2 LTE系统关键技术

LTE系统关键技术 目录 OFDM基本原理 OFDM技术实现 OFDM技术概述 LTE系统中OFDM技术 LTE系统OFDM技术 LTE系统多天线技术 OFDM技术发展概述 OFDM已经应用 数字用户环 xDSL 数字音频广播 DAB 和数字视频广播 DVB T 蜂窝无线网 IDEN 窄带OFDM 无线局域网 IEEE802 11a和ETSI BRANHiperLAN 2 宽带固定无线接入 IEEE802 16a OFDM将要应用 无线局域网WLAN和无线个人通信网WPAN宽带移动通信 LTE和4G 电力线通信 OFDM技术应用 WHYDOOFDM 发射信号 移动通信不得不处理多径干扰和多普勒效应 OFDM优势明显 ISI产生原理示意图 OFDM抗多径干扰原理 矩形脉冲 正交频分多路复用信号的频谱 相应频谱 HOWOFDM OFDM实现方式 OFDM数据传输 产生频率差异 以提高抗衰落的能力 Frequency Time OFDM子载波时域图 OFDM子载波频域图 OFDM技术优越性 OFDM各个子载波之间是彼此重叠 相互正交 大大提高频谱利用率OFDM实现并行传输 每个码元的传输周期增长 大大增强抗多径干扰 码间干扰 通过增加CP 克服码间干扰OFDM系统中 通过编码 频率分集 信道加权 动态子载波分配等技术来抵抗频率选择性衰落信道估计与均衡实现简单快速傅立叶变换有效实现大量子载波 窄带子载波实现低码间干扰和编码技术结合有效减少信道衰减造成的连续误码易于与其他先进技术 如MIMO等 相结合 OFDM技术优越性 可变带宽的OFDMA能够平衡抗多径能力与多普勒的影响可变带宽的OFDMA通过使用相同的符号宽度和子载波间隔能够简化系统设计可扩展的结构 支持的可变带宽从1 25到20MHz灵活的子信道分配 伪随机子信道可增加分集 连续排列子信道可增加多用户选择性多用户接入保证正交 可减少干扰增加容量精确的带宽分配 频偏敏感 相位敏感 OFDM技术缺点 高峰均比 目录 OFDM基本原理 OFDM技术实现 OFDM技术概述 LTE系统中OFDM技术 LTE系统OFDM技术 LTE系统多天线技术 FDMA技术概述OFDM基本原理OFDM信道估计OFDM同步技术 传统FDMA技术 多载波 MC 传输技术 MC时频资源表 时间 频率 多载波调制 MCM 单载波调制 SCM 目录 OFDM基本原理 OFDM技术实现 OFDM技术概述 LTE系统中OFDM技术 LTE系统OFDM技术 LTE系统多天线技术 FDMA技术概述OFDM基本原理OFDM信道估计OFDM同步技术 OFDM基本原理 1 系统的通信能力受制于信道的传播特性 对于高速数据业务 符号的周期接近甚至小于时延扩展 将引入严重的码间干扰 导致系统性能急剧下降高数据速率单载波系统的均衡器设计非常复杂 代价高昂OFDM 系统既可以维持发送符号周期远远大于多径时延 又能够支持高速的数据业务 并且不需要复杂的信道均衡 OFDM基本原理 2 OFDM的基本思想是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流 在多个载波上同时进行传输 对于低速并行的子载波而言 由于符号周期展宽 多径效应造成的时延扩展相对变小 当每个OFDM符号中插入一定的保护时间后 码间干扰几乎就可以忽略 OFDM基本原理 3 与传统的多载波调制 MCM 相比 OFDM调制的各个子载波间可相互重叠 并且能够保持各个子载波之间的正交性 OFDM时域信号示例 子载波数目N 4 承载的数据为 1 1 1 1 时 四个载波独立的波形和迭加后的信号 虽然各个子载波的幅度范围恒定 但迭加之后的OFDM符号的幅度范围却变化很大 即OFDM系统具有高峰均比 PAPR 特点 OFDM基本原理 4 IDFT DFT计算量 IFFT FFT计算量 基2算法 OFDM基本原理 5 OFDM信号产生 OFDM信号频谱 保护间隔循环前缀 OFDM主要参数 OFDM符号的频谱结构 OFDM系统满足Nyquist无码间干扰准则 