1、课程目录课程目录p模块1 LTE概述p模块2 OFDM基本原理p模块3 LTE协议原理p模块模块4 MIMO基本原理基本原理p模块5 LTE基站设备p模块6 LTE基站开通与维护任务任务1 1MIMOMIMO系统概述系统概述任务任务2 2MIMOMIMO基本原理基本原理任务任务3 3MIMOMIMO的应用的应用任务任务4 4天线技术参数的概念天线技术参数的概念任务任务5 5LTELTE天线选择天线选择任务任务6 6天线的工程安装调试天线的工程安装调试目录CONTENTSCONTENTS3课程内容 MIMO技术简介技术简介 MIMO基本原理 MIMO在LTE中的应用MIMO概念MIMO技术的基本
2、出发点是将用户数据分解为多个并行的数据流，在指定的带宽内由多个发射天线上同时刻发射，经过无线信道后，由多个接收天线接收，并根据各个并行数据流的空间特性（Spatial Signature），利用解调技术，最终恢复出原数据流。 几种传输模型单输入单输出系统单输入单输出系统多输入单输出系统多输入单输出系统单输入多输出系统单输入多输出系统多输入多输出系统多输入多输出系统为什么选择MIMO技术？MIMO为无线资源增加了空间维的自由度。MIMO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。MIMO能够获得比单入单出（SISO）
3、，单入多出（SIMO）和多入单出（MISO）更高的信道容量。MIMO技术引入 在典型的信道容量曲线中，在低信噪比区域的斜率比较大，应用传输分集技术和波束赋形技术可以有效提高接收信号的信噪比，从而提高传输速率或者覆盖范围；而在高信噪比区域，容量曲线接近平坦，再提高信噪比也无法明显改善传输速率，此时即可以应用空间复用技术来提高传输速率。MIMO引入 无线通信系统可以利用的资源包括：空间、时间、频率和功率。在B3G/4G系统中，空间资源和频率资源被重新开发使用，从而大大提高了系统的性能。 多天线技术在发送端和接收端同时使用多根天线，扩展了空间域，充分利用了空间扩展所提供的特征，从而带来了系统容量的提
4、高。目前多天线技术一成为了B3G/4G系统的关键技术之一。LTE引入MIMO 为了满足LTE在高数据率和高容量方面的需求，LTE系统支持应用MIMO技术。 下行MIMO技术包括空间复用、波束赋形和传输分集，目前MIMO技术下行基本天线配置为2*2,即2天线发送和2天线接收，最大支持4天线进行下行方向传输。 上行MIMO技术包括空间复用和传输分集，目前MIMO技术上行基本天线配置为1*2,即1天线发送和2天线接收。MIMO系统模型图111211112122222212ttttrrrrtNNNNNNNN NhhhxnrhhhxnrxnrhhhMIMO系统信号模型表达式系统信号模型表达式 在无线链路
5、两端均采用多根天在无线链路两端均采用多根天线，分别同时接收与发射，能线，分别同时接收与发射，能够充分利用空间资源，在无需够充分利用空间资源，在无需增加频谱资源和发射功率的情增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。容量与可靠性。MIMO系统容量多输入单输出（MISO）系统 ：n多输入多输出（多输入多输出（MIMO）系统）系统 ：n单输入多输出（单输入多输出（SIMO）系统）系统 ：221log (1| )/ /MiiChb s Hz221log (1| )/ /NiiChb s HzN*221log det()log (1)/ /mEPMiiC
6、IHHb s HzNNMIMOMIMO系统中，系统容量随着天线数目的增加成线性增加。系统中，系统容量随着天线数目的增加成线性增加。 22log (1| | )/ /Chb s Hzn单输入单输出（单输入单输出（SISO）系统）系统 ：课程内容 MIMO技术简介 MIMO基本原理 MIMO在LTE中的应用MIMO原理接收机接收机数据流数据流编码编码编码编码信道交织信道交织信道交织信道交织QPSK16QAM调制调制QPSK16QAM调制调制DetectorDetector复用复用数据流数据流v12v21v11v22发射机发射机解复用解复用空间复用和空间分集技术能够提高速率。空间复用和空间分集技术能
