；在信道移动性较低，信道估计质量较好的情况下，相对于基于MRT的波束成形可获得的波束赋形增益较低；在信道移动性较高、信道估计质量较差的情况下，性能比较健壮。(3)DOA算法(基于到达方向估计)DOA基于对用户信号到达方向的估计形成下行波束赋形的加权向量。适用于具有视距路径(Line Of Sight，LOS)或角度扩展(Angle Spread，AS)较小的应用场合(如郊区宏小区覆盖、基站天线架设较高的场合)，获得高的波束赋形增益；复杂度较低；对于角度扩展较大的应用场合，有效性不高。2.4 应用场景大规模外场测试中无线通信环境边界条件复杂，布网期间众多因素均可导致网络性能的差异，应该依照不同的边界环境具体权衡与选择(见图4)。阿尔卡特朗讯也做了大量的针对各种场景的仿真与测试工作，力求提高其健壮性以适应复杂场景。 图4 MIMO多种模式的切换门限考虑MIMO的几种模式分别适用于不同的场景，按照切换的边界件来分，从离城市中心到郊区以及小区边缘，分别可以用如下传输方式布网：离基站比较近、信号较强、靠近市中心、多径衰落较强的城市中心地区，可以使用传输模式4(CL-MIMO)，由于有闭环的RI/PMI反馈，其速率稳定、误码率较低，可以获得多天线增益，但是对边界条件要求比较严格；如果环境较为恶劣，SNR较低，信道相关性稍低，可以适应传输模式3(OL-MIMO)方式；在城市郊区较为开阔、信道相关性较高的郊区地区，依照速度的不同，选择对应算法的Beam Forming算法(传输模式7)。以上各种模式均可切换成发射分集模式，发射分集模式的健壮性强，对速度、信道环境与SNR要求均不高，但是无法产生多天线速率增益，只可以享受由于多天线并行传输带来的分集增益。LTE-TDD外场大规模布网，信道边界条件复杂，使用不同的传输技术以适配不同的应用场景尤为重要。如果选择不当，不仅不能达到网络性能最优，而且会造成网络干扰加大等恶劣影响。阿尔卡特朗讯在长期的研发与测试过程中，通过多种技术来适配各种不同的无线应用场景，每种技术在相应的场景下能有效地提高其数据健壮与性能增益，波束赋形技术更可以利用时TD-LTE系统中上/下行信道互易性，针对单个用户动态地进行波束赋形，从而有效提高传输速率和增强小区边缘的覆盖性能。
1 引言日前，上海贝尔股份有限公司参加工业和信息化部和中国移动共同组织的多项实验室和外场验证及测试，并首批成功完成了该测试。作为第一批成功完成该项测试的厂商之一，上海贝尔将为中国移动在上海开展的大规模4G TD-LTE试验网部署项目提供端到端LTE解决方案。大规模外场测试在真实环境下布网，边界条件复杂，与实验室环境有诸多不同。TD-LTE技术采用多天线的发射接收技术，利用不同的传输模式来适配复杂的自然环境从而达到性能最优。在LTE系统的研发过程中，经过几年的摸索与实践，上海贝尔阿尔卡特朗讯公司积累了众多经验。下面以大规模试验网络需要的布网技术角度，对几种MIMO的原理及应用场景进行描述，对波束赋形的天线模式、物理层过程、波束赋形在TD-LTE基站系统中的实现和原理以及几种波束赋形算法的特点和应用场景进行介绍与分析。在LTE(Long Term Evolution，长期演进技术)标准中，被采纳的MIMO技术主要包括发送分集、空分复用、波束赋形等。其中基于用户专用参考信号的下行波束赋形技术能够利用时分复用LTE(TD-LTE)系统中的上/下行信道的互易性，针对单个用户进行动态的波束赋形，从而有效提高传输速率和增强小区边缘覆盖性能。这些都在阿尔卡特朗讯的解决方案中得到了验证。本文对此进行了总结，对真实的网络部署有参考意义。2 TD-LTE MIMO应用场景在本次中国移动大规模外场测试主要选用以下3种MIMO技术适配不同的应用场景。2.1 发射分集(Tx Diversity)LTE的多天线发送分集技术选用SFBC(Space Frequency Block 声所导致的符号错误率。SFBC通过在发射端增加信号的冗余度，使信号在接收端获得分集增益。发射分集方案不能提高数据率。LTE采用的SFBC技术对编码矩阵进行了改进，能保证在有天线损坏的情况下也可以正常传输，传输数据更为简单，图1为SFBC发送端基本框图。 图1 SFBC发送端基本框图对发射信号以发送分集进行传输可以获得额外的分集增益和编码增益，从而可以在信噪比相对较小的无线环境下使用高阶调制方式，但无法获取空间并行信道带来的速率红利。空时编码技术在无线相关性较大的场合也能很好地发挥效能。SFBC可以较普遍地应用于表1所示场景。表1 SFBC应用场景 发送分集发射方式对信道条件要求不高，对SNR，信道相关性，移动速度均不敏感。但是该发射方式无法获取空间并行信道带来的速率红利，发送分集方案不能提高数据率。当信道间相关性大且SNR较低或移动速度过高情况下(对应无线信道条件差)，会考虑切换到发送分集的发射方案，例如信道恶化的场景下。当信道处于理想状态或信道间相关性小时，发射端采用空分复用的发射方案，例如密集城区、室内覆盖高SNR条件等场景。2.2 空分复用技术(Spatial Multiplexing)空分复用技术是在发射端发射相互独立的信号，接收端采用干扰抑制的方法进行解码，此时的理论空口信道容量随着收发端天线对数量的增加而线性增大，从而能够显著提高系统的传输速率。