1、MIMO技術(shù)原理及在技術(shù)原理及在LTE中的應(yīng)用中的應(yīng)用中興通訊市場(chǎng)體系LTE產(chǎn)品規(guī)劃部姓 名：劉太江E-mail：膠片修改記錄膠片修改記錄V1.02008-12-8劉太江創(chuàng)建MIMO技術(shù)原理技術(shù)原理MIMO使用模式使用模式MIMO在在LTE中的應(yīng)用中的應(yīng)用nMIMO基本思想基本思想nMIMO系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型nMIMO系統(tǒng)容量分析系統(tǒng)容量分析MIMO基本思想基本思想 為了進(jìn)一步提高頻譜的復(fù)用率，研究者們想到在通信的一方或雙方采用多個(gè)收發(fā)天線，主動(dòng)地利用用戶的空間方位信息或空間信道的冗余來(lái)提高系統(tǒng)的容量，這便是MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)的由來(lái)。其基本思想是在收發(fā)雙端采用多根天線，分別同時(shí)發(fā)射與接

2、收，通過(guò)空時(shí)處理技術(shù)，充分利用空間資源，在無(wú)需增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下，成倍地提升通信系統(tǒng)的容量與可靠性，提高頻譜利用率。 MIMO的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)n陣列增益：可以提高發(fā)射功率和進(jìn)行波束形成；n系統(tǒng)的分集特性：可以改善信道衰落造成的干擾；n系統(tǒng)的空間復(fù)用增益：可以構(gòu)造空間正交的信道，從而成倍地增加數(shù)據(jù)率；n因此，充分地利用MIMO 系統(tǒng)的這些優(yōu)秀品質(zhì)能夠大幅度地提高系統(tǒng)容量、獲得相當(dāng)高的頻譜利用率，從而可以獲得更高的數(shù)據(jù)率、更好的傳輸品質(zhì)或更大的系統(tǒng)覆蓋范圍。MIMO系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 在發(fā)射器端配置Nt 個(gè)發(fā)射天線，在接收器端配置了Nr 接收天線，xj（j1, 2 ,Nt ）表示

3、第j 號(hào)發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)，r i（i1, 2 , Nr ）表示第i 號(hào)接收天線接收的信號(hào)，hij 表示第j號(hào)發(fā)射天線到第i號(hào)接收天線的信道衰落系數(shù)。在接收端，噪聲信號(hào)ni 是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的復(fù)零均值高斯變量，而且與發(fā)射信號(hào)獨(dú)立，不同時(shí)刻的噪聲信號(hào)間也相互獨(dú)立，每一個(gè)接收天線接收的噪聲信號(hào)功率相同，都為2，假設(shè)信道是準(zhǔn)靜態(tài)的平坦瑞利衰落信道，模型圖如下111211112122222212ttttrrrrtNNNNNNNN Nhhhxnrhhhxnrxnrhhhr = Hx+nMIMO系統(tǒng)的信號(hào)模型可以表示為：寫(xiě)成矩陣形式為：MIMO系統(tǒng)模型圖系統(tǒng)模型圖MIMO系統(tǒng)容量分析系統(tǒng)容量分析無(wú)線信道容量是評(píng)

4、價(jià)一個(gè)無(wú)線信道性能的綜合性指標(biāo)，它描述了在給定的信噪比(SNR)和帶寬條件下，某一信道能可靠傳輸?shù)膫鬏斔俾蕵O限。傳統(tǒng)的單輸入單輸出系統(tǒng)的容量由香農(nóng)(Shannon)給出，而MIMO系統(tǒng)的容量是多天線信道的容量問(wèn)題假設(shè)： 在發(fā)射端，發(fā)射信號(hào)是零均值獨(dú)立同分布的高斯變量，總的發(fā)射功率限制為Pt，各個(gè)天線發(fā)射的信號(hào)都有相等的功率Pt / Nt 。由于發(fā)射信號(hào)的帶寬足夠窄，因此認(rèn)為它的頻率響應(yīng)是平坦的，即信道是無(wú)記憶的。在接收端，噪聲信號(hào)ni是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的復(fù)零均值高斯變量，而且與發(fā)射信號(hào)獨(dú)立，不同時(shí)刻的噪聲信號(hào)間也相互獨(dú)立，每一個(gè)接收天線接收的噪聲信號(hào)功率相同，都為2。假設(shè)每一根天線的接收功率等于總的發(fā)