但此时的符号成型不象通常的系统 不是在时域进行脉冲成型 而是在频域实现的 因此时频对偶关系 通常系统中的码间干扰 ISI 变成了OFDM系统中的子载波间干扰 ICI 为了消除ICI 要求OFDM系统在频域采样点无失真 OFDM符号的产生 OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为N个并行的低速数据流 在N个子载波上同时进行传输 这些在N子载波上同时传输的数据符号 构成一个OFDM符号 OFDM符号通带形式 OFDM符号基带形式 OFDM符号的产生 由于子载波的正交特性 可以采用一路子载波信号进行解调 从而提取出这一路的数据 例如对第路子载波进行解调可以得到 OFDM符号的产生 Time Frequency RF信道带宽 频率子带 时间段 在RF信道中组织时间 频率划分 在 时间vs频率 单元上展开子载波 Frequency OFDM的主要参数 采样频率FsFFT点数NFFT子载波间隔 f有用符号时间Ts循环前缀时间TgOFDM符号时间Ts 可用子载波数目Nc载波的调制方式前向纠错编码的选择 关键参数 f Tcp以及Nc采样频率以及FFT点数与实现相关 参数的选择原则 ISI与ICI 在时间色散信道条件下 一条径的解调相关时间间隔将与其他径的符号边界重叠 导致ISI 同时 在一个积分周期中 将不仅包括主径所对应的复指数的整数周期 也包括其他径所对应的复指数的分数周期 从而影响子载波间的正交性 导致ICI 保护时间 为了消除码间干扰 需要在OFDM的每个符号中插入保护时间 只要保护时间大于多径时延扩展 则一个符号的多径分量不会干扰相邻符号 保护时间内可以完全不发送信号 但此时由于多径效应的影响 子载波可能不能保持相互正交 从而引入了子载波间干扰保护时间内发送全零信号由于多径效应造成的子载波间干扰 ICI 两径信道传输示例 图中的保护时间大于多径时延 因此第二条径的相位跳变点正好位于保护时间内 因此接收机收到的是满足正交特性的多载波信号 不会造成性能损失 如果保护时间小于多径时延 则相位跳变点位于积分时间内 则多载波信号不再保持正交性 从而会引入子载波干扰 OFDM插入保护间隔 以避免 符号间 干扰 发射机A 信号 反射 直接路径 1微秒 300米 接收点 符号周期 1ms 来自回波的几微秒干扰 OFDM具有天生的抗干扰性 一般系统需要时域均衡器 符号周期短 OFDM保护间隔 抗多径Multipath 保护间隔 OFDM保护间隔 SFN 保护间隔 信号 反射 直接路径 安全区域 1微秒 300米 接收点 符号周期 发射机A 发射机B 循环前缀和后缀 为了减小ICI OFDM符号可以在保护时间内发送循环扩展信号 称为循环前缀 cyclicprefix CP 循环前缀是将OFDM符号尾部的信号搬移到头部构成的 这样可以保证有时延的OFDM信号在FFT积分周期内总是具有整倍数周期 因此只要多径延时小于保护时间 就不会造成载波间干扰 CP的来源 DFT的周期性 OFDM符号循环前缀 循环前缀 CP的使用会导致 功率损失和带宽损失 目录 OFDM基本原理 OFDM技术实现 OFDM技术概述 LTE系统中OFDM技术 LTE系统OFDM技术 LTE系统多天线技术 FDMA技术概述OFDM基本原理OFDM信道估计OFDM同步技术 OFDM中的信道估计 1 OFDM系统的接收既可以采用相干检测也可以采用非相干检测 采用相干检测就需要利用信道信息 因此在接收端首先要进行信道估计采用训练序列的信道估计方法可以分为基于导频信道和基于导频符号两种多载波系统具有时频二维结构 采用导频符号辅助信道估计更灵活导频符号辅助方法是在发送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号和序列 在接收端利用这些导频符号和导频序列按照某些算法进行信道估计 OFDM中的信道估计 2 在多载波系统中 导频符号可以同时在时间轴和频率轴两个方向插入 TDM