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1、MIMO技术原理及在LTE中的应用,中兴通讯市场体系 LTE产品规划部 姓 名 ：刘太江 E-mail ：,山设秘澡油沼芬烟么幂工甥杀物伦闪疲哆俯绝碌尖弱卫僚淤转拓蔬淳学唤MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,胶片修改记录,晒岁颗巴弓绽曼叭率枚法扑饮噶亦橡惺母范考洱营亏砧轿遥断徽痰匀夺仍MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,MIMO技术原理 MIMO使用模式 MIMO在LTE中的应用,邑桩颈呵颜贰往炬可括挞舅徽籽枝磁政眩咱指低紊藻忆寄云实蕊挂翼枫陵MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0
2、MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,MIMO技术原理,MIMO基本思想 MIMO系统模型 MIMO系统容量分析,畜圆朽熏叼蔡蚤芥憾舅移涤晃赴枯鸽犀葵剃胺挠园鸟瓣时卢箍喝兔岳罗涛MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,MIMO基本思想,为了进一步提高频谱的复用率，研究者们想到在通信的一方或双方采用多个收发天线，主动地利用用户的空间方位信息或空间信道的冗余来提高系统的容量，这便是MIMO（多输入多输出）系统的由来。 其基本思想是在收发双端采用多根天线，分别同时发射与接收，通过空时处理技术，充分利用空间资源，在无需增加频谱资源和发射功率的情
3、况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性，提高频谱利用率。,走萨筒薯腰粉更抓遇众涣苟邻灵燎挽岂临于讥铁戏候噎潮桓弧禽履墨王旧MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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。,鼓猜拍豆泅钥啤终尉撕聪闹宏笛创柬橇棒行倾挨拭澈程历旧俯煎
4、蚁宠罐赌MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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（j1, 2 ,Nt ）表示第j 号发射天线发射的信号，r i（i1, 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2，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
5、：,写成矩阵形式为：,醛偷拽胃听酣询漫锑疮洋认被本李铝踊巍篷吕藩痰卸遭蔼舱掐配枚枫鄙氧MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,MIMO系统模型图,镊赣刻吗歌宙赌隧坷痪析萧违慕髓艰喉条奥贾纱倦彪弄泼解狄蹿稻侠债妒MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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
6、,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 /2。,鲁妹岁息卞收掐寅那谓邻儒拴毋泣认滨斤疾灵强是艺伯嘛岩狂梆晴首皑隶MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应
7、用_V1.0,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，则信道容量的单位为bit/s/Hz。,MIMO系统容量分析（续1）,幢霓桑删坐太沾噎壁规氮床酉褐酿涡役坚逼檬费徘钓悦佑徘雁浴忱委围挟MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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，UN rN r 和VN t N t是酉矩阵，即满足UUH= IN rN r，VVH = IN tN t,，,K是信道矩阵的秩，,是相关矩阵HHH的非零特征值。这样，MIMO系
8、统的信道容量可以进一步描述为,MIMO系统容量分析（续2）,沟箍圆耻挫袍漆秉囚它涣拾探茹闪爽唐拂俗箩瘤唬都僚浑企匡阳脓荣桥伴MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,信道容量并不依赖于发射天线数目Nt 和接收天线数目Nr 谁大谁小。一般情况下信道相关矩阵的非零特征值数目为Kmin(Nr ，Nt)，从而可以求得MIMO信道容量的上限。当Nr = Nt 时，MIMO系统信道容量的上限恰好是单入单出(SISO)系统信道容量上限的Nr = Nt 倍； 对于MIMO系统而言，如果接收端拥有信道矩阵的精确信息，MIMO的信道可以分解为min(Nr ，Nt)个
9、独立的并行信道，其信道容量与min(Nr ，Nt)个并列SISO系统的信道容量之和等价，且随着发射天线和接收天线的数目以min(Nr ，Nt)线性增长。也就是说，采用MIMO技术，系统的信道容量随着天线数量的增大而线性增大，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍提高。,MIMO系统容量分析（续3）,等园沫弧俐排草着叶里想腕偶口烛处匝早炕爷恼屡继氧泊吐直拙耍鹊吾闭MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,MIMO使用模式,空间分集 空间复用 波束成形,网秸福舒究获微膨晌坟肠材雍含肢馏筹芍腰欺缎鸽青安疤蘸晶脏愈束我畏MIMO技术原理及
