LTE系统中的MIMO技术研究.doc

编 号：_审定成绩：_ 毕 业 设 计 （论 文）设计（论文）题目: LTE系统中的MIMO技术研究 单 位（系别）： 电子工程系 学 生 姓 名：_ _ 杨森睿 _专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 01131101 学 号： 0113110113 指 导 教 师： 何春燕 答辩组负责人：_ _填表时间： 2015 年 5 月重庆邮电大学移通学院教务处制重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院毕业设计(论文)任务书设计(论文)题目 LTE系统中的MIMO技术研究 学生姓名 杨森睿 系别 电子工程系专业电子信息科学与技术 班级 01131101 指导教师 何春燕 职称 讲师 联系电话 42887150 教师单位 移通学院电子工程系 下任务日期 2014 年 12 月 26 日 主 要 研 究 内 容 、 方 法 和 要 求研究内容：1介绍LTE系统的概念和OFDM，TDD，SC，MIMO等几大关键技术。2介绍MIMO系统，主要包括MIMO技术中的空间复用技术和空间分集技术，单用户的MIMO和多用户的MIMO。3研究MIMO的几大常规检测技术，其中包括ZF检测，MMSE检测，串行干扰检测和并行干扰检测。研究方法：1将MIMO 信道系统的物理模型与数学模式进行结合，用公式算法表示MIMO信道，用物理模型图形象的展示各个分点技术的情况。2针对几种检测方法，则用矩阵公式的形式表示出来。要求：1查阅资料学习和掌握LTE系统中的MIMO技术。 进 度 计 划2014.12.28-2015.03.01：通过网络和图书馆进行文献搜索，了解课题研究背景方向；2015.03.02-2015.03.31：继续收集所需材料，完成开题报告，确定论文的总体结构；2015.04.01-2015.04.30：完成论文初稿；2015.05.01-2015.05.16：按照老师要求修改论文；2015.05.18-2015.05.24：完成终稿，答辩。 主 要 参 考 文 献1 佟学俭，罗涛著.OFDM移动通信技术原理与应用M.北京：人们邮电出版社，2003.2 G.H.Golub and C.F.Van loan.Matrix Computations.Maryland,U.S.A.:The John Hopkins University PressJ.1983.3 黄宗治.LTE-Advanced系统中的MIMO技术研究J.2010.指导教师签字： 2014年12月28日教研室主任签字： 2014年12月28日备注：此任务书由指导教师填写，并于毕业设计(论文)开始前下达给学生。摘 要自从19世纪90年代马可尼的第一个无线电通信实验开始，人类就开始着手于移动无线通信的研究，时至今日，LTE（长期演进）系统是已然是目前国际上在移动通信方面一个主流的研究发展方向，而MIMO（多输入多输出）技术又是现代无线通信技术领域内最为具有前景和实用价值的尖端技术之一，它不仅可以克服信道衰落，还能提高系统信道容量，因此MIMO在LTE中的重要性不言而喻。本文主要研究LTE系统中的关键技术之一的MIMO技术。首先介绍LTE系统的大致概念和它的几大核心技术，其中包括OFDM技术、TDD技术、SC技术和MIMO技术。并且重点介绍MIMO这一技术，而且还介绍LTE系统到目前为止的发展现状。其次详细的介绍MIMO技术，对MIMO的概念、主要思想、主要方式都做了详细的分析，并用图像直观的展现MIMO系统。接着针对MIMO技术当中的核心部分，即空间复用技术和空间分集技术做了详细彻底的理论叙述。再其次考虑到MIMO的现实应用，开始分析单用户情况下的MIMO技术以及多用户情况下的MIMO技术。在单用户MIMO下，介绍了基于空间复用的层映射和预编码技术；在多用户MIMO情况下，又衍生了透明与非透明MIMO技术，上行和下行MIMO技术。最后为了能够正确分辨恢复出各个发射天线上的信号，便深入了解最常用的MIMO技术检测算法，其中包括线性检测中的迫零算法（ZF）和最小均方误差（MMSE）,还有非线性的干扰消除检测法，在干扰检测算法中，又重点介绍了串行干扰检测算法和并行干扰检测算法。