FDM和Scattered方式只要导频符号在时间和频率方向上的间隔相对于信道相干时间和相干带宽足够小 就可以采用二维内插滤波的方法来估计信道传输函数 OFDM插入 同步导频 帮助接收机锁定在信号上 信道估计算法 线性插值算法 高阶线性插值算法 目录 OFDM基本原理 OFDM技术实现 OFDM技术概述 LTE系统中OFDM技术 LTE系统OFDM技术 LTE系统多天线技术 FDMA技术概述OFDM基本原理OFDM信道估计OFDM同步技术 OFDM中的同步 1 找出符号边界和最优定时 以使载波间干扰 ICI 及符号间干扰 ISI 最小 由于定时偏移 TimingOffset 和载波频率偏移 CFO CarrierFrequencyOffset 都会严重影响OFDM性能的检测性能 频率同步和时间同步对OFDM系统来说是必需的 FFT处理窗位置与OFDM符号的相对关系一个OFDM符号由保护间隔和有效数据采样构成 保护间隔在前 有效数据在后 如果FFT处理窗延迟放置 则FFT积分处理包含了当前符号的样值与下一个符号的样值 而如果FFT处理窗超前放置 则FFT积分处理包含了当前符号的数据部分和保护时间部分 后者不会引入码间干扰 而前者却可能严重影响系统性能 OFDM中的同步 1 OFDM中的同步 2 时域同步 确定OFDM系统符号边界 并且提取出最佳的采样时钟 从而减小载波干扰 ICI 和码间干扰 ISI 造成的影响 时间同步误差将导致FFT处理窗包含连续的两个OFDM符号 从而引入了OFDM符号间干扰 ISI 即使FFT处理窗位置略有偏移 也会导致OFDM信号频域的偏移 从而造成信噪比损失 BER性能下降 OFDM中的同步 3 OFDM系统的时间同步需要估计以下几个方面的内容 1 块的起始位置 2 采样频率同步 3 帧的起始时刻 OFDM系统的时频同步处理分为捕获和跟踪两个阶段 在捕获阶段 系统使用比较复杂的同步算法 对较长时段的同步信息进行处理 获得初步的系统同步 在跟踪阶段 可以采用比较简单的同步算法 对于小尺度的变化进行校正 OFDM同步算法分类OFDM数据帧和符号的粗同步算法OFDM符号的精细同步算法OFDM频域捕获算法OFDM频域跟踪算法 OFDM同步算法介绍 采用循环前缀实现OFDM的同步 接收信号的前端信号与经过时延 与后端信号进行时间的相关运算 可以表示 OFDM符号边界的估计 在匹配滤波器输出的相关峰值处 可以同时进行符号同步和频偏校正 注意上述的匹配滤波器操作是在接收信号进行FFT变换之前进行的 因此这一同步技术与DS CDMA接收机中的同步非常类似 采用训练序列进行OFDM同步 OFDM中的同步 4 频域同步系统估计和校正接收信号的载波偏移频偏 CFO 主要由发射机和接收机的本地振荡器的不稳定性造成如果频率误差是子载波间隔的整数倍 将造成OFDM信号的频谱结构错位 从而导致误码率为50 的严重错误如果频率误差不是载波间隔的整数倍 将引入ICI 也会造成系统性能的下降 OFDM中的同步 5 频率误差造成OFDM系统产生载波间干扰示例 OFDM中的同步 6 OFDM系统的同步算法可以分为以下三类 基于同步导频的同步算法基于循环前缀 CP 的同步算法其它不需要导频的盲同步算法同步算法可以在频域或时域实现OFDM系统的时频同步处理分为捕获和跟踪两个阶段 在捕获阶段 系统使用比较复杂的同步算法 对较长时段的同步信息进行处理 获得初步的系统同步 在跟踪阶段 可以采用比较简单的同步算法 对于小尺度的变化进行校正 目录 OFDM基本原理 OFDM技术实现 OFDM技术概述 LTE系统中OFDM技术 LTE系统OFDM技术 LTE系统多天线技术 OFDM实现方式 多载波OFDM OFDMA 单载波DFT S OFDMIFDMA 多载波 OFDM OFDMA 1 基本传输框图 多载波 OFDM OFDMA 2 分集多用户分集每个用户集中在某一频段发射在频域进行信道相关调度频率分集各用户分布在频域额外的频率分集 OFDM技术实现 设OFDM信号发射周期为 0 T 