MIMO技术原理及在LTE中的应用-V1.0

中兴通讯市场体系

LTE产品规划部姓名 ：刘太江E-mail ：×××胶片修改记录版本日期拟制人/修改人备注V1.02008-12-8刘太江创建MIMO根本思想MIMO系统模型MIMO系统容量分析MIMO根本思想MIMO的优点阵列增益：可以提高发射功率和进行波束形成；系统的分集特性：可以改善信道衰落造成的干扰；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；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。MIMO系统的数学模型

在发射器端配置Nt个发射天线，在接收器端配置了Nr接收天线，xj〔j＝1,2,……Nt〕表示第j号发射天线发射的信号，ri〔i＝1,2,……Nr〕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功率相同，都为σ2，假设信道是准静态的平坦瑞利衰落信道，模型图如下MIMO系统的信号模型可以表示为：写成矩阵形式为：MIMO系统模型图MIMO系统容量分析

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)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Pt

/Nt

。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σ2。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/σ2。信道容量可以表示为其中，H表示矩阵进行(Hermitian)转置；det表示求矩阵的行列式，如果对数log的底为2，那么信道容量的单位为bit/s/Hz。MIMO系统容量分析〔续1〕对信道矩阵进行奇异值分解，从而将信道矩阵H写为H=UDVH

其中，UNr×Nr

和VNt×Nt是酉矩阵，即满足UUH=INr×Nr，VVH=INt×Nt，K是信道矩阵的秩，

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MIMO系统容量分析〔续2〕MIMO系统容量分析〔续3〕MIMO使用模式空间分集空间复用波束成形MIMO的使用模式空间分集 使用多根天线进行发射和/或接收，根据收发天线数又分为发射分集、接收分集与接收发射分集空间复用 发射的高速数据被分成几个并行的低速数据流，在同一频带从多个天线同时发射出去波束成形 在发射端将待发射数据矢量加权，形成某种方向图后到达接收端空间分集空间分集： 发射分集、接收分集和接收发射分集分集优点：

很好的对抗传输信道的衰落 易获得相对稳定的信号可获得分集处理增益提高信噪比发射分集发射分集就是在发射端使用多幅发射天线发射信息，通过对不同的天线发射的信号进行编码到达空间分集的目的，接收端获得比单天线高的信噪比开环发射分集，闭环发射分集空时发射分集STTD，空频发射分集SFTD，循环延迟分集CDD空时发射分集通过对不同的天线发射的信号进行空时编码到达时间和空间分集的目的；在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声导致的符号错误概率；空时编码通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使得信号在接收端获得时间和空间分集增益。可以利用额外的分集增益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。空时发射分集〔续〕循环延迟发射分集〔CDD〕

在不同的发射天线上发送具有不同相对延时的同一个信号,人为地制造时间弥散，能够获得分集增益。且循环延时分集采用的是循环延时而不是线性延时，延迟是通过固定步长的移相〔CyclicShift，循环移相〕来等效实现延迟空频发射分集空频发射分集与空时发射分集类似，不同的是SFTD是对发送的符号进行频域和空域编码将同一组数据承载在不同的子载波上面获得频率分集增益接收分集

多个天线接收来自多个信道的承载同一信息的多个独立的信号副本，由于信号不可能同时处于深衰落情况中，因此在任一给定的时刻至少可以保证有一个强度足够大的信号副本提供给接收机使用，从而提高了接收信号的信噪比空间复用

发射的高速数据被分成几个并行的低速数据流，在同一频带从多个天线同时发射出去。由于多径传播，每个发射天线对于接收机产生不同的空间签名，接收机利用这些不同的签名别离出独立的数据流，最后再复用成原始数据流。因此空间复用可以成倍提高数据传输速率波束成形根本思想MIMO中的波束形成方式与智能天线系统中的波束形成类似，在发射端将待发射数据矢量加权，形成某种方向图后到达接收端，接收端再对收到的信号进行上行波束形成，抑制噪声和干扰；与常规智能天线不同的是，原来的下行波束形成只针对一个天线，现在需要针对多个天线。通过下行波束形成，使得信号在用户方向上得到加强，通过上行波束形成，使得用户具有更强的抗干扰能力和抗噪能力。因此，和发分集类似，可以利用额外的波束形成增益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。波束成形原理图波束成形的分类按照信号的发射方式传统波束形成：当信道特征值只有一个或只有一个接收天线时，沿特征向量发射所有的功率实现波束形成；特征波束形成〔Eigen－beamforming〕：对信道矩阵进行特征值分解，信道将转化为多个并行的信道，在每个信道上独立传输数据。按反响的信道信息瞬时信道信息反响信道均值信息反响信道协方差矩阵反响MIMO在LTE中的应用根本处理流程单天线时的MIMO应用空间复用时的MIMO应用空间分集时的MIMO应用各信道的MIMO支持情况根本处理流程层映射原理示意预编码原理示意单天线时的MIMO应用层映射 一个码字流映射到一层，将输入直接输出。预编码

无需预编码，输入直接输出； 是用来发射的天线口索引，如p=0，即经第0个天线口发射，其中天线口4专门为MBSFN用的，天线口5专门为UE用的。空间复用时的MIMO应用—层映射层数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；码字到层的映射可有1:1，1:2，2:2，2:3，2:4，且1:2的情况只用在P=4的情况下空间复用时的层映射举例—2:3空间复用时的MIMO应用—预编码无CDD时的预编码其中：W为阶数为P*V的预编码矩阵空间复用时的MIMO应用—预编码(续)大CDD时的预编码其中：W为阶数为P*V的预编码矩阵，D,U为V*V矩阵。参加CDD之后能够人为的制造多径效应，以获得更大的增益不同层数下的D、U矩阵2天线空间复用时的预编码码本W4天线空间复用时的预编码码本W发射分集时的MIMO应用—层映射只允许对一个码字进行层映射，层数V和物理信道用于发射的天线端口数P相等；码字到层的映射只允许有1：2和1：4，即一码字流映射至两层或四层。发射分集时的MIMO应用—预编码2天线时的预编码发射分集时的MIMO应用—预编码(续)4天线时的预编码2天线发射分集时层映射+预编码示意4天线发射分集时层映射+预编码示意各物理信道的MIMO支