5G通信技术 课件 第6章 MIMO

MIMO中国电信星火计划--东南大学5G无线网技术王霄峻wxj@东南大学移动通信国家重点实验室止于至善前言止于至善前言MIMO技术是指在基站覆盖区域内配置并集中放置大规模的天线阵列，同时服务分布在基站覆盖区内的多个用户。在同一时频资源上，利用基站大规模天线的空间自由度，可以提升多用户空分复用能力、波束成型能力以及抑制干扰的能力，从而大幅提高系统频谱资源的整体利用率。课程目标止于至善3学完本课程后，您应该能：掌握MIMO基本原理了解SU-MIMO及MU-MIMO增益原理掌握波束赋形流程课程目标可先参考：[4G&5G专题-47]：物理层-多天线MIMO技术、层映射、预编码矩阵/HiWangWenBing/article/details/114101724止于至善MIMO基本功能SU-MIMO原理01010303MIMO原理0102MU-MIMO原理0104MIMO基本功能止于至善无线通信的迅速发展对系统的容量和频谱效率提出了越来越高的要求扩展带宽，并不能有效提升频谱效率；高阶调制提升频谱效率的能力有限MIMO是一种成倍提升系统频谱效率的技术，是对SISO的扩展。泛指在发送端或接收端采用多根天线，并辅助一定的发送端和接收端信号处理技术完成通信。MIMO技术能提高无线链路传输的可靠性和信号质量，提升系统容量和覆盖MassiveMIMO是多天线技术演进的一种高端形态，是5G网络的一项关键技术MIMO基本功能——从MIMO演进到MassiveMIMO止于至善6MassiveMIMO2Layers4Layers16+LayersMIMO基本功能——MassiveMIMO对网络的增益止于至善7提升小区覆盖提升用户体验下行：在信噪比足够好（MCS=27，调制方式采用256QAM）且空间信道独立时，如果接收天线数≥8，则单用户在下行可同时支持8流的数据传输，此时单用户下行峰值速率理论上可提升到单流时的8倍上行：在信噪比足够好（MCS=28，调制方式采用64QAM）且空间信道独立时，如果UE发射天线数≥4，则单用户在上行可同时支持4流的数据传输，此时单用户上行峰值速率理论上可提升到单流时的4倍提升系统容量：层数越高，增益越大；对于fullbuffer业务，假设空分复用16层，则理论上小区吞吐率提升至16*100%。MIMO基本功能——MassiveMIMO增益止于至善8阵列增益：通过相干合并，能有效提高处理后SNR的均值（前提：需要已知信道信息）空间分集增益：把数据副本在不同天线发送以提高传输可靠性，减小信噪比的相对波动空间复用增益：利用空间信道的独立性，通过同时传输多个数据流以提升传输速率干扰抑制增益：利用干扰信号的空间有色性，通过提升处理后信干噪比对干扰进行抑制阵列增益分集增益干扰抑制MassiveMIMOMIMO基本功能——MassiveMIMO的典型应用场景止于至善9MassiveMIMO应用场景如下。（1）热点区域：密集城区、中心商业区、广场、体育馆等。在这些区域中，用户密集，需要支持大量在线用户，上下行容量需求极高。MassiveMIMO特性能够有效抑制干扰，支持多层配对的MU-BF和MU-MIMO，从而显著提升小区吞吐率，解决热点区域容量诉求。（2）高楼覆盖：该场景下，用户垂直分布于不同楼层，普通站点的垂直覆盖范围较窄，难以覆盖多个楼层。MassiveMIMO站点支持三维波束调整，增强了垂直维度广播波束的覆盖能力，从而可以覆盖更多楼层的用户。（3）深度覆盖：该场景下是通过室外站点对室内进行覆盖，通常有建筑物阻挡，由于穿透损耗等原因，导致用户信号较弱、体验较差。MassiveMIMO特性的上行多天线接收分集和下行波束赋形能够有效对抗传播与穿透损耗，从而提升了链路质量和用户的体验速率。MIMO基本功能——MassiveMIMO的典型应用场景止于至善10大型场馆CBD场景高楼场景密集城区大规模天线阵列SUBF、MUBF、3DMIMO，带来容量提升和高楼覆盖增强3D波束赋形，增强高楼深度覆盖，大幅提升边缘体验16流多用户复用，大幅提升网络容量精确的用户级赋形波束及跟踪，有效的干扰控制MIMO基本功能——MIMO和MassiveMIMO对比止于至善11止于至善MIMO基本功能SU-MIMO原理01010303MIMO原理0102MU-MIMO原理0104MIMO原理止于至善13对于NRTDD系统，MIMO大幅提升了天线数目，即从LTE时期主流为2T2R/4T4R提升到5G时代主流为32T32R/64T64R的MassiveMIMO。