5、射功率，那么，每一根接收天線處的平均信噪比為SNR = Pt /2。 信道容量可以表示為21logdetrHthNtPCNIHH其中，H表示矩陣進(jìn)行(Hermitian)轉(zhuǎn)置；det表示求矩陣的行列式，如果對(duì)數(shù)log的底為2，則信道容量的單位為bit/s/Hz。MIMO系統(tǒng)容量分析（續(xù)系統(tǒng)容量分析（續(xù)1）0;00K K D12(,)kdiag 120K222211log det 1log1KKktktkkttPPCNN對(duì)信道矩陣進(jìn)行奇異值分解，從而將信道矩陣H寫(xiě)為H = UDVH 其中，UN rN r 和VN t N t是酉矩陣，即滿足UUH= IN rN r，VVH = IN tN t，K是

6、信道矩陣的秩， 是相關(guān)矩陣HHH的非零特征值。這樣，MIMO系統(tǒng)的信道容量可以進(jìn)一步描述為MIMO系統(tǒng)容量分析（續(xù)系統(tǒng)容量分析（續(xù)2）n信道容量并不依賴(lài)于發(fā)射天線數(shù)目Nt 和接收天線數(shù)目Nr 誰(shuí)大誰(shuí)小。一般情況下信道相關(guān)矩陣的非零特征值數(shù)目為Kmin(Nr ，Nt)，從而可以求得MIMO信道容量的上限。當(dāng)Nr = Nt 時(shí)，MIMO系統(tǒng)信道容量的上限恰好是單入單出(SISO)系統(tǒng)信道容量上限的Nr = Nt 倍；n對(duì)于MIMO系統(tǒng)而言，如果接收端擁有信道矩陣的精確信息，MIMO的信道可以分解為min(Nr ，Nt)個(gè)獨(dú)立的并行信道，其信道容量與min(Nr ，Nt)個(gè)并列SISO系統(tǒng)的信道容量

7、之和等價(jià)，且隨著發(fā)射天線和接收天線的數(shù)目以min(Nr ，Nt)線性增長(zhǎng)。也就是說(shuō)，采用MIMO技術(shù)，系統(tǒng)的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍提高。MIMO系統(tǒng)容量分析（續(xù)系統(tǒng)容量分析（續(xù)3）n空間分集空間分集n空間復(fù)用空間復(fù)用n波束成形波束成形MIMO的使用模式的使用模式n空間分集n 使用多根天線進(jìn)行發(fā)射和/或接收，根據(jù)收發(fā)天線數(shù)又分為發(fā)射分集、接收分集與接收發(fā)射分集n空間復(fù)用n發(fā)射的高速數(shù)據(jù)被分成幾個(gè)并行的低速數(shù)據(jù)流，在同一頻帶從多個(gè)天線同時(shí)發(fā)射出去n波束成形n在發(fā)射端將待發(fā)射數(shù)據(jù)矢量加權(quán)，形成某種方向圖后到達(dá)接收端空間分集空間分集

8、空間分集：發(fā)射分集、接收分集和接收發(fā)射分集分集優(yōu)點(diǎn)：很好的對(duì)抗傳輸信道的衰落易獲得相對(duì)穩(wěn)定的信號(hào) 可獲得分集處理增益 提高信噪比發(fā)射分集發(fā)射分集n發(fā)射分集就是在發(fā)射端使用多幅發(fā)射天線發(fā)射信息，通過(guò)對(duì)不同的天線發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行編碼達(dá)到空間分集的目的，接收端獲得比單天線高的信噪比n開(kāi)環(huán)發(fā)射分集，閉環(huán)發(fā)射分集n空時(shí)發(fā)射分集STTD，空頻發(fā)射分集SFTD ，循環(huán)延遲分集CDD空時(shí)發(fā)射分集空時(shí)發(fā)射分集n通過(guò)對(duì)不同的天線發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行空時(shí)編碼達(dá)到時(shí)間和空間分集的目的；n在發(fā)射端對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲導(dǎo)致的符號(hào)錯(cuò)誤概率；n空時(shí)編碼通過(guò)在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號(hào)的冗余度，從而使得信號(hào)在接收