【关键字】LTE系统 MIMO技术 单用户MIMO 多用户MIMO 检测算法ABSTRACTSince the first radio communication Marconis experiments began in the 1890s, humans began to study mobile wireless communications, today, LTE（Long Term Evolution）system is already is a mainstream in the current international mobile communications research and development direction, and MIMO（multiple input multiple output）technology is one of the most cutting-edge technology has a modern wireless communications technology vision and practical value, it can not only overcome channel fading, but also improve the system channel capacity, so MIMO LTE importance of self-evident.This paper studies the LTE system, one of the key technologies of MIMO technology. First introduced the concept of LTE systems generally and its several core technologies, including OFDM technology, TDD technology, SC technology and MIMO technology. And focuses on the MIMO technology, but also introduce LTE system development status so far. Secondly, a detailed description MIMO technology, the MIMO concept, main idea, the main way has done a detailed analysis, and visual image to show MIMO system. Next for MIMO technology among a core part of that spatial multiplexing and spatial diversity technology to do a detailed thorough theoretical narrative. Then followed by taking into account the practical application of MIMO, MIMO technology MIMO technology began to analyze the case of single-user and multi-user situations. In single-user MIMO, introduced the layer mapping and pre-coding technology is based on spatial multiplexing; in the case of multi-user MIMO, but also gives rise to a transparent and non-transparent MIMO technology, uplink and downlink MIMO technology. Finally, to be able to correctly distinguish recover the signal on each transmit antenna, they understand the most commonly used technique MIMO detection algorithm, including zero forcing linear detection algorithms（ZF)and minimum mean square error（MMSE）, as well as non-linear The interference cancellation detection method, interference detection algorithm, but also focuses on the Interference detection algorithms and parallel interference detection algorithm.