空分复用允许在同一个下行资源块上传输不同的数据流，这些数据流可以来自于一个用户(单用户MIMO/SU-MIMO)，也可以来自多个用户(多用户MIMO/MU-MIMO)。单用户MIMO可以增加一个用户的数据传输速率，多用户MIMO可以增加整个系统的容量(见图2)。 图2 空间复用基本框图空分复用能最大化MIMO系统的平均发射速率，但只能获得有限的分集增益，在信噪比较小时使用可能无法使用高阶调制方式。无线信号在密集城区、室内覆盖等环境中会频繁反射，使得多个空间信道之间的衰落特性更加独立，从而使得空分复用的效果更加明显。无线信号在市郊、农村地区多径分量少，各空间信道之间的相关性较大，因此空分复用的效果要差许多。无线信号在密集城区、室内覆盖等环境中会频繁反射，使得多个空间信道之间的衰落特性更加独立，从而使得空分复用的效果更加明显。对于适用于密集城区地区的MIMO应用，可以用OpenLoop MIMO和CloseLoop MIMO两种MIMO模式选择，其中CloseLoop MIMO对环境要求较高，由于拥有PMI/RI的反馈调整，其数据可靠性较强，对于OpenLoop MIMO，其健壮性较强，对SNR要求和信道相关性要求不如前者严格(见表2，表3)。无线信号在市郊、农村地区多径分量少，各空间信道之间的相关性较大，因此空间复用的效果要差许多。表2 CL-MIMO应用场景 表3 OL-MIMO应用场景 2.3 波束赋形(Beam Forming)波束成型技术又称为智能天线，通过对多根天线输出信号的相关性进行相位加权，使信号在某个方向形成同相叠加，在其他方向形成相位抵消，从而实现信号的增益。系统发射端能够获取信道状态信息时(例如TDD系统)，系统会根据信道状态调整每根天线发射信号的相位(数据相同)，以保证在目标方向达到最大的增益；当系统发射端不知道信道状态时，可以采用随机波束成形的方法实现多用户分集(见图3)。图3 定向智能天线的信号仿真效果系统发射端能够获取信道状态信息时(例如TDD系统)，系统会根据信道状态调整每根天线发射信号的相位，以保证在目标方向达到最大的增益。波束成型技术在能够获取信道状态信息时，可以实现较好的信号增益及干扰抑制使的小区边缘性能提升(见表4)。波束成型技术不适合密集城区、室内覆盖等环境，由于反射的原因，接收端会收到太多路径的信号，导致相位叠加的效果不佳。表4 波束成型应用场景 波束赋形技术对环境要求严格，不适用于密集城区。在阿尔卡特朗讯的LTE-TDD的系统方案中，针对波束赋形技术能够适配的场景的无线信道情况不同，应用不同的波束赋形算法，从而获得最大的增益与健壮性，达到性能最优。下面对阿尔卡特方案中的几种典型的算法做简单的介绍。(1)per-RB-MRT(窄带加权)per-RB-MRT是基于EBB(Eigen Beam Forming，SEBB)波束赋形算法的一个子类；利用对每个子载波/资源块瞬时信道状态信息的特征值分解成对应的下行波束加权向量。可适用于角度扩展比较大的应用场合(如城区微小区覆盖、基站天线架设不太高的场合)；复杂度高；在信道移动性较低，信道估计质量较好的情况下，可以获得最优的波束赋形增益；在移动性较高，信道估计交差的情况下，性能不是很健壮。(2)Full-BW-EBB算法(宽带加权)Full-BW-EBB是基于EBB波束赋形算法的另一个子类，利用对每个子载波/资源块的瞬时信道状态信息“统计特性”的特征值分解形成对应的下行波束赋形的加权向量。可适用于角度扩展较大的应用场合；复杂度低于基于MRT的波束成形；在信道移动性较低，信道估计质量较好的情况下，相对于基于MRT的波束成形可获得的波束赋形增益较低；在信道移动性较高、信道估计质量较差的情况下，性能比较健壮。(3)DOA算法(基于到达方向估计)DOA基于对用户信号到达方向的估计形成下行波束赋形的加权向量。适用于具有视距路径(Line Of Sight，LOS)或角度扩展(Angle Spread，AS)较小的应用场合(如郊区宏小区覆盖、基站天线架设较高的场合)，获得高的波束赋形增益；复杂度较低；对于角度扩展较大的应用场合，有效性不高。2.4 应用场景大规模外场测试中无线通信环境边界条件复杂，布网期间众多因素均可导致网络性能的差异，应该依照不同的边界环境具体权衡与选择(见图4)。阿尔卡特朗讯也做了大量的针对各种场景的仿真与测试工作，力求提高其健壮性以适应复杂场景。 图4 MIMO多种模式的切换门限考虑MIMO的几种模式分别适用于不同的场景，按照切换的边界件来分，从离城市中心到郊区以及小区边缘，分别可以用如下传输方式布网：离基站比较近、信号较强、靠近市中心、多径衰落较强的城市中心地区，可以使用传输模式4(CL-MIMO)，由于有闭环的RI/PMI反馈，其速率稳定、误码率较低，可以获得多天线增益，但是对边界条件要求比较严格；如果环境较为恶劣，SNR较低，信道相关性稍低，可以适应传输模式3(OL-MIMO)方式；在城市郊区较为开阔、信道相关性较高的郊区地区，依照速度的不同，选择对应算法的Beam Forming算法(传输模式7)。以上各种模式均可切换成发射分集模式，发射分集模式的健壮性强，对速度、信道环境与SNR要求均不高，但是无法产生多天线速率增益，只可以享受由于多天线并行传输带来的分集增益。LTE-TDD外场大规模布网，信道边界条件复杂，使用不同的传输技术以适配不同的应用场景尤为重要。如果选择不当，不仅不能达到网络性能最优，而且会造成网络干扰加大等恶劣影响。阿尔卡特朗讯在长期的研发与测试过程中，通过多种技术来适配各种不同的无线应用场景，每种技术在相应的场景下能有效地提高其数据健壮与性能增益，波束赋形技术更可以利用时TD-LTE系统中上/下行信道互易性，针对单个用户动态地进行波束赋形，从而有效提高传输速率和增强小区边缘的覆盖性能。
