1、 MIMO 基本原理介绍 课程目标： 了解 MIMO 的基本概念 了解 MIMO 的技术优势 理解 MIMO 传输模型 了解 MIMO 技术的典型 应用 目 录 第 1 章 系统概述 . 1 1.1 MIMO 基本概念 . 1 1.2 LTE 系统中的 MIMO 模型 2 第 2 章 MIMO 基本原理 . 5 2.1 MIMO 系统模型 . 5 2.2 MIMO 系统容量 . 6 2.3 MIMO 关键技术 . 7 2.3.1 空间复用 7 2.3.2 空间分集 9 2.3.3 波束成形 13 2.3.4 上行天线选择 14 2.3.5 上行多用户 MIMO 15 第 3 章 MIMO 的应
2、用 . 17 3.1 MIMO 模式概述 . 17 3.2 典型应用场景 19 3.2.1 MIMO 部署 . 19 3.2.2 发射分集的应用场景 21 3.2.3 闭环空间复用的应用场景 22 3.2.4 波束成形的应用场景 23 第 4 章 MIMO 系统性能分析 . 25 4.1 MIMO 系统仿真结果分析 . 25 4.2 MIMO 系统仿真结果汇总 . 27 1 第 1章 系统 概述 知识点 MIMO 基本概念 LTE 系统中的 MIMO 模型 1.1 MIMO 基本概念 多天线技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破。通常，多径效应会引起衰落，因而被视为有害因素，然而，多天线技
3、术却能将多径作为一个有利因素加以利用。 MIMO (Multiple Input Multiple output：多输入多输出 )技术利用空间中的多径因素，在发送端和接 收端采用多个天线， 如下图所示 ， 通过空时处理技术 实现分集增益或复用增益 ，充分利用空间资源，提 高 频谱利用率 。 图 1.1-1 MIMO 系统模型 总的来说， MIMO 技术的基础目的是： 提供更高的空间分集增益：联合发射分集和接收分集两部分的空间分集增益，提供更大的空间分集增益，保证等效无线信道更加“平稳”，从而降低误码率，进一步提升系统容量； 提供更大的系统容量：在信噪比 SNR 足够高，同时信道条件满足“秩 1
4、”，则可 以在发射端把用户数据分解为多个并行的数据流，然后分别在每根发送天线上进行同时刻、同频率的发送，同时保持总发射功率不变，最后，再由多元接收天线阵根据各个并行数据流的空间特性，在接收机端将其识别，并利用多用户解调结束最终恢复出原数据流。 MIMO 基本原理介绍 2 1.2 LTE 系统中的 MIMO 模型 无线通信系统中通常采用如下几种传输模型：单输入单输出系统 SISO、多输入单输出系统 MISO、单输入多输出系统 SIMO 和多输入多输出系统 MIMO。其传输模型如下图所示。 图 1.2-1 典型传输模型示意图 在一个无线通信系统中，天线是处于最前端的信号处理部分。提高天线系统的性能
5、和效率，将会直接给整个系统带来可观的增益。传统天线系统的发展经历了从单发 /单收天线 SISO，到多发 /单收 MISO，以及单发 /多收 SIMO 天线的阶段。 为了尽可能的抵抗这种时变 -多径衰落对信号传输的影响，人们不断的寻找新的技术。采用时间分集（时域交织）和频率分集（扩展频谱技术）技术就是在传统 SISO系统中抵抗多径衰落的有效手段，而空间分集（多天线）技术就是 MISO、 SIMO或 MIMO 系统进一步 抵抗衰落的有效手段。 LTE 系统中常用的 MIMO 模型有 下行 单用户 MIMO（ SU-MIMO）和 上行 多用户MIMO（ MU-MIMO）。 SU-MIMO（单用户 M
6、IMO）：指在同一时频单元上一个用户独占所有空间资源，这时的预编码考虑的是单个收发链路的性能 ，其传输模型如下图所示。 第 1 章 系统概述 3 图 1.2-2 单用户 MIMO MU-MIMO（多用户 MIMO）： 多个终端同时使用相同的时频资源块进行上行传输，其中每个终端都是采用 1 根发射天线， 系统侧接收机对上行多用户混合接收信号进行联合检测，最后恢复出各个用户的原始发射信号。上行 MU-MIMO 是大幅提高 LTE 系统上行频谱效率的一个重要手段，但是无法提高上行单用户峰值吞吐量。其传输模型如下图所示 。 图 1.2-3 多用户 MIMO 5 第 2章 MIMO 基本原理 知识点 M
7、IMO 系统模型 MIMO 系统容量 MIMO 关键技术 2.1 MIMO 系统模型 MIMO 系统在发射端和接收端均采用多天线 (或阵列天线 )和多通道， MIMO 的多入多出是针对多径无线信道来说的。 下图 所示为 MIMO 系统的原理图。 图 2.1-1 多入多出系统原理 在发射器端配置了 Nt 个发射天线，在接收器端配置了 Nr 个接收天线， xj（ j 1, 2 ,Nt ）表示第 j 号发射天线发射的信号， r i（ 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