在一个周期内传输的N个符号为 C0 C1 C2 CN 1 Ck为复数 因为第k个符号Ck调制第k个载波 所以合成的OFDM信号为 在一般的OFDM系统中 fk选择为 fc为系统的发射载波 f为子载频间的最小间隔 一般取ts为符号序列 C0 C1 C2 CN 1 的时间间隔 显然 T Nts OFDM实现框图 OFDM系统的峰均比问题 来源 发射信号是多个载波随机信号的加权累加 危害 高峰均比造成系统性能下降 降低PAPR的技术是实现OFDM系统的关键技术之一注意PAPR问题是发端RF等模拟器件会产生的问题 需要更多位的DAC 峰均比 包络峰均比 峰值系数 峰均比PAPR概念 目的 描述信号波动的幅度 定义 一定时间间隔内信号峰值功率与平均功率之比 高功率放大器HPA 非线性 功放的效率 OFDM和SCM的功率谱PSD 降低PAPR的方法 数字 模拟 带外辐射 信号失真技术 通过对峰值简单地进行非线性处理 使OFDM信号峰值失真 特殊前向纠错码的编码技术 排除大PAPR的OFDM符号 对每个OFDM符号用优选的扰码序列进行扰码 BER恶化 降低峰均比 单载波 DFT S OFDM 1 基本传输框图 单载波 DFT S OFDM 2 LocalizedFDMA 单载波 DFT S OFDM 3 DistributedFDMA 单载波 IFDMA 基本传输框图梳状频谱时域重复相位偏移区分用户 LTEDFTS OFDM参数 子载波间隔15kHz 用于单播 unicast 和多播传输子载波数目循环前缀长度一个时隙中不同DFTS OFDM符号的循环前缀长度不同 OFDM系统实现框图 基带OFDM系统离散模型 1 InputtoTimeDomain 2 GuardInterval 3 Channel 4 GuardRemoval 7 6 5 OutputtoFrequencyDomain Output ChannelEstimation ICI AWGN Channel 基带OFDM系统离散模型 续 目录 OFDM基本原理 OFDM技术实现 OFDM技术概述 LTE系统中OFDM技术 LTE系统OFDM技术 LTE系统多天线技术 LTE系统OFDM原理框图 OFDM的两个基本特征 串并转换 并串转换 意味着OFDM的并行传输是 虚拟 的 LTE的OFDMFFT实现 通过IDFT IFFT实现的OFDM调制 通过DFT FFT实现的OFDM解调 IDFT IFFT 基本参数 OFDM withCP 子载波间隔 15KHz短 长CP 4 7 16 7us 对应不同传输场景FDD和TDD帧结构一为10ms无线帧分为20个0 5ms的子帧 每个子帧有7 6个符号 短 长CP 采样频率为1 92MHz的整数倍 5MHz带宽时为7 68MHz 20MHz带宽时为30 72MHz 频谱效率约为90 LTEOFDM参数 子载波间隔15kHz 用于单播 unicast 和多播传输7 5kHz 仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输子载波数目循环前缀长度一个时隙中不同OFDM符号的循环前缀长度不同 复用和参考信号结构 可以使用TDM或 和FDM方式实现Layer3信息到OFDM时 频符号的映射一个资源块由M个连续子载波和N个连续符号组成 具体数值待定也支持非连续子载波上的数据发送资源分配由NodeB的调度器决定 DFTS OFDM实现 单载波特性 a 信号具有低的峰均比b 信号带宽取决于M 基本参数 1 低PAPR的SC FDMA 有CP 频域实现 DFT S OFDM 和下行具有较高的共同性Localizedanddistributedmapping频谱效率约90 子帧结构调制方式 QPSK 8PSK 16QAM 基本参数 2 LTEDFTS OFDM参数 子载波间隔15kHz 用于单播 unicast 和多播传输子载波数目循环前缀长度一个时隙中不同DFTS OFDM符号的循环前缀长度不同 复用和参考信号结构 1 在子帧中的两个短块 