LTE中多天线
５ 空间复用
ＬＴＥ系统中多天线技术领域的一个主要应用是空间复
用，利用空域提高信号传输速率。空间复用是在发送端的不
同天线上发送多个编码的数据流，增大容量，其带宽利用率 增加。
ＬＴＥ系统中空间复用技术分为开环空间复用和闭环空
间复用，其中开环空间复用不要求事先知道信道的状态信
息．闭环空间复用技术则要求事先知道信道的状态信息。 （１）开环空间复用
闭环模式需跟踪信道Ｈ的瞬时变化．要求很高的反 馈速度。量化损失和控制延迟是闭环反馈模式中主要的误 差来源．快衰落信道下反馈延迟会恶化闭环模式的工作性 能。如果信道变化慢，进行闭环空间复用预编码可提高链 路性能。
６ 波束赋形
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ＬＴＥ标准支持波束赋形技术．该技术是针对基站使 用小间距的天线阵列，为用户形成特定指向的波束。当天 线之间高度相关时，信道具有结构性．在结构化的信道中 有一个很强的主特征值，其他大部分的特征值都几乎为 零，主特征值对应集中了大部分的信道能量，此时，最佳 的方法是在主特征值方向发射一个数据流．终端收到的 信号有最大的接收功率，并降低对其他方向的干扰，如 图４所示。
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TD-LTE多天线技术应用
通信技术• Communications Technology28 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】TD-LTE 系统 多天线技术 应用研究LTE 是一种移动宽带网络标准，它是在3GPP 定义下产生的。
多天线（MIMO ）技术最早由国外学者Marconi 于1908年提出，该技术能够通过利用多天线对信道衰弱进行相应的抑制，其中信道的容量与天线的数量成正比。
无线通信相关技术不断发展，多天线技术在TD-LTE 系统中得到广泛应用。
多天线（MIMO ）技术有丰富的传输模式，对系统容量和小区的峰值速率能有效提高。
MIMO 系统能加倍增加信道的容量，保障信号传输的稳定性，并极大提高频谱的利用率。
针对LTE 存在的高传输速率特点，多天线技术在LTE 网络系统的建设中会发挥出重要的作用。
1 TD-LTE多天线（MIMO）技术概念和相应原理1.1 TD-LTE多天线（MIMO）技术相关概念对于LTE 系统而言，其能够改善小区边缘用户系统的相关性能，将多天线技术应用到LTE 系统中，空间维度资源能够得到充分的利用，相关发射功率和带宽在不受到改变的情况下，无线通信系统的传输容量可以得到成倍的提高。
对于多天线技术而言，其包含了天线分集、空间复用和波束赋型等三种应用技术，通过在无线通信系统中使用大规模的多天线（MIMO ）技术，可以有效提高空间的分辨率，能够对各类资源进行深度挖掘，涉及维度更加广泛。
同时，多天线技术能够有效提高天线接收端的信噪比，从而达到更好的网络覆盖效果，天线分集和波束赋型技术发挥了重要的作用。
通过使用多天线技术中的空间复用技术，还能够有效提高小区的吞吐率和峰值速率，在特定的环境下空间复用技术还能够提高数据的速率。
通过将多天线（MIMO ）技术应用到LTE 通信系统中，能够有效保证LTE 系统的高峰值速率和高频谱效率。
TD-LTE技术原理介绍
LTE上行天线技术：接收分集
关键技术
原理
接收机使用来自多个信道的副本信息能比较正确的恢复出原 发送信号，从而获得分集增益。手机受电池容量限制，因此 在上行链路中采用接收分集也可有效降低手机发射功率
帧结构
物理信道 物理层过程
接收分集的主要算法：MRC &IRC
MRC （最大比合并）
• 线性合并后的信噪比达到最大化
计算方法：TS36.213规定，特殊时隙DwPTS如果用于传输数据，那么吞吐量按照正常下行时隙的0.75倍 传输。如果采用10:2:2配置，则下行容量为3个正常时隙吞吐量+0.75倍正常时隙吞吐量。如果丢失此 0.75倍传输机会，则损失的吞吐量为0.75/3.75 = 20%
0.7ms
= 1.475ms 0.675ms
PCFICH
PHICH
PDCCH
PBCH PUCCH PDSCH\PUSCH
资源调度单位
REG REG CCE
N/A RB
资源位置
占用4个REG，系统全带宽平均分配 时域：下行子帧的第一个OFDM符号 最少占用3个REG 时域：下行子帧的第一或前三个OFDM符号 下行子帧中前1/2/3个符号中除了PCFICH、 PHICH、参考信号所占用的资源 频域：频点中间的72个子载波 时域：每无线帧subframe 0第二个slot 位于上行子帧的频域两边边带上 除了分配给控制信道及参考信号的资源
上行多址方式—SC-FDMA
