04 LO BT1003 C01 0 LTE MIMO 基本原理介绍 32

1、MIMO 基本原理介绍课程目标：了解MIMO的基本概念了解MIMO的技术优势理解MIMO传输模型了解MIMO技术的典型应用第 1 章 系统概述1.1 MIMO 基本概念1.2 LTE 系统中的 MIMO 模型 第 2 章 MIMO 基本原理2.1 MIMO系统模型2.2 MIMO系统容量2.3 MIMO关键技术2.3.1空间复用2.3.2空间分集2.3.3波束成形132.3.4上行天线选择142.3.5上行多用户 MIMO15第 3 章 MIMO 的应用173.1 MIMO 模式概述173.2 典型应用场景193.2.1 MIMO 部署193.2.2 发射分集的应用场景213.2.3 闭环空间

2、复用的应用场景223.2.4 波束成形的应用场景23第 4 章 MIMO 系统性能分析254.1 MIMO 系统仿真结果分析254.2 MIMO 系统仿真结果汇总27 #第1章系统概述知识点MIMO基本概念LTE系统中的MIMO模型1.1 MIMO基本概念多天线技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破。通常，多径效应会引起 衰落，因而被视为有害因素，然而，多天线技术却能将多径作为一个有利因素加 以利用。MIMO （Mult ip le Inp ut Multi pie out put:多输入多输出）技术利用空间中的多径因素，在发送端和接收端采用多个天线，如下图所示，通过空时处理技术实 现分集

3、增益或复用增益，充分利用空间资源，提高频谱利用率。2叫11HKcnffd Bipalcep7 * IIS图1.1-1 MIMO系统模型总的来说，MIMO技术的基础目的是:提供更高的空间分集增益：联合发射分集和接收分集两部分的空间分集增益，提供更大的空间分集增益，保证等效无线信道更加“平稳”，从而降低误码率，进一步提升系统容量； 提供更大的系统容量： 在信噪比SNR足够高，同时信道条件满足 “秩1”, 则可以在发射端把用户数据分解为多个并行的数据流，然后分别在每根发 送天线上进行同时刻、同频率的发送，同时保持总发射功率不变，最后， 再由多元接收天线阵根据各个并行数据流的空间特性，在接收机端将其识

4、 别，并利用多用户解调结束最终恢复出原数据流。MIMO基本原理介绍CTE中兴 MIMO基本原理介绍CTE中兴 1.2 LTE系统中的MIMO模型无线通信系统中通常采用如下几种传输模型: 单输入单输出系统 SISO、多输入单输出系统MISO、单输入多输出系统 SIMO和多输入多输出系统 MIMO。其传输MIISOTxmJRxTx1单输入单输岀系统塞输入单输出系统SIMOMJMORxOTxORxORxllTxlRx1单输入多输出系统多输入多输出系统模型如下图所示。S1SO图1.2-1典型传输模型示意图在一个无线通信系统中，天线是处于最前端的信号处理部分。提高天线系统的性 能和效率，将会直接给整个系

5、统带来可观的增益。传统天线系统的发展经历了从 单发/单收天线SISO，到多发/单收MISO，以及单发/多收SIMO天线的阶段。为了尽可能的抵抗这种时变 -多径衰落对信号传输的影响，人们不断的寻找新的技MISO、SIMO术。采用时间分集（时域交织）和频率分集（扩展频谱技术）技术就是在传统 SISO 系统中抵抗多径衰落的有效手段，而空间分集（多天线）技术就是 或MIMO系统进一步抵抗衰落的有效手段。LTE系统中常用的 MIMO模型有下行单用户 MIMO （SU-MIMO ）和上行多用户MIMO ( MU-MIMO )。SU-MIMO （单用户MIMO ）:指在同一时频单元上一个用户独占所有空间资源

6、, 这时的预编码考虑的是单个收发链路的性能，其传输模型如下图所示。ZTE中兴第1章系统概述 ZTE中兴第1章系统概述 MU-MIMO （多用户MIMO ）:多个终端同时使用相同的时频资源块进行上行传输， 其中每个终端都是采用1根发射天线，系统侧接收机对上行多用户混合接收信号进行联合检测，最后恢复出各个用户的原始发射信号。上行MU-MIMO 是大幅提高LTE系统上行频谱效率的一个重要手段，但是无法提高上行单用户峰值吞吐量。 其传输模型如下图所示。1VUE 11 PeNB 1图1.2-3 多用户MIMOZTE中兴第2章 MIMO基本原理 MIMO基本原理介绍CTE中兴 第2章MIMO基本原理知识点

7、MIMO系统模型MIMO系统容量MIMO关键技术2.1 MIMO系统模型MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。下图所示为MIMO系统的原理图。.T-*Nr个接收天线，xj （j = 1,在发射器端配置了Nt个发射天线，在接收器端配置了2 , Nt）表示第j号发射天线发射的信号，r i （i= 1,2 , ）表示第i号接收天线接收的信号，hij表示第j号发射天线到第i号接收天线的信道衰落系数。在接收端，噪声信号 ni是统计独立的复零均值高斯变量，而且与发射信号独立， 不同时刻的噪声信号间也相互独立，每一个接收天线接收的噪声信号