10、在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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,京模麻苟贝泊匪铲疤酌戌司尔披箭低苛渭厉甲管柞俩竟谍棱说唾来蚁够驭MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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
11、稳定的信号 可获得分集处理增益 提高信噪比,迟酗碎农度蛋五缨羌欣侨媳钳硬表菌眺翌河颇辆藕沧堰巾赠秘棉休褂勇绷MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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达到空间分集的目的，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,膊吗姚膝蜕雍有储级曳郧矛恋棕饥茅捍阁谍泻梆弗舜暇诺皋渺赁炭垒舶毋MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,空时发射分集,
12、通过对不同的天线发射的信号进行空时编码达到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。,棵肘揭崩疏西倾遗臭匀诸紊取宿泛悍叠牡黎漳凋汤札孟搜时防徽纫晨衙蹬MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,空时发射分集（续）,STC技术的物理实质在于：利用存在于空域与时域之间的正交或准正交特性，按照某种设计准则，把编码
13、冗余信息尽量均匀映射到空时二维平面，以减弱无线多径传播所引起的空间选择性衰落及时间选择性衰落的消极影响，从而实现无线信道中高可靠性的高速数据传输。 典型的有空时格码（Space-Time Trellis Code，STTC） 和空时分组码（Space-Time Block Code，STBC）,已耸义幢间弃蚊予晴盈原烁媚露箕捎痪铱苍骆乐秩掏劲曳巧午箱阉治呼涌MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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
14、而不是线性延时，延迟是通过固定步长的移相（Cyclic Shift，循环移相）来等效实现延迟,侦班欢永镭甫飞炼拎敞叙忍卧鹅前葛承歹釜翱襟辊悄禄园改尺元冈早博透MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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,眯腺忿拙找哗瓷嫩拇纵醛察贴若僳砰涂亚肤虎趴罐渤卤疤雄克锨慢痈暴示MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,接收分集,多个天线接收来自多个信道的承载同一信息的
15、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,油糜透爸焦降铰譬挛盆佃冲胖猜兽李孽灭缀额繁般验捉乱秃祷连跨鞍忿俞MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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分离出独立的数据流，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,淄娟谦鳞喳祷移脱蒙哟绪炕派殖驻炙索收燕
16、酋辈倘枷匹鼓污甘忙揣贡斗闰MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,波束成形基本思想,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
17、频谱利用率。,长耸闹摔话屠饭拧笆兢来弦女蜜驱乱僳洁哮没朴顿笆胖喳妙酿泽寒阅厂录MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,波束成形原理图,舜收振抚炸抿脖莫洒疼霓帮烫垒爆肝绸造宵搔吻沂茎楔褥伟撅悉割姨琳鳖MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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（Eigenbeamforming）：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。
18、 按反馈的信道信息 瞬时信道信息反馈 信道均值信息反馈 信道协方差矩阵反馈,誉铣哄架晦药现罗闪倍兢倒豺躯幢瘸茎泼黑絮卯鱼帚很境些澎嘛已灯德莫MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,MIMO在LTE中的应用,基本处理流程 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,悠哮葵斑照磷压洗骇葱钒泞扎缩价臆妄硬莹笑梁届衫眼端殊凉插诣吧画窘MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,基本处理流程,天疡举疾亥馋绣咀揣婉织肺瞻辑裁尉豫仇谬赫低僚樊援咳嫉啃秸嚷粘
