3.LTE系统关键技术：MIMO

TD-LTETD-LTE3TD-LTE<10kbps<200kbps300kbps-10Mbps<50Mbps50M-1Gbps

数据速率(OFDM/MIMO)3GPPFDDIMT-AdvancedWCDMAHSPAHSPA+LTEFDDLTE+GSMGPRS/EDGETDDTD-SCDMAHSPAHSPA+TD-LTETDLTE+

IS-95cdmaOnecdma20001XDORevADORevBUMBUMB+3GPP2

DORev0注：彼此兼容IEEE802.16802.16e802.16mTD-LTE是LTE中的TDD模式，是TD-SCDMA标准的长期演进TD-LTE

可变带宽1.4、3.0MHz，5、10、15、20MHz

高速率下行:100Mbps上行:50Mbps

高效率下行:5bit/s/Hz，上行:2.5bit/s/Hz

低时延控制面:100ms用户面:10ms4TD-LTETD-LTE6TD-LTE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8TD-LTE

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9TD-LTE 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 Peak-3dB3dB波瓣

宽度Peak Peak-3dB 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TD-LTE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：VSWR=1+Γ1−Γ阻抗匹配：共扼匹配；电抗为0，反射系数为0，驻波比为1

10TD-LTE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：

G1=

η1DG2=η2G111TD-LTE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E E线极化圆极化12TD-LTE 双极化天线参数经过无线信道屡次随机反射，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 13TD-LTE天线相关参数：前后比把处于主瓣正前方的波瓣称为后瓣，定义天线正前方和正前方的辐射强度之比为“前后比〞前后比说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，恶化系统性能后向功率前向功率14TD-LTE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

15TD-LTE无线通信系统天线根底 阵列天线根本原理方向图相乘原理均匀直线阵均匀圆阵自适应阵列TD-LTE天线阵原理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A点：

波程差Δd=0

相位差Δφ=0a单天线二阵元天线阵17θΔdTD-LTE 天线阵原理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λ/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，那么天线阵可实现在某个方向上 形成场强同向叠加A点B点A点B点A点：

波程差Δd=0

相位差Δφ=0B点：单天线900

900

a二阵元天线阵波程差Δd=a*cosθ相位差Δφ=2πΔd/λ

18originalpattern((⎟⎠jjTD-LTE均匀直线阵

0 -5-10-15-20-25-3020406080100120140160180degreea(θ

(k)w

⎛)=⎜1Le

⎝2π(ka−1)d

λcos(θwk))Le2π(Ka−1)d

λcos(θwk))

T⎞⎟19directionalpattern0[dB]⎛j⎜(((⎟⎠jjTD-LTE均匀圆阵

0 -5-10-15-20-25-30 050100150200250300350degreea(θ

(k)w)=⎜e

⎝2πR

λcos(θwk)−φ(1))Le2πR

λcos(θwk)−φ(ka))Le2πR

λcos(θwk)−φ(Ka))

20⎞⎟TTD-LTE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•••TD-LTE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正确匹配。 22TD-LTE智能天线的优势〔1〕全向照明区域小增加覆盖能量集中能量集中照得很远23==∑P(θn)γ=TD-LTE智能天线的优势〔2〕 Pmaxmax(P(θ))max(P(θ)) Pmeanmean(P(θ))1N Nn=1 γ=6.2351=8(dB) 24TD-LTE 智能天线优势〔3〕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 25TD-LTETD-LTE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别离和检测；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 27TD-LTE空时无线信道类型SISOMISOSIMO•SU-MIMO

MIMO•MU-MIMO281234TD-LTEMIMO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 不同的数据比特提高链路可靠性，充分利用现有的信道

增加额外信道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

发射天线间距较小

发射天线间距足够 大，与移动环境有关

29TD-LTE••TD-LTE硬件开销系统开销终端支持多天线基站支持多天线MIMO系统•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

31TD-LTETD-LTE天线传输模式单天线

开环空 间复用MU-MIMO

闭环空 间复用波束赋形传输分集 闭环预 编码33TD-LTETD-LTE常用发射分集天线

TSTD所有用户都由相下行用户数据的功率分配同的天线发送，且一起在不同的天线间切换

STTD可以用一个简单

SCTDP-CCPCH的分集的线性变换实现分集信号的别离和最大似然检测。发射分集天线

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。

CLTxD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

35TD-LTE 传输分集 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。 36*37TD-LTE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STBCSFBC

S1−S2S2

S1*TD-LTESTTD发射分集•39TD-LTE传输分集：TSTD40TD-LTE传输分集：FSTD**TD-LTE

传输分集SFBC+FSTD

S1

0−S2

0S2

0

*S1

0

0

S3

0−S4

0S4

0

*S3LTE支持SFBC与FSTD结合的传输分集方式

41TD-LTEMIMO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：

y=Hx+w

–其中x为发送的符号向量，Mx1 –y为接收到的符号向量，Nx1 –H为空间信道矩阵，NxM –W为噪声向量，Nx1

42TD-LTETD-LTE

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44TD-LTE46TD-LTE

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-MIMOSU-MIMO(SDM)MU-MIMO(SDMA)47TD-LTE

空间复用MU-MIMO

LTE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••TD-LTEMIMO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 48TD-LTE波束赋形

WantedUE传统波束赋形•小间距的天线阵列，使用较多天线InterferingUE 单元•提顶峰值速率，小区覆盖，降低小 区间干扰 49TD-LTE 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 •通过码本选择和反响，即终端通过进行下行方向的信道估 计，从的码本中选择下一次传输的赋形权值，并反响 给基站。 50TD-LTE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

51TD-LTE波束赋形〔BF〕

降低干扰 提升覆盖半径MIMO

提升吞吐量TD-LTETD-LTE赋形TD-LTE双流波束BF1BF2TD-LTE2021年3月2021年6月2021年9月2021年12月RAN1#56bis;RAN1#57RAN1#57bis;RAN1#58RAN1#58bis；RAN1#59RAN#43全会RAN#44全会RAN#45全会RAN#46全会56TD-LTE双流波束赋形可大大提升吞吐量性能

扇区吞吐量最大提升约80%

边缘吞吐量最大提升约130%注：ITU评估结果5758TD-LTE室外宏小区覆盖：

4+4双极化天线

BF+双流室外街道站覆盖：

1+1双极化天线

双流室内微小区覆盖：2×2MIMO59TD-LTE双流波束赋形是平滑引入TD-LTE的关键TD-LTE覆盖理论分析

TD-LTE2天线的覆盖能力受限于上

行业务信道以上行业务64Kbps边缘速率进行分析1.04km0.48kmTD-LTE8天线的覆盖半径约为2天线的两倍，与TD-SCDMA覆盖半径相当

TD-LTE2天线

TD-LTE8天线TD-SCDMA8天线在TD-SCDMA现网实际小区半径500米条件下，TD-LTE8天线的边缘速率远远大于2天线

～0.5km

2天线64Kbps8天线500Kbps

～0.5km

0.28km2天线500Kbps8天线500Kbps8天线双流波束赋形在保证与TD-SCDMA共覆盖前提下表达TD-LTE高速率特点••TD-LTELTE时的天线配置下行下行：最高8X8上行：最高4X4

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

1x2,1x4,1