SB 中发送参考信号上行信道估计 用于相关解调 上行信道质量估计 用于时域 频域调度参考信号的频域分布为集中或分布式可以产生多个正交的上行参考信号用于多个UE或多天线频分 时分或码分根据数据的频域分布 集中或分布 参考信号可以有多种使用方式 复用和参考信号结构 2 复用使用TDM方式以维持低PAPR 复用和参考信号结构 3 信令 数据和导频的两种复用方案 目录 阵列天线基本原理 LTE系统OFDM技术 LTE系统多天线技术 无线通信系统天线基础 智能天线技术与特点 MIMO天线技术与特点 天线的方向特性天线的阻抗特性天线的效率和增益天线的极化特性天线的其他参数 天线方向特性 方向性函数 方向图主瓣宽度 副瓣电平方向性系数 水平面波束 垂直面波束 天线方向图用于表征天线在整个空间的辐射作用天线的方向图是一个三维空间的图形 在不同方向上辐射强度不同 天线方向图 场强方向函数归一化场强方向函数归一化功率方向图 天线方向性函数 天线主瓣 天线方向图通常包含多个波瓣 其中最大辐射方向的波瓣称为主瓣 其余的波瓣称为副瓣或旁瓣 主瓣的宽度通常用功率密度为最大方向上功率密度之半的两点间夹角表示 称为半功率点 或3dB 波瓣宽度 半功率波瓣宽度 HPBW 第一零点波瓣宽度 FNBW 副瓣 第一副瓣 最大副瓣 后瓣 方向性系数 方向性系数 最大辐射方向的方向性系数 对应关系 其他方向图参数 零点填充 一般在主瓣和它下面的第一个旁瓣之间会有一个夹角 位于这个夹角间的信号非常弱 有零点填充的天线会将这个夹角弥补一下 上旁瓣抑制 对于基站天线 常常要求它的垂直面方向图中主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些 天线的阻抗特性 天线的辐射电阻 天线的辐射能力输入阻抗 馈线与天线的匹配状态反射系数 反射电压比入射电压驻波比 阻抗匹配 共扼匹配 电抗为0 反射系数为0 驻波比为1 天线效率与增益 在输入功率相等的条件下 被研究天线与参考标准天线在其最大辐射方向上的功率密度之比 用无方向性天线做参考标准天线时 增益单位为dBi用半波对称天线做标准天线 增益单位为dBd 由于半波对称天线的增益为2 16dBi 所以有dBi dBd 2 16 天线本身的增益 天线和馈线系统增益 天线的极化特性 指电磁波在传播过程中 其电场矢量的方向和幅度随时间变化的状态 可以分成线极化和圆极化 线极化存在多种特殊情况 电场矢量平行于地面构成水平极化 垂直于地面构成垂直极化 另外还包括 45度极化 双极化天线参数 经过无线信道多次随机反射 使得信号在不同极化方向上变成相互独立 从而可以获得极化分集增益 天线相关参数 前后比 把处于主瓣正后方的波瓣称为后瓣 定义天线正前方和正后方的辐射强度之比为 前后比 前后比表明系统对后瓣抑制的好坏 前后比差将给系统带来更多干扰 恶化系统性能 天线相关参数参数 天线下倾 电下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位 从而改变合成分量场强强度 使天线的垂直方向性图下倾 相比机械下倾 电下倾在改变倾角后天线方向图变化较小 机械下倾 电下倾 目录 阵列天线基本原理 LTE系统OFDM技术 LTE系统多天线技术 无线通信系统天线基础 智能天线技术与特点 MIMO天线技术与特点 天线阵原理概述方向图相乘原理均匀直线阵均匀圆阵自适应阵列 天线阵原理 a A点 波程差 d 0相位差 0 阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵的各单元辐射场的总和 矢量和 以二阵元天线阵为例加以说明 把功率P馈给一个单天线时 在天线最大辐射方向A点产生场强Eo 当把同样的功率馈给等幅同相二元天线阵时 每个天线单元得到一半功率 所以在A点各产生相同的场强 由于两个天线单元在A点波程差为0 场强为同向叠加 合成场强为 也就是说 总馈电功率不变 而在A点产生的场强却增大到原来的倍 功率密度增大到原来的2倍 