9、端獲得時(shí)間和空間分集增益。可以利用額外的分集增益提高通信鏈路的可靠性，也可在同樣可靠性下利用高階調(diào)制提高數(shù)據(jù)率和頻譜利用率。空時(shí)發(fā)射分集（續(xù)）空時(shí)發(fā)射分集（續(xù)）STC技術(shù)的物理實(shí)質(zhì)在于：利用存在于空域與時(shí)域之間的正交或準(zhǔn)正交特性，按照某種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，把編碼冗余信息盡量均勻映射到空時(shí)二維平面，以減弱無(wú)線多徑傳播所引起的空間選擇性衰落及時(shí)間選擇性衰落的消極影響，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道中高可靠性的高速數(shù)據(jù)傳輸。典型的有空時(shí)格碼（Space-Time Trellis Code，STTC） 和空時(shí)分組碼（Space-Time Block Code，STBC）循環(huán)延遲發(fā)射分集（循環(huán)延遲發(fā)射分集（CDD） 在不同的

10、發(fā)射天線上發(fā)送具有不同相對(duì)延時(shí)的同一個(gè)信號(hào), 人為地制造時(shí)間彌散，能夠獲得分集增益。且循環(huán)延時(shí)分集采用的是循環(huán)延時(shí)而不是線性延時(shí)，延遲是通過(guò)固定步長(zhǎng)的移相（Cyclic Shift，循環(huán)移相）來(lái)等效實(shí)現(xiàn)延遲 空頻發(fā)射分集空頻發(fā)射分集n空頻發(fā)射分集與空時(shí)發(fā)射分集類(lèi)似，不同的是SFTD是對(duì)發(fā)送的符號(hào)進(jìn)行頻域和空域編碼n將同一組數(shù)據(jù)承載在不同的子載波上面獲得頻率分集增益接收分集接收分集 多個(gè)天線接收來(lái)自多個(gè)信道的承載同一信息的多個(gè)獨(dú)立的信號(hào)副本，由于信號(hào)不可能同時(shí)處于深衰落情況中，因此在任一給定的時(shí)刻至少可以保證有一個(gè)強(qiáng)度足夠大的信號(hào)副本提供給接收機(jī)使用，從而提高了接收信號(hào)的信噪比空間復(fù)用空間復(fù)用

11、發(fā)射的高速數(shù)據(jù)被分成幾個(gè)并行的低速數(shù)據(jù)流，在同一頻帶從多個(gè)天線同時(shí)發(fā)射出去。由于多徑傳播，每個(gè)發(fā)射天線對(duì)于接收機(jī)產(chǎn)生不同的空間簽名，接收機(jī)利用這些不同的簽名分離出獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，最后再?gòu)?fù)用成原始數(shù)據(jù)流。因此空間復(fù)用可以成倍提高數(shù)據(jù)傳輸速率調(diào)制與映射解調(diào)與分離波束成形基本思想波束成形基本思想nMIMO中的波束形成方式與智能天線系統(tǒng)中的波束形成類(lèi)似，在發(fā)射端將待發(fā)射數(shù)據(jù)矢量加權(quán)，形成某種方向圖后到達(dá)接收端，接收端再對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行上行波束形成，抑制噪聲和干擾；n與常規(guī)智能天線不同的是，原來(lái)的下行波束形成只針對(duì)一個(gè)天線，現(xiàn)在需要針對(duì)多個(gè)天線。通過(guò)下行波束形成，使得信號(hào)在用戶方向上得到加強(qiáng)，通過(guò)上行波束

12、形成，使得用戶具有更強(qiáng)的抗干擾能力和抗噪能力。因此，和發(fā)分集類(lèi)似，可以利用額外的波束形成增益提高通信鏈路的可靠性，也可在同樣可靠性下利用高階調(diào)制提高數(shù)據(jù)率和頻譜利用率。 波束成形原理圖波束成形原理圖波束成形的分類(lèi)波束成形的分類(lèi)n按照信號(hào)的發(fā)射方式傳統(tǒng)波束形成：當(dāng)信道特征值只有一個(gè)或只有一個(gè)接收天線時(shí)，沿特征向量發(fā)射所有的功率實(shí)現(xiàn)波束形成；特征波束形成（Eigenbeamforming）：對(duì)信道矩陣進(jìn)行特征值分解，信道將轉(zhuǎn)化為多個(gè)并行的信道，在每個(gè)信道上獨(dú)立傳輸數(shù)據(jù)。n按反饋的信道信息瞬時(shí)信道信息反饋信道均值信息反饋信道協(xié)方差矩陣反饋n基本處理流程基本處理流程n單天線時(shí)的單天線時(shí)的MIMO應(yīng)用應(yīng)

