MIMO多天线技术教学学习课件PPT.ppt

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mimo,mimo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+n,r: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/*h) miso系统： c=b*log2(1+mtpt/*h) mimo系统： c=min(mr,mt)*b*log2(1+pt/*) 其中： pt：天线发射功率， mr：接收天线数 mt：发射天线数 ，：白噪声的方差 h:衰减系数 :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,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,mimo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=,s1 s2,-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=,s1 s2,-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。,时间,空间（天线口）,1ms,mimo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。,时间,空间（天线口）,1ms,mimo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,提供发射分集对抗衰落,提高峰值速率,提高系统容量,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,mimo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,double stream mimo,小区边缘,transmit diversity,non codebook and codebook beam-forming,transmit diversity,低速移动（室内）,mu-mimo and double stream precoding,open loop sm,中速移动,mimo的工作模式,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mimo,mimo系统的实现,mimo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vp，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,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。,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,w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sfbc 4天线的开环发射分集采用sfbc+fstd,mimo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,pmi,ri,cqi0/1,自适应mimo,cqi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