8、功率相同， 都为（T 2。假设信道是准静态的平坦瑞利衰落信道。MIMO系统的信号模型可以表示为:门九1如仏h仏悅*鼻如1h凡2鼻:抵;闻r=Hx+ n写成矩阵形式为:X-+3 _MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信 容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。2.2 MIMO系统容量系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。无线 信道容量是评价一个无线信道性能的综合性指标，它描述了在给定的信噪比(SNR)和带宽条件下，某一信道能可靠传输的传输速率极限。传统的单输入单输出系统 的容量由香农(Shannon)公式

9、给出，而 MIMO系统的容量是多天线信道的容量问 题。假设：在发射端，发射信号是零均值独立同分布的高斯变量，总的发射功率限制为Pt,各个天线发射的信号都有相等的功率Nt /Pt。由于发射信号的带宽足够窄，因此认为它的频率响应是平坦的，即信道是无记忆的。在接收端，噪声信号ni是统计独立的复零均值高斯变量，而且与发射信号独立，不同时刻的噪声信号间也相互独立，每一个接收天线接收的噪声信号功率相同，都为b 2。假设每一根天线的接收功率等于总的发射功率，那么，每一根接收天线处的平均信噪比为SNR = Pt表示求矩阵的行列式，如果对数log如果底为e,则信道容量的单位为则信道容量可以表示为:其中，H表示矩

10、阵进行(Hermitian)转置；detbitlsIHz。的底为2，则信道容量的单位为n ats/s/Hz。对信道矩阵进行奇异值分解，从而将信道矩阵H 写为：H = UDV H。其中，UN r X N r和VN t x N t是酉矩阵，即满足 UU J in r x N r, WH = IN t X N t, D = A KXK 0;00 A = diag(寸Ti 2 ,pTk ) K 是信道矩阵的秩， 入1 八2T入k 0是相关矩阵HHh的非零特征值。这样，MIMO系统的信 道容量可以进一步描述为：C = Vlog.detMEJL讥n哙咅t-1信道容量并不依赖于发射天线数目 信道相关矩阵的非

11、零特征值数目为 量的上限。当 Nr=Nt时，MIMO 系统信道容量上限的 Nr=Nt倍。LTE系统的下行Nt和接收天线数目Nr谁大谁小。一般情况下K =2，采用大延迟 CDD和双流预编码。高相关性环境：如果秩 =1，采用码本波束成形或SFBC。SFBC和码本波束信道相关性改变：如果信道相关性从低到高变化，采用 成形；如果信道相关性从高到低变化，采用双流预编码。3.用户和小区的相对位置改变:小区中心：信噪比较高，采用双流预编码可以最大限度的提供系统容量;小区边缘：信噪比较低，采用单流预编码可以提供小区覆盖;用户和小区相对位置变化：如果从小区中心向小区边缘移动，采用单流预编码，如SFBC和码本波束

12、成形；如果从小区边缘向小区中心移动，在秩1时，采用双流预编码。3.2典型应用场景3.2.1 MIMO 部署MIMO部署的几种典型场景如下图所示。场景A交叉根化场景C一寺* 0 p 七r營寺P P勺b中好寺0 0 * P *守审0 D b0寺七0 乜nb白立$寸亡石苦寺中廿书右幻TP W勺0弋b七0弋0“0 0 弋 0&图3.2-1 MIMO的部署场景场景适用于覆盖范围广的地区，如农村或交通公路;简单的多径环境;采用模式6码本波束成形;保持半波长间距的四根发射天线;增加约4db链路预算。适用于市区、郊区、热点地区和多径环境;更注重发射能力，而非覆盖;2 / 4传输交叉极化天线;低流动性：模式4闭

13、环空间复用;场景高流动性：模式C：适用于室内覆盖;3发射分集。采用模式5多用户MIMO ;在室内覆盖情况下，多用户MIMO和SDMA原理类似;由于不同楼层之间的相关性较低，多个用户可以在不同楼层使用相同的无 线资源。322发射分集的应用场景MIMO系统的天线选择方案如下图所示。4天线eNB2天线MBAni3Ant4AntiAnt2AntiX XAnt2Case 1: Medium Correlation (4刀Case 3: Low Correlation(两对天戯间距4zor10z；Afit1Art2Case?： Low Correlation dO/J适用于2GHzU類事Case 4: H

14、igh correlation (0.5ZJ图3.2-2 MIMO系统的天线选择方案MIMO系统的天线选择方案:Case 1:Casel能够满足LTE系统的基本要求;适用于大多数情况，如高/低速移动，高/低相关性信道衰落;性能较case2低;适用于 Mode2/3/4/5。Case 2: 适用于热点区域和复杂的多径环境;能够提高系统容量;安装难度高，尤其在频率低于2GHz时;适用于模式4/5。Case 3适用于所有模式;由于有四个天线端口，同两天线端口相比，最大的优点能够提高上行覆盖 范围；安装占用空间较大。Case 4综上，网络。用在LTE网络发展的第二个阶段，尤其在上行链路能够提高适用于模