7、够提高速率。MIMO关键技术：空间复用，空间分集，波束成形，层映射和预编码。关键技术：空间复用，空间分集，波束成形，层映射和预编码。 MIMO的基本模式 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、波束赋型和空间复用的结合 系统中不同的信道采用不同的模式 系统中同一信道采用不同模式的叠加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
8、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。分集技术可获得分集处理增益可获得分集处理增益提高信噪比提高信噪比易获得相对稳定的信号易获得相对稳定的信号空间空间分集分集发射发射分集分集接收接收分集分集空间分集包括发射分集和接收分集空间分集包括发射分集和接收分集优点优点n空间分集（发射分集、接收分集和接收发射分集），使用多根天线进空间分集（发射分集、接收分集和接收发射分集），使用多根天线进行发射和行发射和/或接收
9、，根据收发天线数又分为发射分集、接收分集与接收或接收，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发射分集。n发射分集：是在发射端使用多幅发射天线发射信息，通过对不同的天发射分集：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。的信噪比。空时发射分集空时发射分集STTD 循环延迟分集循环延迟分集CDD空频发射分集空频发射分集SFTD发射分集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
10、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） 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 Bl
11、ock Code，STBC）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（Cyclic Shift，循环移相）来等效实现延迟 。两天线发射分集SFBC + FSTD发射分集 2端口发射分集SFBC 4端口发射分集SFBC+FSTD 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
12、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。波束成形原理图n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，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。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。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：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。
13、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空间复用空间复用：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。 码字 层数 发射天线数 不同的数据内容 提高吞吐量 更复杂的预编码技术 码本MIMO关键技术-层映射和预编码空间复用 空间复用方式下层映射 空间复用方式下预编码 闭环空间复用预编码 开环空间复用预编码发射分集 发射分集方式下的层映射 发射分集方式下预编码 发射分集两天线预编码空间复用方式下层映射 层映射根据协议36.211，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 。协议规定：码字到层的映射可有1：1
14、，1：2，2：2，2：3，2：4。且1：2的情况只发生在P=4的条件下。空间复用方式下预编码 预编码：克服无线信道的相关性。当多路径信道在一个或多个MIMO接收机上无法提供足够的SINR（信噪比）时，预编码技术可以极大地提高系统性能。闭环空间复用预编码 无CDD时的预编码 W是阶数为P*V的预编码矩阵。 闭环空间复用需要UE反馈PMI(预编码矩阵指示),RI(秩指示)。)()()()()() 1()0() 1()0(ixixiWiyiyP开环空间复用预编码 大CDD时的预编码（开环空间复用） W是阶数为P*V的预编码矩阵，D,U为矩阵。 加入CDD之后能够人为的制造多径效应，以获得更大的增益。