A点 A点 单天线 二阵元天线阵 天线阵原理 B点 波程差 d a cos 相位差 2 d d a A点 波程差 d 0相位差 0 阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵的各单元辐射场的总和 矢量和 空间中不同位置相对天线阵法线方向的偏转角度不同 造成不同的波程差 场强的叠加效果也不同 如果波程差为 2 场强为反向叠加 合成场强为0根据波程差 对不同单元天线馈入不同相位的信号 则天线阵可实现在某个方向上形成场强同向叠加 B点 A点 A点 B点 单天线 二阵元天线阵 900 900 方向图的乘积定理 天线阵列的辐射特性 天线单元个数 阵元的空间分布 各阵元的激励激励的幅度 激励的相位 均匀直线阵 均匀直线阵方向图示例 均匀圆阵 均匀圆阵方向图 自适应阵列 基带处理接收空域滤波发送波束赋形 目录 阵列天线基本原理 LTE系统OFDM技术 LTE系统多天线技术 无线通信系统天线基础 智能天线技术与特点 MIMO天线技术与特点 智能天线概述智能天线原理智能天线应用智能天线特点智能天线实例 智能天线技术概述 智能天线是由多根天线阵元组成的天线阵列通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列天线的方向图 从而抑制干扰 提高信干比 实现天线与传播环境和用户与基站间的最佳匹配 智能天线组成结构 智能天线原理 无波束赋形S t Aej ejk 波束赋形对每个天线阵元信号相位加权 对第k根阵元加权相位e jk S t K Aej 功率叠加 幅度叠加 智能天线原理 续 选择不同的 0 将改变波束的所对的角度 所以可以通过改变权值来选择合适的方向 正如正弦波叠加的效果 假设第m个阵元的权因子 数学模型 在上下行链路中的应用 赋形方法一 波束扫描法 GOB 赋形方法二 特征向量法 EBB 上行 提高基站接收灵敏度 10lgNdB 下行 增大覆盖距离 等效功率增加20lgNdB 能量集中照得很远 能量集中 增加覆盖 全向照明区域小 智能天线的优势 1 智能天线的优势 2 智能天线获取的DOA信息提供了用户终端的方位信息 以用来实现用户定位 智能天线优势 3 通过获得的用户信息 可以用于接力切换 提高了切换的成功率和系统效率 目录 阵列天线基本原理 LTE系统OFDM技术 LTE系统多天线技术 无线通信系统天线基础 智能天线技术与特点 MIMO天线技术与特点 MIMO天线技术概述MIMO天线系统容量LTE系统MIMO应用LTE系统MIMO实现 在发送端和接收端同时使用多根天线进行数据的发送和接收 在发送端每根天线上发送的数据比特不同 在多散射体的无线环境中 来自每个发射天线的信号在每个接收天线中是不相关的 并在接收机端利用这种不相关性对多个天线发送的数据进行分离和检测 可以产生多个并行的信道 信道数小于等于发射和接收的最小天线数 并且每个信道上传递的数据不同 从而提高信道容量 MIMO天线技术概述 SISO和MIMO 空时无线信道概念 空时无线信道类型 MU MIMO SU MIMO SISO MISO SIMO MIMO MIMO与智能天线的区别 不同天线上发送相同的数据比特 不同天线上发送不同的数据比特 利用波束赋形为特定用户提供定向波束 降低多址干扰 提供空间多路复用增益 提高信道容量 提高链路可靠性 充分利用现有的信道 增加额外信道 发射天线间距较小 发射天线间距足够大 与移动环境有关 1 3 2 4 MIMO技术的优势 MIMO技术充分利用了信道的空间特性 理论上提高了系统容量 MIMO技术结合code reuse方式可以增加CDMA系统的总码道数 MIMO技术主要应用于散射体丰富的环境 比如室内环境 可以为室内热点地区提供高速数据传输服务 MIMO技术制约因素 MIMO系统 硬件开销终端支持多天线基站支持多天线 系统开销同时支持单天线和多天线的终端物理层信令无线资源管理以及高层信令 对信道环境的依赖需要信道具有较高的独立性 MIMO信道容量分析 