8、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。 MIMO 系统的信号模型可以表示为： MIMO 基本原理介绍 6 写成矩阵形式为： r=Hx+n MIMO 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。 2.2 MIMO 系统容量 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。 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
9、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)公式 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 Nt /Pt 。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
10、 / 2。 则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。如果底为 e，则信道容量的单位为nats/s/Hz。 对信道矩阵进行奇异值分解，从而将信道矩阵 H 写为： H = UDVH。 第 2 章 MIMO 基本原理 7 其中， UN r N r 和 VN t N t 是酉矩阵，即满足 UUH= IN r N r， VVH = IN t N t， D = K K 0;00 = diag( 1 , 2 , , k ) K 是信道矩阵的秩， 1 2 k 0 是相关矩阵 H
11、HH 的非零特征值。这样， MIMO 系统的信道容量可以进一步描述为： 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 K min(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
12、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。 2.3 MIMO 关键技术 为了满足系统中高速数据传输速率和高系统容 量方面的需求， LTE 系统的下行MIMO 技术支持 2 2 的基本天线配置。下行 MIMO 技术主要包括：空间分集、空间复用及波束成形 3 大类。与下行 MIMO 相同， LTE 系统上行 MIMO 技术也包括空间分集和空间复用。在 LTE 系统中，应用 MIMO 技术的上行基本天线配置为 1 2，即一根发送天线和两根接收天线。考虑到终端实
13、现复杂度的问题，目前对于上行并不支持一个终端同时使用两根天线进行信号发送，即只考虑存在单一上行传输链路的情况。因此，在当前阶段上行仅仅支持上行天线选择和多用户MIMO 两种方案。 2.3.1 空间复用 空间复用的主要原理是 利用空间信道的弱相关性，通过在多个相互独立的空间信道上传输不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。 LTE 系统中空间复用技术包括：开环空间复用和闭环空间复用。 MIMO 基本原理介绍 8 开环空间复用： LTE 系统支持基于多码字的空间复用传输。所谓多码字，即用于空间复用传输的多层数据来自于多个不同的独立进行信道编码的数据流 ，每个码字可以独立地进行速率控制。 闭环空间
14、复用： 即所谓的线性预编码技术。 线性预编码技术：作用是将天线域的处理转化为波束域进行处理，在发射端利用已知的空间信道信息进行预处理操作，从而进一步提高用户和系统的 吞吐量。线性预编码技术可以按其预编码矩阵的获取方式划分为两大类：非码本的预编码和基于码本的预编码。 非码本的预编码方式：对于非码本的预编码方式，预编码矩阵中发射端获得，发射端利用预测的信道状态信息，进行预编码矩阵计算，常见的预编码矩阵计算方法有奇异值分解、均匀信道分解等，其中奇异值分解的方案最为常用。对于非码本的预编码方式，发射端有多种方式可以获得空间信道状态信息，如直接反馈信道、差分反馈、利用 TDD 信道对称性等。 基于码本的
15、预编码方式：对于基于码本的预编码方式，预编码矩阵在接收端获得，接收端利用预测的 信道状态信息，在预定的预编码矩阵码本中进行预编码矩阵的选择，并将选定的预编码矩阵的序号反馈至发射端。目前，LTE 采用的码本构建方式基于 Householder 变换的码本。 MIMO 系统的空间复用原理示意图如下所示。 图 2.3-1 MIMO 系统空间复用 原理 图 在目前的 LTE 协议中，下行采用的是 SU-MIMO。可以采用 MIMO 发射的信道有PDSCH 和 PMCH，其余的下行物理信道不支持 MIMO，只能采用单天线发射或发射分集 。 LTE 系统的空间复用原理图如下所示。 第 2 章 MIMO 基