对于NRFDD系统，当前只支持2T2R、2T4R和4T4R的MIMO。MIMO通过综合使用以下几个信号处理技术可以获得增益，提升系统容量和频谱效率：接收分集波束赋形空间复用下行波束赋形止于至善14波束赋形（Beamforming,简称BF）：对发送信号进行加权，形成指向UE的窄带波束。NRSub6G多天线下行各信道默认支持波束赋形，可以形成更窄的波束，精准的指向用户，提升覆盖性能。下行波束赋形止于至善15波束指电磁波能量的方向，波束的形态如右图波束的每个主平面内都有2个或多个瓣辐射强度最大的瓣称为主瓣其余的瓣称为副瓣或旁瓣将主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB、功率密度降低一半的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度）。波束的特点：（1）波束越宽，其覆盖的方向角越大，能量越分散。（2）波束越窄，天线的方向性越好，能量越集中。天线波束垂直面方向图天线波束水平面方向图下行波束赋形止于至善16波束赋形利用信道信息对发射信号进行加权预编码，以获得阵列增益。理论上，1×N的SIMO系统和M×1的MISO系统相对于SISO可获得的阵列增益分别为10log

10(N)dB和10log10(M)dB。阵列增益可以提高接收端SINR，从而提升信号接收质量，如下图所示。阵列增益示意图下行波束赋形流程止于至善17下行波束赋形流程止于至善18下行波束赋形的流程：1.通道校正：保证收发通道的互易行和通道间的一致性2.权值计算：gNodeB基于UE信道特征的判断，计算出一个向量，用于改变波束形状和方向3.加权：在基带将权值与待发射的数据进行矢量相加，改变信号幅度和相位4.赋形：应用干涉原理，调整波束的宽度和方向PAsRF-ChainRF-ChainPAPA基带波束赋形1432下行波束赋形流程止于至善191、通道校正必要性：NR系统类似于TDD-LTE系统，上下行频率相同，因此可以依据上行信道信息估计下行信道。但如果上下行信道幅度和相位不一致，则会影响下行信道权值的计算准确度。射频收发通道之间存在幅度和相位差，而且不同的收发通道的幅度和相位差也不同，所以上下行信道并不是严格互易的，需要使用通道校正技术来保证射频收发通道幅度和相位的一致性。具体流程如下：①使用通道校正算法，计算信号经过各个发射通道和接收通道后产生的相位和幅度变化。②依据计算结果进行补偿，使每组收发通道都满足互易性条件。下行波束赋形流程止于至善202、计算权值是指gNodeB基于下行信道特征计算出一个向量，用于改变波束形状和方向。计算权值的关键输入是获取下行信道特征，有两种不同的获取下行信道特征的方法PMI（PrecodingMatrixIndication）权SRS（SoundingReferenceSignal）权gNodeB自适应地选择采用SRS权或PMI权，某些场景下选择SRS权值，某些场景下选择PMI权值。下行波束赋形流程止于至善213、加权加权是指gNodeB计算出权值后，将权值与待发射的数据（数据流和解调信号DM-RS）进行矢量相加，以达到调整波束的宽度和方向的目的。加权的具体过程：假设天线通道序列为i，信道输入信号为x(i)，通过信道H时引入的噪声为N，信道输出时信号为y(i)，则可得到y(i)=Hx(i)+N。加权就是对信号x(i)乘以一个复向量w(i)（即权值），达到改变输出信号y(i)的幅度和相位的目的，则可得到y(i)=Hw(i)x(i)+N。下行波束赋形流程止于至善223、加权（续）对于信道输入的一组信号X，通过信道H时，对每个信号x(i)都用不同的向量w(i)进行加权，即可以使输出的一组叠加后的信号Y呈现出一定的方向性。下行波束赋形流程止于至善234、波束赋形波束赋形应用了干涉原理，如右图，弧线表示载波的波峰，波峰与波峰相遇的位置叠加增强，波峰与波谷相遇的位置叠加减弱。①未使用BF时，波束形状、能量强弱位置是固定的，对于叠加减弱点用户，如果处于小区边缘，信号强度低。②使用BF后，通过对信号加权，调整各天线阵子的发射功率和相位，改变波束形状，使主瓣对准用户，信号强度得到了提高。基于SRS加权获得的波束一般称为动态波束，而控制信道和广播信道则采用预定义的权值生成离散的静态波束。