1 在发送端和接收端均使用多根天线进行数据的发送和接收在发送端每根天线上发送不同的数据比特利用空间信道的不相关性 存在多个独立衰落的路径 从而可以产生多个并行的信道 并且每个信道上传递的数据不同 从而提高信道容量 MIMO信道容量分析 2 对信道矩阵H进行特征值分解 SVD 是维数为的对角矩阵 M为发送天线数目N为接收天线数目U是维数为的酉矩阵V是维数为的酉矩阵 的对角线元素是矩阵H的特征值 MIMO信道容量分析 3 SVD把MIMO信道转换为个并行传输信道如果每一个并行传输的信道是高斯信道 那么MIMO信道的容量为 其中是每个信道的功率分配值 water filling 每一个非零特征值对应的信道可以支持一个数据流 那么MIMO信道可以支持多个数据流的空间复用 MIMO信道容量分析 4 信道矩阵H的秩信道矩阵H的非零特征值的个数即为信道矩阵H的秩 用r表示在高SNR条件下 使用等功率分配准则 渐近最优 那么那么空间信道H支持的空间自由度数目为r s Hz MIMO信道容量分析 5 信道矩阵H的条件数考虑高信噪比情况 使用等功率分配 那么从上式可以看出所有特征值相等可以获得最高的信道容量定义最大特征值与最小特征值的比值为信道矩阵H的条件数 conditionnumber 那么如果条件数接近1 那么称信道矩阵H是好条件的 well conditioned MIMO信道容量分析 6 对于MxNRayleigh衰落信道 使用等功率分配 那么其信道容量为 在高SNR情况下 信道容量近似等于 在低SNR情况下 信道容量近似等于 MIMO系统的信道容量在N足够大的情况下 信道容量渐进为 一般认为 MIMO系统的信道容量 MIMO系统的信道容量 MISO信道容量 Mx1 SIMO信道容量 1xN LTE系统多天线技术 MIMO MultipleInputMultipleOutput 不相关的各个天线上分别发送多个数据流 利用多径衰落 在不增加带宽和天线发送功率的情况下 提高信道容量及频谱利用率 下行数据的传输质量 LTE系统多天线技术应用 多天线分集技术 复杂和动态的无线信道快衰落和慢衰落 大尺度衰落与小尺度衰落 平坦衰落与频率选择性衰落 多天线分集作用 天线分集是重要的抗衰落手段天线相距较远 与多径扩散有关 基站 终端 宏分集 微分集空间分集 极化分集 角度分集接收分集技术是成熟的技术主要是基站和车载台使用接收机需做分集合并 最大比合并 等增益合并 选择性合并发送分集技术近年来受到关注以发射机的体积 重量 功耗和复杂性的提高来换取接收机相应要求的下降 开环方式 闭环方式 常用发射分集天线 下行用户数据的功率分配 CLTxD SCTD STTD TSTD 发射分集天线 P CCPCH的分集发送 这种方式占用了码道的资源 只能对少数重要的码道使用 所有用户都由相同的天线发送 且一起在不同的天线间切换 可以用一个简单的线性变换实现分集信号的分离和最大似然检测 根据实际信道条件确定各天线信号的加权系数 实现分集发送 循环时延分集 CDD 时延分集即通过不同的天线传输同一个信号的不同时延副本 传输分集 不需要标准支持 此时 需要参考信号也进行CDD才可以估计出等效的空间信道 这就对参考信号提出了较强的要求 使其可以估计出较大时延扩展的信道 所以一般情况下 使用时延分集时只能延时较小的时延 STBC SFBC LTE系统中在2天线端口发送情况下的传输分集技术确定为SFBC 传输分集 空时 频块码 STBC SFBC 空时块码方式在第一根天线上传输原始信号 而在第二根天线上 以两个符号为一组变换信号的传输顺序 并进行共轭和 或取反的操作 如果上述符号对应的是不同子载波上的符号 而不是时域上的符号 即空频块码 发射分集技术提高系统下行容量 STTD发射分集 开环模式中的STTD分集 传输分集 TSTD TSTD TimeSwitchedTransmitDiversity 在任意时刻只有一个天线被激活一个数据流在多根天线中进行选择发送 LTE系统上行天线选择技术可以看作是TSTD的一个特例 