【Key words】the LTE system MIMO Technology single-user MIMO Multiuser MIMO detection algorithms目 录前 言.1第一章 LTE系统.2 第一节 LTE的概述及其关键技术.2第二节 研究现状.3第三节 主要结构.4第二章 LTE中的MIMO技术.6 第一节 MIMO的系统介绍.6第二节 MIMO的技术特性7一、 空间复用8二、 空间分集9第三节 单用户MIMO技术.11第四节 多用户MIMO技术. .14第五节 本章小结17第三章 常用的MIMO检测算法.19第一节 线性检测19一、 迫零（ZF）检测19二、 最小均方误差（MMSE）检测.20 第二节 干扰消除检测21第三节 本章小结24结 论25致 谢26参考文献27附 录28 一、英文原文.28 二、英文翻译.31V- -前 言自从有了3G移动通信的出现，人们的日常生活发生了翻天覆地的变化，它丰富了人们的娱乐，教育，医疗等各个方面。人们可以进行网络游戏，远程办公等摆脱了各种条件的限制，真正实现了任何人，任何时间，任何地点的高质量通信。但是人们的要求并没有就此停歇，根据调查显示，人们对于目前的2Mbit/s的WCDMA的R99的传输速率已经不是很满意了。但随着信息技术的不断发展和创新，LTE项目已是近几年来3GPP启动的最大的一项创新型技术。LTE系统，全称为Long Term Evolution，在外界压力下为了应对目前市场上各种日益崛起的移动通信技术，为了发展现代化高速移动网络的需求，这才使得LTE的横空出世。与传统的3G网络相比，LTE在很大一方面上完善了空中接入技术。伴随着时代的高速发展，无线通信的日益普及，服务质量日趋提高的同时，人们也要求尽可能的将数据的传输速率提高，这种社会的需求直接带来了人们对信道容量的研究热潮，无数的理论研究表明，现在移动业务流量大量增加，LTE系统中的核心技术之一的MIMO技术也就起到了无法替代的作用。MIMO技术，科学定义的全称为Multiple Input Multiple Output，即多输入多输出技术。通俗的讲它是一种天线模式的通信系统，其具体方法就是在发射端和接收端同时安置多跟天线，并且每一根天线都会发射和接收到无限个信号，它可以在多种无线环境甚至是强散射环境中使用信道容量得到线性增加，再者因为MIMO技术可以最大化的利用系统空间资源、充分覆盖无线范围而且还能增加频谱效率，因此MIMO技术必将下一代乃至未来无线通信的核心技术。 - 33 -第一章 LTE系统截止到目前，国际上已经有了三代移动通信技术标准，它们分别是第一代模拟移动无线电系统，第二代数字移动通信系统，第三代处理宽带数据的移动系统。而时至今天，LTE（长期演进）系统正在逐步取代之前的移动技术标准，它将在今天，明天，乃至未来渐渐的带给人们更高效更便捷的移动生活。第一节 LTE的概述及其关键技术自古以来，无论什么时代，什么地点，通信架起了人与人之间沟通的桥梁。然而这种桥梁不断没有停止，反而朝着更远，更快，更先进的要求发展着。现世纪的人们在通信方面的要求越来越高，尤其是在无线通信方面。正如大众所知的3G网络，目前已经普及了国际市场，并成为当前主流的无线通信技术。但就在这几年，CDMA的崛起，WCDMA，TD-SCDMA，CDMA2000等各种系统在全球的部署，3G技术已被认定为用户最广泛接受的CDMA技术。但人们的需求并没有就此停止，根据社会市场的调查以及专家的研究表明，2Mbit/s的WCDMA R99的传输速率很快将不能满足人们的通信要求1。于是LTE应运而生，所谓LTE，是指由3GPP组织制定的UMTS技术标准的长期演进。很多人只知道所谓的4G，并把LTE误以为是4G，其实并不是这样的。LTE相对于3G来说，表明上看起来是似乎只是一种“演进”，但其实确实一种“革命”。在经过长达3年的技术开发后，LTE作为目前最受市场关注的宽带移动通信标准，已逐步占据市场核心。虽然LTE已具备非常明显的4G技术特征，但还是只能称之为准4G。早在2004年的时候，LTE的标准化就已经提出来了，当时是为了和WiMAX等移动宽带接入技术作斗争，但是当时LTE的很多方面还存在争议性。所以直到2005年的时候，才最终确立了其系统目标。很多人只知道用4G网络速度非常快，但是其背后的关键技术才是我们需要研究的。LTE是一个庞大的系统，它是由各个技术组合而成的一种通信系统。在整个系统当中，包含了如下几个关键技术。第一个技术就是OFDM（正交频分复用）技术，OFDM技术的核心思想就是将一个信道分成若干个正交的子信道，在每一个单独的信道当中，移动着数以亿计的信号，而且这些信号的移动速度是非常快的，但是我们需要的是速度比较慢的信号，因为这样的信号才能准确无误的传输，于是我们要通过串并变换把那些速度快的信号分配到速度慢的数据流中，接着便是把低速的信号通过子信道传输出去。