15、 开环空间复用 需要UE反馈RI(秩指示)，且当RI=1时为发射分集。两天线时Codebook的索引号为0，四天线时Codebook的索引号为12-15。)()()()()()()1()0()1()0(ixixUiDiWiyiyP发射分集方式下的层映射 层映射 根据协议，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 。发射分集方式下预编码 发射分集方式的层映射要求映射层数和天线口数目相等，且层映射只有1：2和1：4，故预编码模块输入的层数也是2层或4层。 )(Im)(Im)(Re)(Re0010100
16、1000121)12()12()2()2()1()0()1()0()1()0()1()0(ixixixixjjjjiyiyiyiyLTE整个下行过程课程内容 MIMO技术简介 MIMO基本原理 MIMO在LTE中的应用 MU-MIMO：也称虚拟MIMO，用户端是两个UE实体，不增加每个用户的吞吐量，但是可以提供相对于SU-MIMO来说相当，甚至更多的小区容量 UE不需要做成高成本的多天线，但是仍然能够增加小区的容量LTE下行的SU-MIMOSU-MIMO: 空分复用空分复用两个数据流在一个两个数据流在一个TTI中传送给中传送给UESU-MIMO: 发射分集发射分集只传给只传给UE一个数据流一个
17、数据流LTE下行的MU-MIMOMU-MIMO 结合结合SDM.给每个给每个UE传送两个数据流传送两个数据流.MU-MIMO 结合发射分集结合发射分集.给每个给每个UE传送一个数据流传送一个数据流.LTE上行中的MIMOn上行支持上行支持 MU-MIMOn目前支持的配置是目前支持的配置是1x2 或或1x4.n将来支持将来支持2x2 或或4x4.LTE中7种MIMO模式6Mode 6 码本波束成形码本波束成形 提供发射分集对抗衰落提供发射分集对抗衰落提高峰值速率提高峰值速率提高系统容量提高系统容量1 Mode 1 单天线端口单天线端口2Mode 2 发射分集发射分集3Mode 3 开环空间复用开
18、环空间复用457Mode 4 闭环空间复用闭环空间复用Mode 5 多用户多用户MIMO Mode 7 非码本波束成形非码本波束成形适用于高速移动环境适用于高速移动环境适用于单天线端口适用于单天线端口提高小区覆盖，抑制干扰提高小区覆盖，抑制干扰LTE系统中MIMO模式优先级6Mode 6 码本波束成形码本波束成形 高优先级高优先级两天线高优先级，四天线中等优先级两天线高优先级，四天线中等优先级中中/低优先级低优先级1 Mode 1 单天线端口单天线端口2Mode 2 发射分集发射分集3Mode 3 开环空间复用开环空间复用457Mode 4 闭环空间复用闭环空间复用Mode 5 多用户多用户M
19、IMO Mode 7 非码本波束成形非码本波束成形两天线高优先级，四天线中等优先级两天线高优先级，四天线中等优先级单天线系统优选单天线系统优选中等优先级在四天线系统中等优先级在四天线系统优先级较低（尤其在优先级较低（尤其在TDD系统）系统）LTE传输模式-概述Mode传输模式技术描述应用场景1单天线传输信息通过单天线进行发送无法布放双通道室分系统的室内站2发射分集同一信息的多个信号副本分别通过多个衰落特性相互独立的信道进行发送信道质量不好时，如小区边缘3开环空间复用 终端不反馈信道信息，发射端根据预定义的信道信息来确定发射信号信道质量高且空间独立性强时4闭环空间复用 需要终端反馈信道信息，发射
20、端采用该信息进行信号预处理以产生空间独立性信道质量高且空间独立性强时。终端静止时性能好5多用户MIMO 基站使用相同时频资源将多个数据流发送给不同用户，接收端利用多根天线对干扰数据流进行取消和零陷。6单层闭环空间复用 终端反馈RI=1时，发射端采用单层预编码，使其适应当前的信道7单流Beamforming发射端利用上行信号来估计下行信道的特征，在下行信号发送时，每根天线上乘以相应的特征权值，使其天线阵发射信号具有波束赋形效果信道质量不好时，如小区边缘8双流Beamforming结合复用和智能天线技术，进行多路波束赋形发送，既提高用户信号强度，又提高用户的峰值和均值速率 传输模式是针对单个终端的