关键技术 帧结构 物理信道 物理层过程
和OFDMA相同，将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的
子载波资源分配给不同的用户实现多址。注意不同的是：任一终端使用的
子载波必须连续 频率 用户A
TD-LTE多天线技术介绍
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
x
o k j_
y1
a i j ng
y2
i e nw
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
LTE多天线方案介绍
方案一 8天线 Beamforming
n n n
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
n n nxj来自o k _a i j ng
n
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
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。
TD-LTE网络技术介绍
D
U D D U
D
D D D D
S
D D D S
U
D D D U
D
D D D U
D
D D D D
转换周期为10ms表示每10ms 有一个特殊时隒。返种配置对 时延癿保证略差一些，但是好 处是10ms只有一个特殊时隒， 所以系统损失的容量相对较小
5:3 17
TD-LTE帧结构-特殊子帧
特殊子帧配 置 0 1 2 3 4 5 Normal CP DwPTS 3 9 10 11 12 3 GP 10 4 3 2 1 9 UpPTS 1 1 1 1 1 2 最大覆 盖距离 104.11 39.81 29.11 18.41 7.7 93.41 29.11
性能（D频段）
TD-LTE技术性能达到系统设计目标，在相同频率下，可接入距离不LTE FDD基本相当 在20MHz载波，上下行时隙配置为2DL:2UL,特殊时隙配置为10:2:2时，性能不LTE FDD (10MHz×2)相 当，较TD- SCDMA有显著提升 在20MHz载波，上下行时隙配置为3DL:1UL, 特殊时隙配置为10:2:2时 •终端峰值速率：等级3癿终端下行最高80Mbps（理论峰值80Mpbs）优亍FDD等级3终端癿峰值 75Mbps;上行最高8.3Mbps（理论峰值10Mbps），低亍FDD上行理论25Mpbs •小区吞吐量：下行38.3Mbps，优亍FDD 27.4Mbps；上行为6.9Mbps, 理论小亍FDD（测试结果暂缺） •业务时延：21-30ms，比LTE FDD多2-7ms ，迖小亍TD-SCDMA 时延150ms •并发业务用户数：目前各厂家设备每小匙可以支持200个上/下行速率均满足50/100kbps癿用户，约为 TD-SCDMA癿33俰
(完整版)LTE多天线技术
个人也是学习中，算不上高手，说下我的理解：1、最早的多天线技术出现在接收端多天线接收，由于在接收端有多天线，可以形成多条接收通道,从而可以对抗无线信道的深度衰落，显然嘛：多条接收通道同时处于深度衰落的可能性肯定是小于单条接收通道处于深度衰落的可能性，这样就能改善传输质量，提高无线传输的可靠性。
这种技术又叫“收分集”技术，可以应用在基站或手机侧，而且显然由于不涉及到互操作，所以也不用标准化。
从而最先在无线系统中使用。
因为不用标准化，所以在LTE中我们就没有看到这方面的内容。
2、“收分集”技术的应用又给了人们启发：如果手机接收端部署多天线，显然对手机的成本和复杂度是有提高的。
能否把多天线部署在发射端来提高接收端的信道可靠性呢？这样一来：手机只用单个天线，复杂度和成本都在基站一侧，由系统侧承担，岂不乐哉?然而问题随之而来：如果发射端单纯的用多天线发射相同的数据流，它们实际上是相互干扰的，不但起不了分集的作用，而且可能会相互抵消！要多天线发射起到提供增益，而不相互打架，就需要特别的信号处理技术。
(以下都两天线发射为例，H表示复数的共轭,exp()表示一个复数，）牛人1: Alamouti天线1发射{x1, x2, .......}天线2发射{-H(x2),H(x1), .......}这种发射编码方案相当于在形成2个正交的信道(为啥？)，从而可以提高传输可靠性这种发射编码方案被用在LTE中就是Mode 2“发射分集”方案牛人2: 无名天线1发射{x1, x2, .......}天线2发射{x1*exp(b1),x2*exp(b2), .......}这种发射编码方案天线1正常发射，天线2把数据加上一个大的相位偏移后再发射相当于在信道中人为造成多径效应(为啥？)，从而可以提高传输可靠性这种发射编码方案被用在LTE中就是CDD“分集”方案，LTE中CDD不单独使用，只和空间复用技术结合在一起使用。
牛人3: 无名天线1发射{x1, x2, .......}天线2发射{x1*exp(B1),x2*exp(B2), .......}这种发射编码方案天线1正常发射，天线2把数据加上一个相位偏移后再发射。
（完整版）LTE多天线技术