但是传输出去的信号会存在相互干扰，此时我们采用的方法是在接收端用人为的设计分离这些正交信号，这样就可以最大化降低它们的相互干扰（ISI）。为了研究要求我们需要理想化的把每个子信道上看成平坦性衰落，这就需要我们设计的原信道的带宽要比它分离出的小信道的带宽大，这样做的目的无疑是去除码间串扰，而且原信道带宽只是将其中的一部分分配给每个子信道，这样一来，信道均衡就会显得相对容易2。第二个技术是智能天线，智能天线包含的技术便是空分复用（SDMA），利用信号在不同方向上的传播，把频率相同、时隙相同的信号区分开来。它最大的优势便是成倍的扩增通信容量，并且结合其他的复用技术，能够最大限度的使用频谱资源。再者说移动通信是个组合的系统，由于环境是不固定的、建筑物的结构也会严重干扰电波的传输，每个不同的用户间的差异带来的相互影响，他们之间有一定的时延扩散、瑞利衰落、多径、共信道干扰等，从而导致通信质量大大降低，用户体验大打折扣。而智能天线的诞生将这些问题一一击破了。第三个是TDD技术，又叫做半双工，这种技术模式只需要一个信道，无论是向下还是向上都是在这么一个信道中传输。因为发射机和接收机是独立工作的，所以不存在相互干扰。如果给TD-SCDMA分配一个不对称频段的频率，并且把1.6MZH设为每个载波的固定频率。由于这种技术存在极强的灵活度，因此上下行切换点在每个RC内时域都是可灵活变动的，所以无论是对称业务（语音和多媒体等）还是不对称业务（包交换和因特网等），无线频谱都可以解决。最后一个技术也就是本文的重点即MIMO系统。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）指在发射端和接收端同时架设数根天线，一般来说数量越多资源越多，通过多根天线的不断输送与接收，这样就可以提高通信的质量。它最大的特点就是发挥空间资源的最大化，通过两端架设的多个天线实现多发多收，在一定限度的频谱资源和天线发射功率的情况下，可以把系统的信道容量成倍的增加3。第二节 研究现状一、研究现状近几年无线技术的大力发展和应用让人们深刻的认识到了无线的方便与快捷，但是早在1895年的时候，马可尼（意大利的科学家）就利用电火花产生的电磁波先后在不同距离的地方实现了电报信号的传输，这一伟大的发现就此拉开了人类先进的移动生活。随着人类追求更高更快更强的生活方式，人们大大加强了在无线方面的投资和研究。伴随着2G的诞生，3G的普及，4G的流行，无线通信的各个方面都在接受着人类最挑剔最严谨的考验，这不仅体现在对于时域区域移动上的要求，即能否实现时时处处的移动，更多的是在信号的传输速度和信号的覆盖范围上的一个要求。现在3G的技术不仅能提供170/384kbps速率的数据接入，而且还能够提供2Mbps的数据接入速率。3G带给人们更便捷更快捷的生活方式，也重新定义了全新的移动网络生活。但趋于人们的智慧和市场的驱动，研究人员们不得不做出进一步研发。时势造英雄，LTE就此诞生。目前我们大部分人手上的iPhone等其他智能手机都可以明确的看到手机上方显示着4G。其实在2010年的时候，LTE技术已经开始进入商用阶段，截至目前，LTE已经成为最受关注的移动通信标准。就目前的LTE标准来看，已经具备了以下几个准则:第一个就是支持带宽的范围，就是我们控制的带宽范围要在1.4MHZ-20MHZ之间；第二个是用户面要在5ms内接受到全方面的信号，控制的极限时间不能超过100ms；第三个是在目前标准的5MHZ带宽下，每个小区要毫无延迟的完成200个用户的各种通信业务；第四个是即支持现在的3GPP系统又可以兼顾到非3GPP系统；第五个是适用于增强型的MBMS（广播业务）；第六个是节约资源，把建网成本降到可控可调范围内，实现从R6的低成本演进4。为了达到LTE系统的上述指标，我们就需要对LTE系统内部的核心技术进行研究，3GPP标准化组织在各个通信公司之间的积极参与下经过认真透彻的分析，最终确定采用OFDM和MIMO技术作为无线网络演进的物理层关键技术。而本文我们重点研究MIMO技术在LTE系统中的作用。目前，全世界的通信技术公司都在研究MIMO的理论、性能、算法和实现。虽然现在有很多关于MIMO技术的理论资料出来了，但是由于MIMO信道是一个时变的，非平稳多输出多输出系统，所以依然存在着很多需要攻克的问题，尤其是在MIMO技术的空间复用和空间分集。按技术的分工来讨论作用，如果需要提高系统容量就采用空间复用，它的特点在于仅需要自身的带宽和发射功率就可完成任务，避免了资源的浪费；如果是用来客服信道衰落就采用空间分集，空间分集大致通常分为接收分集和发射分集。 