上行接收分集-多天线接收止于至善24概念：gNodeB可以通过多个天线接收UE的发射信号，通过空间分集（分集增益）和相干接收合并（阵列增益）来增强接收信号分集增益：合并后SNR更稳定阵列增益：相干合并提升SNR上行接收分集–原理止于至善25接收分集原理：对于M×N的MIMO系统，假设每对发射天线和接收天线之间的信道独立，并假设每根天线发射的信号相同，则理论上相对SISO可以获得的分集阶数是M×N，M×N表示发射天线数和接收天线数的乘积。分集阶数是空间信道容错能力的一个理论表征，可理解为M×N的MIMO系统提供的理论上的系统容错能力为SISO系统的M×N倍，换句话说，相同条件下M×N的MIMO系统的收发信号错误概率为SISO系统的1/(M×N)。分集增益来源于空间信道理论上的分集阶数。上行接收分集–过程止于至善26上行分集接收是指：gNodeB可以通过多个天线接收UE的发射信号，通过空间分集和相干接收来增强信号接收效果基本过程：（1）gNodeB通过多个天线接收UE发射的SRS信号并估计上行信道特征，然后通过DCI告知UE最佳的PMI/RANK值（2）UE以最佳的PMI对PUSCH数据进行预编码发射（3）gNodeB通过多天线进行PUSCH数据的分集接收，提升接收信噪比和稳定性、增加上行用户吞吐率上行接收分集–分集增益止于至善27分集增益：多天线空间分集和相干接收，接收分集可以提高接收端信噪比稳定性。接收信号在深衰落信道更加稳定，信噪比理论上可提升10log10(N)，N为基站接收天线数或波束数目止于至善MIMO基本功能SU-MIMO原理01010303MIMO原理0102MU-MIMO原理0104下行用户多流传输止于至善通过多天线技术，单用户在下行同时支持多流数据传输，单用户最大下行数据流数取决于gNodeB发射天线数和UE接收天线数中的相对较小值右图为单用户下行多流示例：在gNodeB64T64R的情况下，2T4R的UE下行最大可同时支持4流的数据传输下行用户多流传输止于至善30单用户最大下行数据流数取决于以下因素：

（1）gNodeB发射天线数和UE接收天线数中的相对较小值。（2）下行小区最大流数限制。（3）协议约定：单用户下行最多可同时支持8流的数据传输。目前某些厂家不同规格的gNodeB和UE下行最大可同时支持的数据传输流数如下表：上行用户多流传输止于至善31通过多天线技术单用户在上行同时支持多流数据传输，单用户最大上行数据流数取决于gNodeB接收天线数和UE发射天线数中的相对较小值在gNodeB64T64R的情况下，2T4R的UE上行最大可同时支持2流的数据传输上行用户多流传输止于至善32单用户最大上行数据流数取决于如下因素：（1）gNodeB接收天线数和UE发射天线数中的相对较小值。（2）上行小区最大流数限制。（3）协议约定：单用户上行最多可同时支持4流的数据传输。目前某些厂家不同规格的gNodeB和UE上行最大可同时支持的数据传输流数如下表：止于至善MIMO基本功能SU-MIMO原理01010303MIMO原理0102MU-MIMO原理0104MUMIMO原理止于至善34MU-MIMO，是指多个用户在上下行数据传输时，空分复用OFDM时频资源，从而提升系统的上下行容量和频谱效率。当前某厂家的MU-MIMO特性支持对PDSCH、PDCCH、PUSCH的MU空分复用。对多个用户的选择过程称为配对，用户配对时会参考以下2个原则：（1）当UE的SINR较高且UE间的信道相关性较小时，UE间的干扰能够被很好地消除，适合进行MU-MIMO配对。此时，MU-MIMO可以充分地利用良好的信道条件为小区增加额外系统容量。（2）当UE的SINR较低或者UE间的信道相关性较强时，UE间的干扰无法很好地被消除，MU-MIMO反而可能导致系统的吞吐量下降。此时，gNodeB会避免选择信道相关性较强或者SINR较低的用户参与配对。下行MUMIMO-PDSCH空分复用止于至善35概念：gNodeB在同一份PDSCH资源上给两个或以上的UE发送数据，获得空间复用增益。增益：可以提高频谱利用率，在一定程度上提高下行吞吐量，特别是重载场景下，能够缓解网络负载，提升用户感受配对：配对MU开关打开、小区流数小于最大流数、且用户的MCS大于一定门限时，空间波束隔离较大、相关性较低的用户可以进行波束域配对；然后再基于RBG粒度，相关性小的待调度用户和已调度用户进行相关性配对下行MUMIMO-PDSCH空分复用（续）止于至善36目前某些厂家支持的下行MU空分复用PDSCH最大流数如下表所示：下行MUMIMO-PDCCH空分复用止于至善37PDCCH信道的MU空分复用是指通过发送波束间的隔离度来区分用户，使得不同用户能够复用CCE资源，从而提升了PDCCH容量，用以支撑更多用户调度，如下图。PDCCH