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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 S1S2 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 S1S2 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 DoubleStreamMIMO 小区边缘 TransmitDiversity NoncodebookandcodebookBeam forming TransmitDiversity 低速移动 室内 MU MIMOandDoublestreamPrecoding OpenLoopSM 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SFBC4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