第三节 主要结构本篇论文的章节结构和主要内容概述如下：第一章：绪论。本章概括介绍了LTE系统的概念和LTE所包含的关键技术以及对研究现状进行了一个描述，并规定了目前LTE的一些系统准则，引出LTE系统的关键技术之一的MIMO技术。第二章：LTE中的MIMO技术。本章系统的介绍了MIMO技术，用图画描绘了MIMO系统的模型，并且通过数学算法用一步步的公式推导出MIMO的系统模型。接着就MIMO系统的两大核心技术进行一个详细的介绍：第一个便是空间复用技术，第二个就是空间分集技术。又分析了在单用户情况下的MIMO和多用户情况下的MIMO，其中包括在单用户下基于空间复用的层映射和预编码技术，透明和非透明多用户的区别以及多用户下的上行MIMO和下行MIMO。第三章：常用的MIMO检测算法。本章主要介绍了MIMO的几种常见的检测算法，其中有线性算法中的ZF（迫零）算法和MMSE（最小均方误）算法，除了线性算法之外还有几种非线性算法，本文主要讲其中的干扰消除检测算法，在干扰消除检测中又分为串行干扰消除和并行干扰消除。第二章 LTE系统中的MIMO技术LTE系统是一个复杂且庞大的系统，不同的关键技术在LTE中都有不同且重要的功能。MIMO作为LTE必不可少的核心技术之一，在提高信道容量，克服信道衰落方面有着无与伦比的的优势，这也导致MIMO技术在未来通信方面有着不可估量的研究前景。第一节 MIMO的系统介绍让时间回到100年前， MIMO的模型已经初具概念。所谓MIMO，就是在基站和终端使用多根天线来抑制信道衰落，其思想就是把收发端天线的信号进行合并，从而大大的提高信道的容量，覆盖范围和频谱利用率。其实不管什么样的无线通信系统，只要在它的发射端和接收端架设多个天线或者天线阵列，就可以初步构成一个大致的无线MIMO系统。一般来说多径的传播方式是会干扰无线传输的，但是对于MIMO技术来说却可以把多径传播转变成有利的因素，这也是MIMO技术独特的一面5。其工作原理是：在发射端，我们将所接收到的所有用户信息进行整合分离，变成多个并行的数据同时同频在不同的天线上进行传输，而在接收端，由于信道的不同，在信道中传输的数据流的空间特性也就会不同，根据这些不同，我们就可以区分不同信号，这样就可以恢复出我们的原始数据流5。发射器接收器X111X22XNNNRY1Y2YN图2.1 MIMO系统模型图2.1这是一个简易的MIMO模型。如图所示，图中具有Ni根发射天线和Nr根接收天线。为了方便我们研究理论，我们一般把传输信道假设为高斯信道。并且规定发射信号的所有元素都服从高斯随机变量。因此我们可以得出一个协方差公式： （2.1）上式中，E是数学期望，H是共扼旋转运算。如果我们假设发射信号的总功率为P，则有： （2.2）其中Tr是求矩阵的迹。在不确定接收端的情况下，我们可以把每个天线上的发射功率看作是一样的，用公式表示就是：p/nT，如果按照这样假设的话，我们用可以用一个新的公式来表示协方差： （2.3）上式中，InI是nI*nI维的单位矩阵。如果我们限制下条件，最大化的缩小发送信号的带宽，理想话的把信道衰落视为平坦衰落。那么现在的信道响应矩阵H就可以表示为： （2.4）以上我们所说的都是发射端的信号，下面就分析下在接受端的信号情况。那么在接收端，接收机的噪声矢量可以表示为 （2.5）还是按照高斯随机变量进行处理，独立的实部和虚部，并且方差是一样的。因此在接收端的噪声矢量n的协方差矩阵可以表示为： （2.6）在排查一切干扰的情况下，我们知道每根天线接收的功率一定是等于各个发射天线的发送功率总和。根据以上的分析，MIMO系统信道模型可表示为6： （2.7）第二节 MIMO的技术特性一、空间复用空间复用是MIMO系统的两大核心技术之一，目前所有的MIMO技术的研究也都是围绕空间复用和空间分集这两个方面来进行。空间复用是用来提高信道容量的。其工作模式是每一个独立的发送天线都会独立的发送数据流，从而成倍的提高系统的吞吐率。简单来说，空间复用也是MIMO的分支，方法同样是在接发两端架设数根天线，利用空间信道的弱相关性在收发天线间构建多个并行的空间子信道（MIMO信道），且每一个单独的天线发送的是独立且完全不同内容的信号，充分利用空间中多径分量的资源，而且在相同的频带上使用多个数据通道传输信号，它仅需要自身频谱信道带宽和发射功率，就可以提高信道容量，而且这种信道容量会随着天线数量的增加而呈现线性增加，因此这是提高系统容量很有效的一种方法，也是现阶段最主要的手段。为了能够把独立的数据流分离开，一般来说，我们会设置接收的天线数量超过发射的天线数量。如果用实验室的理论来说明空间复用技术的话，那么最具有代表性的便是贝尔实验室，在这个实验室当中，有一种技术叫分层空时码。