传输分集 FSTD LTE系统并没有直接采用FSTD技术 而是与其他传输分集技术结合起来使用 传输分集 SFBC FSTD LTE支持SFBC与FSTD结合的传输分集方式 MIMO应用方式 波束赋形与Pre coding 接收波束赋形MRC接收分集适用于任何天线间距NullSteeringBeamformer抑制强干扰适用于小天线间距发送波束赋形MRT发送分集 TxAA 适用于任何天线间距NullSteeringBeamformer抑制强干扰适用于小天线间距 波束赋形 传统波束赋形小间距的天线阵列 使用较多天线单元提高峰值速率 小区覆盖 降低小区间干扰 波束赋形 基于预编码的波束赋形大间距的天线阵列 或者极化天线阵列通过码本选择和反馈 即终端通过进行下行方向的信道估计 从已知的码本中选择下一次传输的赋形权值 并反馈给基站 波束赋形 当接收端也存在多根天线时 接收端也可以利用多根天线降低用户间干扰 其主要的原理是通过对接收信号进行加权 抑制强干扰 称为IRC InterferenceRejectionCombining 下行 上行 MIMO应用方式 空间复用 天线配置MxN N M在发送端的不同天线天线上发送不同的数据流 接收端通过N根天线接收到的向量为 其中x为发送的符号向量 Mx1y为接收到的符号向量 Nx1H为空间信道矩阵 NxMW为噪声向量 Nx1 MIMO技术与多用户分集 多用户分集当存在大量用户时 每一个用户经历的信道都是独立衰落的 那么在某一个时刻和频率上 总是能够找到一个用户所经历的信道是强壮的 从系统的角度来看 如果被调度的用户所经历的信道越强壮 那么系统获得多用户分集增益越多MU MIMO扩大了可调度的资源集合VirtualMIMO使得用户可以选择与其他用户相同的时频资源下行MU MIMO 增加了一个可调度的维度 用户不仅可以在时域和频域上进行调度 同时还可以在空域 波束域 进行调度 MIMO技术与多用户分集 空间复用 多码字传输多码字传输即复用到多根天线上的数据流可以独立进行信道编码和调制单码字传输是一个数据流进行信道编码和调制之后再复用到多根天线上LTE支持最大的码字数目为2 单码字多码字 空间复用 预编码技术基于预编码的空间复用是将多个数据流在发送之前使用一个预编码矩阵进行线性加权NL NT 预编码可以用来对多个并行传输进行正交化 从而增加在接收端的信号隔离度 NL NT 预编码还提供将NL个空间复用信号映射到NT个传输天线上的作用 通过提供空间复用和波束赋形带来增益 空间复用 MU MIMO基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同用户下行同时支持SU MIMO和MU MIMO SU MIMO SDM MU MIMO SDMA 空间复用 MU MIMOLTE上行不支持SU MIMO上行只支持虚拟MIMO 即每一个终端均发送一个数据流 但是两个或者更多的数据流占用相同的时频资源 这样从基站接收机来看 这些来自不同终端的数据流 可以被看作来自同一个终端上不同天线的数据流 从而构成一个MIMO系统 SU MIMOMU MIMO 下行1x2 接收分集 2x2 发射分集 空分复用 4x2 4x4 发射分集 空分复用 8x2 8x4 波束赋型 上行1x2 1x4 1x8 接收分集 LTE时的天线配置 高阶MIMO 下行 最高8X8上行 最高4X4 主要在下行方向 上行方向虽然支持MU MIMO 但是每一个UE来看 其与单天线传输没有区别 层 Layer 有不同的解释在使用单天线传输 传输分集以及波束赋形时 层数目等于天线端口数目 在使用空间复用传输时 层数目等于空间信道的Rank数目 即实际传输的流数目 LTE系统多天线技术处理流程 天线端口的概念 天线端口是从终端接收的角度来定义的 即需要终端检测信号需要多个天线端口的情况下 系统才会配置多个天线端口 天线端口与真实天线之间存在软件定义的关系根据公共信道的覆盖范围来确定Cell specificAP数目1 1双极化建