13、用n空間復(fù)用時(shí)的空間復(fù)用時(shí)的MIMO應(yīng)用應(yīng)用n空間分集時(shí)的空間分集時(shí)的MIMO應(yīng)用應(yīng)用n各信道的各信道的MIMO支持情況支持情況基本處理流程基本處理流程層映射原理示意層映射原理示意預(yù)編碼原理示意預(yù)編碼原理示意單天線時(shí)的單天線時(shí)的MIMO應(yīng)用應(yīng)用n層映射一個(gè)碼字流映射到一層，將輸入直接輸出。n預(yù)編碼n無(wú)需預(yù)編碼 ，輸入直接輸出；n 是用來(lái)發(fā)射的天線口索引，如p=0，即經(jīng)第0個(gè)天線口發(fā)射，其中天線口4專(zhuān)門(mén)為MBSFN用的，天線口5專(zhuān)門(mén)為UE用的。5 , 4 , 0p空間復(fù)用時(shí)的空間復(fù)用時(shí)的MIMO應(yīng)用應(yīng)用層映射層映射n層數(shù)VP，P表示物理信道用于發(fā)射的天線端口數(shù)，且碼字流的個(gè)數(shù)最多為2 ；n碼字到

14、層的映射可有1:1，1:2，2:2，2:3，2:4，且1:2的情況只用在P=4的情況下空間復(fù)用時(shí)的層映射舉例空間復(fù)用時(shí)的層映射舉例2:3空間復(fù)用時(shí)的空間復(fù)用時(shí)的MIMO應(yīng)用應(yīng)用預(yù)編碼預(yù)編碼無(wú)CDD時(shí)的預(yù)編碼)()()()()() 1()0() 1()0(ixixiWiyiyP其中：W為階數(shù)為P*V的預(yù)編碼矩陣空間復(fù)用時(shí)的空間復(fù)用時(shí)的MIMO應(yīng)用應(yīng)用預(yù)編碼預(yù)編碼(續(xù)續(xù))大CDD時(shí)的預(yù)編碼其中：W為階數(shù)為P*V的預(yù)編碼矩陣， D,U為V*V矩陣。加入CDD之后能夠人為的制造多徑效應(yīng)，以獲得更大的增益)()()()()()() 1()0() 1()0(ixixUiDiWiyiyP不同層數(shù)下的不同層數(shù)

15、下的D、U矩陣矩陣2天線空間復(fù)用時(shí)的預(yù)編碼碼本天線空間復(fù)用時(shí)的預(yù)編碼碼本W(wǎng)4天線空間復(fù)用時(shí)的預(yù)編碼碼本天線空間復(fù)用時(shí)的預(yù)編碼碼本W(wǎng)nHnHnnnuuuuIW2發(fā)射分集時(shí)的發(fā)射分集時(shí)的MIMO應(yīng)用應(yīng)用層映射層映射n只允許對(duì)一個(gè)碼字進(jìn)行層映射，層數(shù)V和物理信道用于發(fā)射的天線端口數(shù)P相等；n碼字到層的映射只允許有1：2和1：4，即一碼字流映射至兩層或四層。發(fā)射分集時(shí)的發(fā)射分集時(shí)的MIMO應(yīng)用應(yīng)用預(yù)編碼預(yù)編碼2天線時(shí)的預(yù)編碼)(Im)(Im)(Re)(Re00101001000121) 12() 12()2()2() 1 ()0() 1 ()0() 1 ()0() 1 ()0(ixixixixjjjjiyiyiyiy發(fā)射分集時(shí)的發(fā)射分集時(shí)的MIMO應(yīng)用應(yīng)用預(yù)編碼預(yù)編碼(續(xù)續(xù))4天線時(shí)的預(yù)編碼