它的原理就是在现有的一维信号处理方法基础上来解决二维或者是多维的空间信号，这样做的用处是为了高速传输。这种技术主要分为3种，其中包括垂直贝尔实验室分层空时（V-BLAST）、水平贝尔实验室分层空时码（H-BLAST）以及对角贝尔实验室分层空时码（D-BLAST）。在这3种结构中，最基本的是针对平衰落信道的V-BLAST结构。它只是单纯的MIMO多路传输，并没有获得任何的空间分集，因此它可以获得速率或增益的最大化。而在LTE系统中，空间复用是一层层传输的，至于它有没有一个极限或者范围那要看信道矩阵有多少秩还有就是有多少根最大发射天线，在信道衰落方面，如果接收天线和发射天线是毫不干涉的，此时信道矩阵的秩和天线数量是等同的。在空分复用的模式下，接收端是没有能力处理干扰的，这就需要在发射端做一个预编码的设计，根据信道的环境，我们将独立的数据流映射到不同的发送天线，所以这也就引发了另一大技术的研究热潮，那便是预编码的码本设计10。根据接收端是否反馈出发送端的码本，我们又可以将空分复用分为开环的和闭环的复用模式，开环复用技术不需要终端对其反馈PMI信号，闭环复用技术需要终端对其反馈PMI信号。开环闭环模式下，UE都要上报CQI和RI.CQI用于进行MCS选择以及TBS分配，RI用于进行TM模式选择和分配。而只有闭环模式下才需要上报PMI，用于进行码本的选择。RI和PMI是独立上报的，PMI是否存在取决于是采用开环还是闭环模式，如果系统配置TM模式为TM3，则UE只上报RI，不报告PMI，如果配置为TM4，则UE即上报RI，又上报PMI7。串/并转换并/串转换TxRxS2S1 S0S2S1S0图2.2 空间复用原理框图（其中Tx表示发送端，Rx表示接收端）二、空间分集空间分集又被称为天线分集，在无线通信系统中这是一种用途及其广泛使用次数和模式最多的分集形式，它的存在就是针对信道衰落。其实空间复用也好别的MIMO技术也好，其思想都是建立在天线方面的设计，同样是建立在两端的多根天线的基础上。空间复用即在空间中形成一种多种途径传播的模式，在频率相同的带宽上利用多个数据通道发射信号也就是在MIMO的子信道上发射，这样就只要天线的数量增加了，系统的信道容量就会随之增加，而且呈现的是一种有规律的线性增加。这种信道容量的增加有两大突出的优势，第一是它自身的带宽就足够自己使用了，不会浪费很多资源；第二是它所需的发射功率很小，自己便可以满足，不再需要其他的支援，因此对于信道和系统容量的提高将会非常有用。如此的发射信号，可以大大的增强传输的信号质量，有效的降低误码率。简而言之，就是尽可能的用多根天线去接收信号，然后将这些信号收集整合8。因为接收的信号非常的多，难免存在很多不相关不需要的信号，针对这种情况，我们就要把架设的多根天线保持一定远的距离，这样做是为了保证我们接收到的每一个多径信号它的衰落特性是彼此不一样的。不考虑实际情况，我们理想的假设，当波长为时，两根接收天线之间的距离只要满足长度为一半就可以避免信号的不相关性。由于信号功率受很多影响，每一刻都是不确定的。当信号功率处于不断下调阶段时，信道便处于衰落状态，针对这种衰落，分集的作用便显现出来了。在 SIMO 通道中这种分集技术同样适用。接收天线把每一个处于衰落状态的信号都收集起来，并把这些信号进行整合，整合出来的信号的幅度变化小于整合前每一个独立天线的信号。并定义把独立衰落信道数用来表示分集的特征，我们把独立衰落信道数也称为“分集阶数”，并且如果同一发射天线的所有衰落特性在接收天线上都是独立存在的，则分集就等同于 SIMO 信道中接收天线的数量。发射分集在 MISO 信道有着广泛的应用而且其研究价值越来越高。我们要通过一定的设计方案，设计合理科学的发射信号将分集提取出来。单方面设计发射信号是不够的，还需要设计接收方案，这样才可以充分的获得分集增益。如果每一个发射天线的衰落特性在接收天线端都是独立存在的，则该信道的分集也等同于发射天线的数量。其实空间分集是一个很大的技术范围，其中包括发射分集、接收分集，通常认为多输入单输出（MISO，MuLtiple Input Single Output）系统是发射分集，单输入多输出（SIMO，Single Input Multiple Output）系统为接收分集。在实际处理信号的过程中，发射出信号要先发射、然后在空间中受各种影响会发生散射的情况，由于多路径的关系，信号会变得模糊混杂。如果两个位置间的距离大于天线间的距离（满足天线间隔L=n（n1），则认为两个地方的信号完全没有关联，这样的话，我们就可以实现信号空间分集接收9。