（完整版）LTE多天线技术个人也是学习中，算不上高手，说下我的理解：1、最早的多天线技术出现在接收端多天线接收，由于在接收端有多天线，可以形成多条接收通道,从而可以对抗无线信道的深度衰落，显然嘛：多条接收通道同时处于深度衰落的可能性肯定是小于单条接收通道处于深度衰落的可能性，这样就能改善传输质量，提高无线传输的可靠性。
这种技术又叫“收分集”技术，可以应用在基站或手机侧，而且显然由于不涉及到互操作，所以也不用标准化。
从而最先在无线系统中使用。
因为不用标准化，所以在LTE中我们就没有看到这方面的内容。
2、“收分集”技术的应用又给了人们启发：如果手机接收端部署多天线，显然对手机的成本和复杂度是有提高的。
能否把多天线部署在发射端来提高接收端的信道可靠性呢？这样一来：手机只用单个天线，复杂度和成本都在基站一侧，由系统侧承担，岂不乐哉?然而问题随之而来：如果发射端单纯的用多天线发射相同的数据流，它们实际上是相互干扰的，不但起不了分集的作用，而且可能会相互抵消！要多天线发射起到提供增益，而不相互打架，就需要特别的信号处理技术。
(以下都两天线发射为例，H表示复数的共轭,exp()表示一个复数，）牛人1: Alamouti天线1发射{x1, x2, .......}天线2发射{-H(x2),H(x1), .......}这种发射编码方案相当于在形成2个正交的信道(为啥？)，从而可以提高传输可靠性这种发射编码方案被用在LTE中就是Mode 2“发射分集”方案牛人2: 无名天线1发射{x1, x2, .......}天线2发射{x1*exp(b1),x2*exp(b2), .......}这种发射编码方案天线1正常发射，天线2把数据加上一个大的相位偏移后再发射相当于在信道中人为造成多径效应(为啥？)，从而可以提高传输可靠性这种发射编码方案被用在LTE中就是CDD“分集”方案，LTE中CDD不单独使用，只和空间复用技术结合在一起使用。
TD-LTE系列有源天线简介分解
TD-LTE系列有源天线简介V0.1第一章系统概述摘要本章主要从系统角度，对本系列产品作一般介绍，包括应用范围、基本工作原理、产品特点及主要技术指标等内容。
1.1 概述TD-LTE系列有源天线是一种利用单根馈线实现双流MIMO的TD-LTE的室内覆盖设备，简化了LTE的双流信号覆盖时的大量的馈线安装工作，并可兼容借用原有室内覆盖布线进行覆盖，大大节省工程施工成本。
1.2 工作原理简介TD-LTE系列有源天线分布系统主要由三部分组成：有源合路器（MU）、有源双极化天线（RU）、同轴远程馈电电源组成。
利用原有的射频分布系统实现TD-LTE信号的双流MIMO，如图1-1所示。
图1-1有源合路器通过获取来自TD-LTE设备RRU的2*2的MIMO信号，其中一路TD-LTE信号接入到有源天线系统近端机（有源合路器），经过近端机放大、变频后接入多合路器系统与基站另一路TD-LTE信号合路；合路后RRU的2*2的MIMO信号通过射频分布系统馈线传输，最后在远端机（有源双极化天线）通过分频器将两路信号分开，并将在近端变频的一路TD-LTE的信号进行再次变频，恢复成原始的TD-LTE的射频信号，通过有源天线有源支路端覆盖，另一路未经变频的信号经过滤波后进入有源天线的无源旁路端覆盖。
有源天线分别接收TD-LTE覆盖区终端的上行信号，其中一路在经过有源天线端通过低噪声放大之后做变频处理后，与另外一路上行信号进行合路，并在射频分布系统馈线传输，最后通过在有源天线系统近端机（有源合路器端）进行反变频恢复信号，分别输出给不同的RRU。
其他非TD-LTE制式信号，可直接合路接入有源天线系统近端机（有源合路器端）旁路端口，合路后的信号经过多合路器后进入射频分布系统馈线传输，最后进入有源天线的无源旁路端覆盖。
图1-2 系统安装示意图1.3 技术特点●良好的系统性能，支持多种制式接入覆盖，减低建设成本。
●全部采用模块化结构，可靠性高，易于维修●采用TCP/IP及MODEM接口，为产品提供了两种远程监控通道●采用远程馈电技术，解决远端取电难题。
LTE系统多天线技术(MIMO与Beamforming)
h ij 1 (i 1 ,2 ,.n .R ;.j ,1 ,2 ,.n T .).,
发端保证总功率不变，各个天线发送相同信号。每个接收天线接收的信号功率为：
Pr
nT2
P nT
nTP
接收端进行最大比合并，信噪比提升 n R 倍，最终可得信道容量为：
CWlo2g1nRnTP2
在发射总功率不变情况下，通过收发使用多天线，信道容量随收发天线乘积数对数增长。假设
LTE系统多天线技术
目标
学完本课程后，您应该能：
了解MIMO和Beamforming的基本概念 了解MIMO和Beamforming的原理算法
目录
LTE 系统多天线技术背景 MIMO技术原理与应用 Beamforming技术原理与应用
多天线技术产生背景
50年前，香农公式给出了时频通信系统所能达到的最高效率。
MIMO技术原理与分类
MIMO是LTE系统的重要技术，它是指在发送端和接收端同时采用多根天线。 MIMO能够更好地利用空间维度的资源、提高频谱效率。使信号在空间获得阵 列增益、分集增益、复用增益和干扰抵消增益等，从而获得更大的系统容量 、更广的覆盖和更高的用户速率。
MIMO的技术分类