15、式6 ； 适用于大覆盖范围，如农村;需要考虑LTE天线类型的选择;在LTE发展初期，case1是较好的选择，它可以在大多数情况下发展LTECase2可以用在市区等数据速率要求较高的复杂多径环境下。Case3/4能够LTE网络覆盖范围。在简单的多径环境如农村，高相关性天线（ 杂的多路径环境如市区，低相关性天线（case4）通常用来增加小区半径。在复 case1/2/3 ）通常用来增加峰值速率。3.2.3闭环空间复用的应用场景 21 NA A7卡T闭环空间复用的实现原理如下图所示。VyViII图3.2-3闭环空间复用实现原理闭环空间复用适用于: 低速移动终端;带宽有限系统（高信噪比，尤其在小区中心

16、）UE反馈PMI和RI ； 复杂的多径环境;天线具有低互相关性（天线间距10 /Jo说明:预编码矩阵指示（Pre-coding Matrix Indicator ； PMI ）是指仅在闭环空间复用这种 发射模式下，终端（UE）告诉基站（eNode B）应使用什么样的预编码矩阵来给 该UE的PDSCH信道进行预编码。秩指示（Rankindicator ； RI）是指在（开环、闭环）空间复用这2种发射模式下,关于信道冲激响应（H）的秩（Rank）。即，RI=Rank（H）。324波束成形的应用场景波束成形的应用场景如下图所示。图3.2-4波束成形应用场景低互相关性天线:天线间距较远且有不同的极化方

17、向 天线权重包括相位和振幅;对发送信号进行相位旋转以补偿信道相位，并确保接收信号的相位一致;可以为信道条件较好的天线分配更大功率;模式-7,非码本波束成形。高互相关性天线:天线间距较小;不同天线端口的天线权重和信道衰落相同;不同相位反转到终端的方向;适用于大区域覆盖;通过增强接收信号强度来对抗信道衰落;模式-6，码本波束成形。波束成形是在发射端将待发射数据矢量加权，形成某种方向图后发送到接收端。在下行链路提供小区边缘速率：增加信号发射功率，同时抑制干扰;无码本波束成形：基于测量的方向性和上行信道条件，基站计算分配给每 个发射机信号的控制相位和相对振幅；基于码本的波束成形：该机制和秩=1的MIM

18、O预编码相同。UE从码本中选择一个合适的预编码向量，并上报预编码指示矩阵给基站。波束成形应用场景:天线具有高互相关性;适用于简单的多径环境中，如农村;跟空间复用相比，波束成形适合于干扰较小的环境。 第4章MIMO系统性能分析知识点了解不同MIMO模式下的系统性能4.1 MIMO系统仿真结果分析Case 1仿真条件:一个发射天线，两个接收天线，即1T2R ；接收天线配置：0.5入;频域带宽：10 MHz;频率复用1；Marco ISD 500 m。Case1仿真结果如下图所示。小区频谱效率2 小区辺缘频谱效率(5%CDF) PB _ “10.051 C1T2ReNodeBQ.D40jO2un0.

19、0421T2RUE图4.1-1Case1仿真结果Case 2仿真条件:两个发射天线，两个接收天线，即2T2R ；eNodeB天线配置：交叉极化;UE天线配置：0.5 Z；2TE中兴第4章 MIMO系统性能分析 MIMO基本原理介绍CTE中兴 秩自适应：RI=1单流；RI1双流。Case2仿真结果如下图所示。小区频谱效率2.3|.-小区边缘频谱效率(5% CDFO.ffi1i.a.A1.DD.aOHTe7632T2Ra.(Ma.cE001秩UENodeBI2T2R图4.1-2 Case2仿真结果Case 3仿真条件:四个发射天线，两个接收天线，即4T2R ；eNodeB天线配置：10 Z在两个交

20、叉极化对之间;UE天线配置：0.5入;秩自适应：RI=1单流；RI1双流。Case3仿真结果如下图所示。小区频谱效率0.G495Q Q5Q.D40 03Q.D2a 014T2RUE小区边缘频谱效率(5% CDF).DQieNodeB图4.1-3 Case3仿真结果三种场景下的 MIMO仿真结果对比如下图所示。 在实际应用中可以根据应用场景和需求灵活配置。小区频谱效率 小区边缘频谱效率(5% CDF)25%30% .5 .5D.M .3 .20.010,04950.042了1T2R2T2R4%4T2R ie%图4.1-4 MIMO仿真结果对比4.2 MIMO系统仿真结果汇总F表对不同仿真条件下的MIMO系统仿真结果进行了汇总。表4.2-1 MIMO系统仿真结果汇总表仿真条件频率复用 系数小区平均吞吐量频谱效率小区边缘速率小区边缘频谱效率Case 143dBm/Antenna Macro ISD18.56311.57740.27510.0507仿真条件频率复用 系数小区平均吞 吐量频谱效率小区边缘速 率小区边缘 频谱效率=5OOm,1O,2*2MIMO,R