发射分集就是将分集所有可能的影响情况统一交给基站去处理，利用了空间信道的弱相关性，在结合了频率，时间上的选择性，为传输信号提供不同的副本参考，从而提高接收信号的信噪比，进而提高了传输的可靠性。发射分集通常有几个比较典型的应用，如空时块码（STBC）和空时格状码（STTC）。空时格状码虽然性能比较优越，但是其译码难度和传输速率成指数关系，因此解码难度很大。而空时块码在一定程度上比不上空时格状码，但是它便于理解和实际操控，因此收获到的分集增益也是最大的。所以，往往在研究方式上，更愿意选择空时块码10。接收分集顾名思义就是在把一个独立的发射天线所发出的多个分散的独立信号进行收集和整合，并且在接收完成后，把含有类似信息的独立数据流进行一个收集合并，然后通过筛选将我们需要的原始数据完整的提取出来，这也称为信息的恢复。根据合并的方式不一样，我们可以将接收分集再次分为基于选择式合并（SC，Selection Combining）的接收分集，基于等增益合并（EGC，Equal Gain Combining）的接收分集和基于最大比值合并（MRC，Maximal Ration Combining）的接收分集。在选择合并式中，选择众多信号当中一个质量最好的天线的信号，把它当做我们需要接收的信号；在等增益合并式中，保持各个接收天线的输出信号相同，然后相加；在最大比值式中，我们用一个复数，通过对这个复数的加权和进一步加权来表示接收天线的输出。 G1G2Gmm天线交换逻辑或解调器输出12图2.3 空间分集框图第三节 单用户MIMO技术单用户多输入多输出（Single-User Multiple Input Multiple Output，SU-MIMO）技术指的是在一个基站和一个终端之间进行点对点的通信，这时一个用户将会充分的享有基站供给的所有时频资源，这样做是为了提高单用户的峰值速率和小区峰值频谱效率。而且在多径的情况下，SU-MIMO技术不但可以大大的提高单用户的数据传输速率，更可以使系统的最大容量或者容量上限随最小天线数的增加而呈现线性增加。 基站UE图2.4 单用户MIMO示意图为了满足系统峰值速率和频谱效率两方面的要求，SU-MIMO技术又大致可以分为两类：第一类就是以获取最高频谱效率为目的的空间复用技术；第二类就是以提高系统性能为目的的发射分集技术。在空间复用技术方面，也分为开环方式的空间复用和闭环方式的空间复用。对于开环的空间复用而言，一般采用固定的复用流数，但是因为MIMO信道存在相关性的差异，所能支持的复用层数也各不相同，所以要消除流间干扰是比较困难的，也就造成了多行并流传输的性能差于单天线传输。而闭环形式的空间复用就可以很灵活的支持各种MIMO信道相关性，实现各种流数，确保传输的性能。在LTE系统中，SU-MIMO技术的下行基本天线标配是2根天线组合2根天线的形式，也就是说有2根发射天线和2根接收天线11。加扰调制层映射预编码资源单元映射OFDM信号产生加扰调制资源单元映射OFDM信号产生码子实现MIMO功能层数天线口图2.5 LTE系统下行物理信道处理过程图中的虚线部分是真正的SU-MIMO技术特征，也就是说LTE中的MIMO技术是通过层映射和预编码联合设计实现的。一、SU-MIMO的空间复用技术（一）基于空间复用的层映射1个或2个码子可以映射到1、2、3或4个层（虚天线）上，也就是说当层数4的时候，层映射方案既兼容了LTE系统的后向，又支持了双倍层数的天线配置，即V=8。层在数学当中就是矩阵的秩，因此层数V天线端口数P。（二）基于空间复用的预编码预编码技术就是事先了解信道的一些情况，然后根据所获情况对发送信号做一个预先的处理，以方便接收机进行信号检测，从而进一步提高系统吞吐量。预编码可以表述为：Y=WX （2.8）R-HY=HWX+n=HEX+n （2.9）其中，X是发射信号向量，W是预编码矩阵，R是接收向量，H是空间信道矩阵，n是噪声向量，HE是经过预编码之后的等效空间信道矩阵。在下行信道中，标准的LTE最多提供22的天线配置，所以在预编码设计的时候，只需要考虑2天线的情况，目前LTE系统中的2天线对应的码本采用了基于DFT的结构。二、SU-MIMO的发射分集技术在LTE提供的2根天线的情况下，发射分集方案采用了空频分组编码（SFBC），SFBC在不需要外码的情况下便可获得较大的分集增益，这种编码可以同时满足频率和时间的双重选择性衰落。在常规的MIMO中，用于传输的数据流一般是和发射天线的数量挂钩的，它们的关系基本是等同的。但是，会存在一些特殊发生，比如发射天线的数目数据流的数目。假设Nt代表的是发射天线的个数，N指的则是数据流的数量，一旦关系式满足NNt。这样的话为了使得平衡或者方便实际操作，就需要把多出来的发射天线利用虚拟化的技术将其虚拟为虚拟的发射天线，那么利用这种办法得到的虚拟天线在数量上就和数据流是一样的了。