根据是否利用空间信道信息可分为：开环MIMO和闭环MIMO。
n T n R 8 , 1l0 o 1P 0g /2 2d 0B
，则规范化的容量C/W等
于12.65bit/s/Hz。而如果仅使用单发单收，则发射功率需要提高64倍才能达到同样的频谱效率。
MIMO－天线增益
h1
s/ 2
发射
机
h2
s/ 2
接收 机
h1
发射 h1*s/ h1 2 h2 2
机
发端保证总功率不变，各个天线发送相同信号。每个接收天线接收的信号功率为：
Pr
nT2
P nT
nTP
接收端进行最大比合并，信噪比提升 n R 倍，最终可得信道容量为：
CWlo2g1nRnTP2
在发射总功率不变情况下，通过收发使用多天线，信道容量随收发天线乘积数对数增长。假设
LTE系统多天线技术
目标
学完本课程后，您应该能：
了解MIMO和Beamforming的基本概念 了解MIMO和Beamforming的原理算法
目录
LTE 系统多天线技术背景 MIMO技术原理与应用 Beamforming技术原理与应用
多天线技术产生背景
50年前，香农公式给出了时频通信系统所能达到的最高效率。
MIMO技术原理与分类
MIMO是LTE系统的重要技术，它是指在发送端和接收端同时采用多根天线。 MIMO能够更好地利用空间维度的资源、提高频谱效率。使信号在空间获得阵 列增益、分集增益、复用增益和干扰抵消增益等，从而获得更大的系统容量 、更广的覆盖和更高的用户速率。
MIMO的技术分类
根据是否利用空间信道信息可分为：开环MIMO和闭环MIMO。
n T n R 8 , 1l0 o 1P 0g /2 2d 0B
，则规范化的容量C/W等
于12.65bit/s/Hz。而如果仅使用单发单收，则发射功率需要提高64倍才能达到同样的频谱效率。
MIMO－天线增益
h1
s/ 2
发射
机
h2
s/ 2
接收 机
h1
发射 h1*s/ h1 2 h2 2
机
LTE系统中的多天线技术
一个给定的信道秩 RI = v 通过 DFT 矩阵 U 进行数据流到虚
天线的映射，同时完成了虚天线的选择。 虚天线的选择通过码
字的循环增加了频率分集增益， 最后空间预编码矩阵 W(i)
将各虚天线的信号映射到物理天线端口上，如图 2 所示。
（2）闭环空间复用
闭环空间复用技术则要求事先知道信道的状态信息
多个数据流，LTE 系统中的开环空间复用空间预编码为：
y (i) & (0)
)
’
*
x (i) & (0)
)
’
*
’
*
’
*
’
*
’
*
’ ’
**=W(i)D(i)U
’ ’
* *
’
*
’
*
’
*
’
*
y (i) ’’ (P-1) **
(
+
x (i) ’’ (υ-1） **
(
+
首先，进行延时（CDD）操作，大时延 CDD 矩阵 D(i)对于
空间多路复用使得传输速耗。
抑制干扰能力是由于无线信道中会发生共信道干扰， 当使用多天线时， 利用得到的信号空间特征和共信道信号 之间的差别来抑制干扰。
3 空间信道
无线信道传播的多路径导致信号在不同的维度中传 播，这些是：
延 迟 扩 展 — — — 频 率 选 择 性 衰 落 (相 干 带 宽 和 时 延 扩 展 )； 多普勒扩展— ——时间选择性衰落 (相干时间和多普勒 扩展)； 角 度 扩 展 — — — 空 间 选 择 性 衰 落 (相 干 距 离 和 角 度 扩 展 )。 延迟扩展、多普勒扩展和角度扩展是信道的主要效应， 这些扩展对信号有巨大的作用。 角度扩展是信道的空间特
TD-LTE2、8天线分析
11
仿真区域选择
仿真区域说明
• • •
仿真区域覆盖面积为78.5平方公里 站址说明： 本区域内总物理站址数为400个 本区域TD-SCDMA基站350个，全部进行TD-LTE升级 剔除不可用站点（GSM同TD-SCDMA距离过近的站点），可用站点共 398个（含利用GSM可用站点48个
• 对天线技术没有额外要求
17
目
录
2、8天线基本知识介绍分析 2、8天线实际仿真案例
2、8天线对TD-LTE发展的影响
国际运营商LTE天线的选择
建设成本分析
18
国际运营商目前的选择
国家
日本 美国 印度 沙特 英国
运营商
Softbank CLW Bharti Mobily UKB
常 规 2 天 线 单 D 8 通 道 天 线 0.5波 长 F A D 8 通 道 天 线 0.7波 长
天线抱杆直径 要求 S1接口带宽
Ir接口光纤数 量
天线侧面图
单 D 8 通 道 天 线 0.5波 长 F A D 8 通 道 天 线 0.7波 长 3
二者相同
需要2对光纤 需要1对光纤
常 规 2 天 线
站点数比例
投资比例
0%
100%
100%
15%
14
目
录
2、8天线基本知识介绍分析 2、8天线实际仿真案例
2、8天线对TD-LTE发展的影响
国际运营商LTE天线的选择
建设成本分析
15
LTE能力的演进——多天线
• 多天线技术提升LTE的频谱效率，在频率资源一定的情况下可
有效提升吞吐量
• TD-LTE规模试验一阶段必选要求TM7，二阶段必选支持TM8 • 现有R8/9：2通道系统不能充分发挥TM7/TM8的性能，干扰 抑制能力差（TM7、8：波束赋形功能，多适用于提升小区边缘 性能）