21、。同小区不同终端可以有不同传输模式传输模式是针对单个终端的。同小区不同终端可以有不同传输模式 eNB自行决定某一时刻对某一终端采用什么传输模式，并通过自行决定某一时刻对某一终端采用什么传输模式，并通过RRC信令通知终端信令通知终端 模式模式3到模式到模式8中均含有发射分集。当信道质量快速恶化时，中均含有发射分集。当信道质量快速恶化时，eNB可以快速切换到模式内发射分集模式可以快速切换到模式内发射分集模式波束赋型只应用于业务信道波束赋型只应用于业务信道 控制信道仍使用发射分集保证全小区覆盖（控制信道仍使用发射分集保证全小区覆盖（类比于类比于TD-SCDMA中中PCCPCH也是广播发射也是广播发射
22、）可以不需要终端反馈信道信息可以不需要终端反馈信道信息 平均路损和来波方向可通过基站测量终端发射的平均路损和来波方向可通过基站测量终端发射的SRS（Sounding Reference Signal，探测参考信号，探测参考信号，类比于类比于TD-SCDMA里的里的midamble码码）TDD的特有技术，利用上下行信道互易性得到下行信道信息两个波束传递相同信息，获得分集增益+赋型增益两个波束传递不同信息，获得复用增益+赋型增益产生定向波束，获得赋型增益定义 波束赋型是发射端对数据先加权再发送，形成窄的发射波束，将能量对准目标用户，提高波束赋型是发射端对数据先加权再发送，形成窄的发射波束，将能量对
23、准目标用户，提高目标用户的信噪比，从而提高用户的接收性能。目标用户的信噪比，从而提高用户的接收性能。特点单流beamforming双流beamformingLTE传输模式传输模式-波束赋形（波束赋形（Mode 7，8）模式1是单发单收：为的是支持传统的小区模式。模式2是发射分集：目的是提高传输的有效性，所以当你的信道不好，或者是传输重要的控制信息的时候，一般都采用发射分集；空间复用分为两种，目的都是用于提高峰值速率。只用于PDSCH模式3的主要模式是开环空间复用，原理基于大循环延迟分集，只上报RI、CQI（码本是轮询的，不上报PMI），更加稳健，用于高速场景（备用模式：RI=1时，发射分集）模
24、式4的主要模式是闭环环空间复用，用于低速场景，需要上报RI，CQI，PMI，原理是基于SVD分解（备用模式：RI=1波束赋形）模式5是MU-MIMO，大体思想是当两个用户的信道“正交”时，让它们使用共同的信道资源，提高小区的吞吐量.模式6与模式7都是波束赋形用途是提高接收信干噪比，增强小区的覆盖范围。模式6是RI=1的预编码，就是模式4的备用模式，它与模式7不同之处在于它是基于码本的波束赋形。模式7是通用波束赋形，基于上下行信道互异性之类的得出的基于非码本的的波束赋形。模式8是双流波束赋形.多路信道传输同样信息多路信道同时传输不同信息多路天线阵列赋形成单路信号传输包括时间分集，空间分集和频率分
25、集提高接收的可靠性和提高覆盖适用于需要保证可靠性或覆盖的环境理论上成倍提高峰值速率理论上成倍提高峰值速率适合密集城区信号散射多地区，不适合密集城区信号散射多地区，不适合有直射信号的情况适合有直射信号的情况波束赋形空间复用波束赋形（Beamforming）发射分集 分集合并通过对信道的准确估计，针对用户形成波束，降低用户间干扰可以提高覆盖能力，同时降低小区内干扰，提升系统吞吐量空间复用多天线技术：分集、空间复用和波束赋形多天线技术：分集、空间复用和波束赋形R9R9版本，协议规定版本，协议规定LTE, LTE, MIMOMIMO最大支持最大支持 DLDL 4 4* *4 4, ,目前设备仅支持配置
26、是目前设备仅支持配置是DL 2DL 2* *2 2 和和UL 1UL 1* *2 2。MU-MIMO：也称虚拟MIMO，用户端是两个UE实体，不增加每个用户的吞吐量，但是可以提供相对于SU-MIMO来说相当，甚至更多的小区容量UE不需要做成高成本的多天线，但是仍然能够增加小区的容量多天线技术多天线技术-MU-MIMO多天线技术多天线技术-MIMOLTE中中2T4R天线相对天线相对2T2R性能提升性能提升MIMO模式在下行物理信道的应用物理信道Mode1 Mode 2Mode3 Mode 7PDSCHPBCHPCFICHPDCCHPHICHSCHMIMO模式的应用小区边缘小区边缘小区中心小区中心
27、市区市区高速移动高速移动小区边缘小区边缘低速移动（室内）低速移动（室内）中速移动中速移动 手机自适应MIMO模式2发射分集发射分集3开环空间复用开环空间复用457闭环空间复用闭环空间复用多用户多用户MIMO非码本波束成形非码本波束成形 6码本波束成形码本波束成形移动速率改变移动速率改变秩改变秩改变与小区的相对位置改变与小区的相对位置改变移动性环境改变：模式移动性环境改变：模式2/3适用于高速移动环境，不要求终端反馈适用于高速移动环境，不要求终端反馈PMI；模式；模式4/5/6/7适用于低速移动环境，不要求终端反馈适用于低速移动环境，不要求终端反馈PMI和和RI；如果从低速移动变为高；如果从低速
