《移动通信无线网络优化》1.2MIMO

典型案例5—邻区漏配

当初在贝尔实验室最开始定义这个名称时，工程师在发送和接收侧都是分别测试的，而不是整个无线链路测试，因此他们把“IN”定义为发送功能，“OUT”定义为了接收，一直沿用至今。典型案例5—邻区漏配典型案例5—邻区漏配典型案例5—邻区漏配1.系统的分集特性：可以改善信道衰落造成的干扰；2.系统的空间复用增益：可以构造空间正交的信道，从而成倍地增加数据率；3.阵列增益：可以提高发射功率和进行波束赋形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。典型案例5—邻区漏配因此，充分地利用MIMO系统的这些优秀品质能够大幅度地提高系统容量、获得相当高的频谱利用率，从而可以获得更高的数据率、更好的传输品质或更大的系统覆盖范围。典型案例5—邻区漏配分集（diversity）

简单点来说，分集意味着重复：举个例子，多根天线接收同一个信号，就代表发射分集。由于每根天线在接收数据时也接收到了各自的噪声，但由于各个噪声的不相关性，合并多个天线信号能够消除部分噪声，从而得质量更好的信号。

打个比方，如果从两个不同的方面来看同一个物件，那么得到的评价也会更可靠。

需要说明的是，分集并不一定要多个接收天线才能实现，后面就会讲到，分集也可以使用多个发送天线通过空时编码（STC）技术来实现。典型案例5—邻区漏配

TSTDLTE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

FSTDLTE系统并没有直接采用FSTD技术，而且与其他传输分集技术结合起来使用传输分集

ST/FBCSTBCSFBCSTBC（SFBC，SpaceTimeBlockCode）:在第一根天线上传输原始信号，而再第二根天线上，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。传输分集SFBC（SFBC，SpaceFrequencyBlockCode）: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，就是空频块码。

SFBC+FSTD

LTE系统中在4天线端口发送情况下的传输分集技术采用SFBC与FSTD结合的方式

传输分集

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。为了降低反馈的量

单码字 多码字空间复用

在空间复用传输之前，多个数据流使用一个线性的预编码矩阵或者向量进行预编码操作在发送天线与接收天线相等(NL=NL)的情况下，预编码操作可以正交化多个并行的传输，增加不同数据流之间的隔离度

进一步，在发送天线数目大于接收天线数目(NL<NT)的情况下，预编码操作还可以获得波束赋形增益/传输分集增益基于预编码的空间复用

下行MU-MIMO:将多个数据流传输个不同的用户终端，多个用户终端以及eNB构成下行MU-MIMO系统下行MU-MIMO可以在接收端通过消除/零陷的方法，分离传输给不同用户的数据流

下行MU-MIMO还可以通过在发送端采用波束赋形的方法，提前分离不同用户的数据流，从而简化接收端的操作LTE下行目前同时支持SU-MIMO和MU-MIMOSU-MIMO MU-MIMOMU-MIMO

上行MU-MIMO:不同用户使用相同的时频资源进行上行发送（单天线发送），从接收端来看，这些数据流可以看作来自一个用户终端的不同天线，从而构成了一个虚拟的MIMO系统，即上行MU-MIMO

LTE上行仅仅支持MU-MIMO这一种MIMO模式SU-MIMO MU-MIMOMU-MIMO

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

统一流程如下层（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多天线技术具体实现方式典型案例5—邻区漏配

第二个主要的MIMO技术为空间复用，空间复用可以在不增加带宽和发送功率的情况下通过成对的MIMO发送、接收来增加系统吞吐量。空间复用增加的吞吐量与发送或接收天线数目（较少的那个）成线性关系。空间复用中，每个传输天线发送不同的bit流信息，每个接收天线收到来自所有传输天线的线性综合信息。这样，整个无线信道构成一个矩阵，由发射和接收天线阵列组成。空间复用典型案例5—邻区漏配空间复用技术空间复用技术，是比较难理解的MIMO技术。这种MIMO技术在不同的天线，同一的频点上传输多个独立的数据流。接收端必须使用不少于数据流数目的接收天线才能译码正确，这样在频点资源一定的情况下能提高整个系统的吞吐量。4x4的MIMO系统，最多能同时支持4个数据流，这样他的吞吐量是同样带宽的SISO系统的4倍。假设我们有四个数据流需要传输（A,B,C和D），这些数据流在空间叠加到达接收端后变成（wA+xB+yC+zD），这里x，y，w和z分别代表每根天线上由于多径导致的信道变化。接收端可以通过线性代数的方法，解一个四元四次方程组，从而恢复A，B，C和D四个原始值。典型案例5—邻区漏配空间复用技术MIMO空间复用技术有个优点，那就是在不降低链路稳定性的情况下提高频谱利用率，就入同使用了高阶星座图解调一样。例如，相同的信道下，假设MIMO系统中2个数据流配合使用16QAM和相当文档的FEC编码率就可以达到4bits/sec/Hz，SISO系统就需要64QAM外加不太稳定的FEC码率才能达到，这就会极大的限制他的使用范围并要求提高更高的传输功率。典型案例5—邻区漏配

分集可以获得信号增益，而空间复用能够提升系统吞吐量。需要说明的是，MIMO系统中需要权衡分集和复用所能带来的增益，一个典型的MIMO系统，根据无线信道条件可以自动的找到分集和复用曲线的均衡点。总结典型案例5—邻区漏配

波束赋形技术要求使用小间距的天线阵列，且天线单元数目要足够多

波束赋形技术的实现方式是将一个单一的数据流通过加权形成一个指向用户方向的波束，从而使得更多的功率可以集中在用户的方向上

波束赋形技术可以充分的利用TDD系统的信道对称性DOASVD波束赋形典型案例5—邻区漏配

提到特征波束成形，很多人都想到了军用的相控阵雷达系统，相控阵系统将许多天线组成一个天线簇，然后通过控制天线簇的方位，针对某个方向形成发送或者接收的“波束”。相控阵看上去很高大上，因为它用来很多非常昂贵的军事系统中，但实际上它就是实现了现代MIMO技术中较为简单的波束成形的功能。相控阵系统通过有限的相位偏移和合并多个模拟域信号来完成波束成形，存在几个不足，首先是它的性能增益随着带宽的增加而减少，另外就是它只能实现视距条件下的波束成形，非视距情况下的散射和反射都会导致信号急剧衰减。典型案例5—邻区漏配

在传输和接收端都可以使用特征波束成形（Eigen-Beamforming）。通常情况下，我们使用高增益的定向天线，可以增强系统的增益。但特征波束成形技术可以获得相同的增益，同时不需要考虑天线的方向和周边环境散射等因素。典型案例5—邻区漏配

而MIMO特征波束成形是从数字域对所有天线的信号进程处理，使用了最为成熟的数字信号处理技术，甚至MIMO特征波束成形可以单独处理每个OFDM窄带子载波。MIMO系统的波束成形就是特征波束成形，它不是简单局限在一个三维空间内塑造一个波束，也不会被散射和多径反射所干扰。当一个特征波束成形器从有效天线方向图上面接收到的一个非视距的、带有多种反射的信号时，特征波束成型器就根据收到信号进行处理，从各路反射上获得多路增益。典型案例5—邻