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GSM GPRS EDGE eEDGE
LTE
TDSCDMA WCDMA R99
HSDPA
MBMS HSDPA R5
CDMA IS95
CDMA 2000 1x
xj
3G
CDMA 2000 1X EV-DO
n o _k
a i j g
802.16 e
HSUPA R6 MBMS
i e nw
HSUPA
HSPA+ R7
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。
-5 0
-6 0
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
x2 TX
MIMO
y1 h11 h12 x1 v1 + ⋅ h y = 2 21 h22 x2 v1
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。
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
n n
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
10
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
TD-LTE多天线技术介绍 jia
_ j x
中国移动设计院研究所
g n ko
i e nw
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
i e nw
天线应用场景
第2页
移动通信技术的演进与融合
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
i e nw
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
l
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。
x
o k j_
a i j ng
i e nw
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）。
LTE多天线方案介绍
方案一 8天线 Beamforming
n n n
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
n n n
xj
o k _
a i j ng
n
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
y11 * y12 y 21 y* 22 ~ x =
i
y12 h11 = y22 h21
h12 x1 ⋅ h22 x2
* v11 v12 − x2 + * x1 v21 v22
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：
l
a i j ng
i e nw
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。
i e nw
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）
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。
MIMO技术沿革
Marconi 利 用 多 天线抑制信道衰 落，实现大容量 传输
xj
o k _
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
a i j ng
i e nw
AT ＆ T 的 Tarokh等人在 Alamouti 的研 究基础上提出 空 时 分 组 码 STBC
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
j 1 + C = ∑ log x det
K k =1 2
n o kλ P _
k
n a gji
i e w
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，
1908
1998
空域并行技术,提升信道容量
x
o k j_
a i j ng
i e nw
ØHigh SNR:–MIMO provides higher bit-rates than non-MIMO (at a given SNR) ØLow SNR:–MIMO basically operates as Rx diversity
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
x
o k j_
y1
a i j ng
y2
i e nw
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
a i j g FAD天线及小型化天线 n o k _ j x 合路影响
i e nw
天线应用场景
第 11 页
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）