28、移动变为高速移动，采用模式速移动，采用模式2和和3；如果从高速移动变为低速移动，采用模式；如果从高速移动变为低速移动，采用模式4和和6。 秩改变：秩改变：低相关性环境：如果秩低相关性环境：如果秩 = 2，采用大延迟，采用大延迟CDD和双流预编码。和双流预编码。高相关性环境：如果秩高相关性环境：如果秩 = 1，采用码本波束成形或，采用码本波束成形或SFBC。信道相关性改变：如果信道相关性从低到高变化，采用信道相关性改变：如果信道相关性从低到高变化，采用SFBC和码本波束和码本波束成形；如果信道相关性从高到低变化，采用双流预编码。成形；如果信道相关性从高到低变化，采用双流预编码。用户和小区的相对位
29、置改变：用户和小区的相对位置改变：小区中心：信噪比较高，采用双流预编码可以最大限度的提供系统容量小区中心：信噪比较高，采用双流预编码可以最大限度的提供系统容量；小区边缘：信噪比较低，采用单流预编码可以提供小区覆盖；小区边缘：信噪比较低，采用单流预编码可以提供小区覆盖；用户和小区相对位置变化：如果从小区中心向小区边缘移动，采用单流用户和小区相对位置变化：如果从小区中心向小区边缘移动，采用单流预编码，如预编码，如SFBC和码本波束成形；如果从小区边缘向小区中心移动，在秩和码本波束成形；如果从小区边缘向小区中心移动，在秩 1时时，采用双流预编码。，采用双流预编码。MIMO 的部署n场景场景 A n场
30、景场景 Bn 场景场景 C线性天线线性天线交叉极化交叉极化1 3F4 6F7 9F1012F1315F1618F1921F2224F2527F2830F3133F3436F3739F4042F4345F4648FMIMO 模式总结传输传输方案方案秩秩信道信道相关性相关性移动性移动性数据数据速率速率在小区中在小区中的位置的位置发射分集(SFBC)1低高/中速移动地小区边缘开环空间复用2/4低高/中速移动中/低小区中心/边缘双流预编码2/4低低速移动高小区中心多用户MIMO2/4低低速移动高小区中心码本波束成形1高低速移动低小区边缘非码本波束成形1高低速移动低小区边缘发射分集的应用场景 2天线天线
31、 eNB 4天线天线 eNBCase 2: Low Correlation (10 ) 适用于适用于 2GHz以上以上 频率频率Ant1Ant2Case 3: Low Correlation(两对天线间距两对天线间距4 or 10 )Ant1Ant2Ant3Ant4Case 4: High correlation (0.5 ) Ant1Ant2Ant3Ant4Case 1: Medium Correlation (4 ) Ant1Ant2MIMO系统的天线选择方案：Case 1：Case1能够满足LTE系统的基本要求；适用于大多数情况，如高/低速移动，高/低相关性信道衰落；性能较case2低；
32、适用于Mode2/3/4/5。Case 2：适用于热点区域和复杂的多径环境；能够提高系统容量；安装难度高，尤其在频率低于2GHz时；适用于模式4/5。Case 3适用于所有模式；由于有四个天线端口，同两天线端口相比，最大的优点能够提高上行覆盖范围；安装占用空间较大。Case 4适用于模式6；适用于大覆盖范围，如农村； 需要考虑LTE天线类型的选择；综上，在LTE发展初期，case1是较好的选择，它可以在大多数情况下发展LTE网络。Case2可以用在市区等数据速率要求较高的复杂多径环境下。Case3/4能够用在LTE网络发展的第二个阶段，尤其在上行链路能够提高LTE网络覆盖范围。在简单的多径环境
33、如农村，高相关性天线（case4）通常用来增加小区半径。在复杂的多路径环境如市区，低相关性天线（case1/2/3）通常用来增加峰值速率。闭环空间复用的应用场景注意注意:n支持天线端口支持天线端口 2/4; n支持支持1个码字和个码字和2个码字个码字;n要求终端反馈要求终端反馈RI和和PMI;n秩秩RANK=1 对应于对应于1个码字个码字; 秩秩RANK=2对应于两个码字对应于两个码字; n一个码字的情况被称为码本波束成形一个码字的情况被称为码本波束成形;n适用于小区中心的高信噪比用户适用于小区中心的高信噪比用户波束成形的应用场景低相关性天线低相关性天线高相关性天线高相关性天线谢谢各位！谢谢各位！