我们可以用图来形象的表示：4天线的发射分集方案虚拟天线模块输入数据流图2.6 发射分集技术结合虚拟天线技术方案为了更直观更便捷的理解虚拟天线是如何工作的，又描绘了虚拟天线的原理图：4天线的发射分集方案ABTx1Tx2GHTx7Tx814输入数据流虚拟天线模块物理发射天线图2.7 虚拟天线的原理图如图所示，虚线框中的AH表示的是分布处理每一个信号的单元，可以分为循环时延分集（CDD）、NULL、整幅处理等等。其中NULL是说这条信道没有信号输出，即这根天线是没有处在工作状态的，它不会发送任何数据。分集方式有很多种，而CDD只是其中一种比较常见的方式，其思想便是通过人造的方式，在接收端为发射端提供一个多路径的条件。整幅处理是用来放大信号的，功能相当于放大器，凡是经过此路径的信号幅度都会变大，为了整个路径的稳定，我们都会控制发射功率的平衡，且整幅系数设为1.总而言之，在SU-MIMO技术中引进虚拟天线技术就是使得发射端增加冗余传输从而达到提高系统分集增益的目的12。第四节 多用户MIMO技术随着MIMO的深入研究，每一个技术研究的最后都是为了实用，人是社会的主体，MIMO的诞生也是为了更好的服务人类，因此把MIMO深入小区，深入人群是MIMO的最终目的，于是人类便开始将研究方向由单用户转移到多用户中。所谓多用户MIMO也就是说如果MIMO系统用于增加多个用户的速率，即将一个完整的信号均等的分成若干个数据流发送给不同的用户或者不同用户在同时同频的情况下给基站发数据，则称之为多用户MIMO（MU-MIMO）。 图2.8 单用户MIMO如图所示是一个单用户系统，每个用户所拥有的信道都是彼此独立的，这样最大好处便是单用户分集增益能够保持最大。但是与此同时每个用户是相对封闭的，他们只了解自己的情况，却很难获得其他用户的信道信息，这样也就意味着用户间很难进行协作，这样一来，就会存在一个问题，也就是说在MU-MIMO系统中，我们应该如何消除用户间的共信道干扰。因为用户端也就是我们所说的终端，终端存在的问题如果不能靠自己解决，那就只有从发射端即基站着手解决，因为所有的信号都是通过基站发送出去的，因此基站熟知每一个信号。对于时分双工系统（TDD），这可由基站接收的上行链路的序列或者导频序列来获得。对于频分双工（FDD）则可以通过反馈获得。基站是始发站，更便于控制，在处理能力上要优于移动台（MS）。所以考虑到种种原因，不管是为了效率还是别的原因基站都要处理大部分的问题，设计一个预编码方案消除、抑制干扰或者在接收到信号后进行处理来区分用户。和单用户不同的是，单用户MIMO系统的容量是一个多维的区域，我们常常用用户数目作为维数，比如，对于N个用户，信道容量区域则用N维的容量来表示。一、多用户MIMO信号模型多用户MIMO系统在接入方式上又可以分为上行链路和下行链路，上行链路称为多址接入信道（MAC），下行链路称为广播信道（BC），在上行链路中，每个用户都是由下向上的发送信号，而且发送的地点和频段都是一致的，接着基站根据接收到信号把每个用户单独的辨别开，主要问题是基站又是怎样通过阵列的方式来处理这些不同的多址接入。而在下行链路中，基站收集所有的待处理数据串然后平均的分成多个并行的数据流，每个数据流受脉冲效果成形，调制后用多天线技术把数据流同时同频的发送到无线空间，但是对用户来说，基站不仅发送给他们信号，信号中还夹杂着噪声干扰，这样的信号就不清晰。那么消除由此带来的多址干扰（MAI）就是我们下一步需要解决的问题。 预编码12M1用户反馈H1H2Hkd1d2d3信号检测d11Mr信号检测d11Mr信 号检 测1Mrdk图2.9 多用户MIMO信号模型我们把多用户MIMO系统落实到小区用户上，如果这个小区内有A个用户，每个用户家都配置了X根天线，基站有Y根天线，那么该小区的信号模拟图就可以用这样的图来描述： MS1MS2MSK无线链路BS图2.10 单小区多用户MIMO系统图从图上我们可以知道对于独立的一个用户而言，除了他自身需要接收的信号之外，任何多余的信号都是一种干扰，针对这种情况，我们可以使用迭代注水算法，也就是说通过迭代在解空间内不断优化，最终可以收敛到满足优化目标的最优解的注水算法，有时候为了简便，也可以得到次最优解。其次对于多用户MIMO系统，只有多个用户保持同时传输的状态才能使吞吐量最大，但是要考虑现实是多变和复杂的，当用户增多的时候，会出现两种情况，第一就是单一用户所分配的功率会减小；第二个就是来自同一区域内的用户会产生一定的干扰，从而导致通信质量的降低。所以控制区域内用户的数量也是很有必要的。最多只能有(1/2)M(M+1)个。还有一个就是从信号处理的角度来看，使用正交空分复用（OSDM）并且合理的设计发射的矩阵，把各个用