LTE
TDSCDMA WCDMA R99
HSDPA
MBMS HSDPA R5
CDMA IS95
CDMA 2000 1x
xj
3G
CDMA 2000 1X EV-DO
n o _k
a i j g
802.16 e
HSUPA R6 MBMS
i e nw
HSUPA
HSPA+ R7
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。
-5 0
-6 0
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
x2 TX
MIMO
y1 h11 h12 x1 v1 + ⋅ h y = 2 21 h22 x2 v1
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。
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
n n
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
10
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
TD-LTE多天线技术介绍 jia
_ j x
中国移动设计院研究所
g n ko
i e nw
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
i e nw
天线应用场景
第2页
移动通信技术的演进与融合
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
i e nw
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
l
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。
x
o k j_
a i j ng
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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）。
LTE多天线方案介绍
方案一 8天线 Beamforming
n n n
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
n n n
xj
o k _
a i j ng
n
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
y11 * y12 y 21 y* 22 ~ x =
i
y12 h11 = y22 h21
h12 x1 ⋅ h22 x2
* v11 v12 − x2 + * x1 v21 v22
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：
l
a i j ng
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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）
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。
MIMO技术沿革
Marconi 利 用 多 天线抑制信道衰 落，实现大容量 传输
xj
o k _
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
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
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，
1908
1998
空域并行技术,提升信道容量
x
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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
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
x
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y1
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y2
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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
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 11 页
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）