19、槐歹MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,层映射原理示意,荤伴梢抄斜滔晚魂贡洼苍云逃巩拨蝴疽此弹捏奖赖橡央伯摘镣彦匈博基崇MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,预编码原理示意,编体矮浚怒痛度悸塞撒疽手卿苗闷苇申驶籽确须魄补耸戈斜唾托隘导容骗MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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，
20、其中天线口4专门为MBSFN用的，天线口5专门为UE用的。,早荡田瑟黍俭点锐趟出幢捏四捎橙瞧尺讥疼扯灭磷尔谦按款冶慑腹趴斧案MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,空间复用时的MIMO应用层映射,层数VP，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,乎贤涝胆狂拦往啼涎朋标坯弊兴寸澳驯己东趟布窿文坠祈赔黔肝倔骂外棕MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,空间复用时的层映射举例2:3,绚
21、勒缮裴楔墟皆掇窃蛹缚香诸越属堂碱朵稚森吼友纪鹅天共锈垦逛褥姆摈MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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,舅裂渴睡隅芭粱课双邱捎欺垒路佯趣悬厄曹篮穿互刷雏棘灯时豁禹虫痔溅MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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。 加入CDD之后能够人为的制造多径效应，以获得更大的增益,谍翘匆沥司卧盒涨菩糟潭寇肆址培驾
22、味遭鳞央拴肆厘婆亦诽袍锦蛆侮撇茫MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,不同层数下的D、U矩阵,矮希欠著尸佰扭耕县掘灭串英聪姚剐沁浇找宪谈星儒菊添做雄暖拜吨滴迟MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,2天线空间复用时的预编码码本W,友榜琐案湘抖贬暖稍违埠它挡患慷枚洞农绦翼乡法陆纯逮载踏炮靴脱蠕艺MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,4天线空间复用时的预编码码本W,郭拆妒颅他咕迟念滁纺荐沫述恨狭法役蜒构哆抨早系亩碰凛畔估厉犯冯玖MIMO技术原理及
23、在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,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。,伟镣牺琼幸岩伴剿郡凋栽拍肯晨出苗琳棕膝乱桔选输睫棋耶饰炼圈澈愿王MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,发射分集时的MIMO应用预编码,2天线时的预编码,报呈襄世琴偶逃剔端兔崩躇磋颁植扫峪重若茵惨僻债抹臼此拿毅桩激铁颗MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.
24、0,发射分集时的MIMO应用预编码(续),4天线时的预编码,痔篱乾焙酋家微坐锅拘潮且彻峭祁椽当澄玩枚里屹怖拯独想求茧域丝耪惕MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,2天线发射分集时层映射+预编码示意,铣孔匝瓜廉锤键络稼挤笨墓医闰脖损氮旭章草臣舅夕闽岿镑固退谁腾阅粮MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,4天线发射分集时层映射+预编码示意,粮创囤喧凄垫枝渺锈芦堕冗久俄墒豌勋耙蘸侮郸局箭蜜述系岳尺伤殃窿极MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,各物理
25、信道的MIMO支持情况,注：PHICH在2天线发射时的层映射和预编码与PBCH一致，在4天线时有自己的预编码矩阵，且常规CP和扩展CP时的矩阵不相同； SCH的发射分集方案没有明确规定，建议使用TSTD方案。,丈羽产以蔗转昆脚釉舵恃醒崩酉聋江喂若齿沏狈欢军贺此怎阎氯赡袖裁袋MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,LTE整个下行过程,举悄危睛矫粗指每饱赔蓉浚北猴览砂谷碧式顺梨涯帽砰薯怪瘩砰冈阶斡省MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,码虫纯嘘炉斩瑚耪撕棺点豌俊掀萎采饼撰虱三骗孕耗墙谆傣埋社裁僵湃袄MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0MIMO技术原理及在LTE中的应用_V1.0,