16、本原理 9 图 2.3-2 LTE 系统空间复用原理图 2.3.2 空间分集 采用多个收发天线的空间分集可以很好的对抗传输信道的衰落。空间分集分为发射分集、接收分集和接收发射分集三种。 2.3.2.1 发射分集 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 可以 获得比单天线高的信噪比。 发射分集包含空时发射分集（ STTD）、空频发射分集（ SFBC） 和循环延迟分集 （ CDD） 几种。 1. 空时发射分集 （ STTD） ： 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
17、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。 基于发射分集的空时编码（ STC， Space-Time Coding）技术的一般结构如下图所示。 MIMO 基本原理介绍 10 图 2.3-3 空时发射分集原理图 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
18、无线信道中高可靠性的高速数据传输。 STC 的原理图如下所示。 图 2.3-4 STC 原理图 典型的有 空时格码（ Space-Time Trellis Code， STTC） 和空时块码（ Space-Time Block Code， STBC） 。 2. 空频发射分集（ SFBC）： 空频发射分集与空时发射分集类似，不同的是 SFBC 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 。 两天线 空频发射分集原理图如下所示。 第 2 章 MIMO 基本原理 11 图 2.3-5 SFBC 原理图 除两天线 SFBC 发射分集 外， LTE 协议还支
19、持 4 天线 SFBC 发射分集，并且给出了构造方法。 SFBC 发射分集方式通常要求发射天线尽可能独立，以最大限度的获取分集增益。 3. 循环延迟分集（ CDD）： 延时发射分集是一种常见的时间分集方式，可以通俗的理解为发射端为接收端人为制造多径。 LTE 中采用的延时发射分集并非简单的线性延时，而是利用 CP 特性采用循环延时操作。根据 DFT 变换特性，信号在时域的周期循环移位（即延时）相当于频域的线性相位偏移，因此 LTE 的 CDD（循环延时分集）是在频域上进行操作的。下图给出了下行发射机时域循环移位与频域相 位线性偏移的等效示意图。 循环延迟分集原理图如下所示。 MIMO 基本原理
20、介绍 12 （ a） （ b） 图 2.3-6 CDD 原理图 LTE 协议支持一种与下行空间复用联合作用的大延时 CDD 模式。大延时 CDD 将循环延时的概念从天线端口搬到了 SU-MIMO 空间复用的层上，并且延时明显增大，仍以两天线为例，延时达到了半个符号积分周期（即 1024Ts）。 目前 LTE 协议支持 2 天线和 4 天线的下行 CDD 发射分集。 CDD 发射分集方式通常要求发射天线尽可能 独立，以最大限度的获取分集增益。 第 2 章 MIMO 基本原理 13 2.3.2.2 接收分集 接收分集指 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
21、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。 接收分集原理示意图如下所示。 图 2.3-7 接收分集原理图 2.3.3 波束成形 MIMO 中的 波束成形 方式与智能天线系统中的 波束成形 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成形 ，抑制噪声和干扰。 与常规智能天线不同的是，原来的下行 波束成形 只针对一个天线，现在需要针对多个天线。通过下行 波束成形 ，使得信号在用户方向上得到加强，通过上行 波束成形 ，使得用户具有更强的抗干扰能力和抗噪能力。因此，
22、和发分集类似，可以利用额外的 波束成形 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。 波束成形原理图如下所示。 MIMO 基本原理介绍 14 图 2.3-8 波束成形原理图 典型的波束成形可以有以下两种分类方式： 1. 按照信号的发射方式分类： 传统波束成形：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成形。 特征波束成形（ 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。 2. 按反馈的信道信息分类： 瞬时信道信息反馈 信道均值信息反馈 信道协方差矩阵反
23、馈 2.3.4 上行天线选择 对于 FDD 模式，存在开环和闭环两种天线选择方案。开环方案即 UMTS 系统中的时间切换传输分集（ TSTD）。在开环方案中，上行共享数据信道在天线间交替发送，这样可以获得空间分集，从而避免共享数据信道的深衰落。在闭环天线选择方案中， UE 必须从不同的天线发射参考符号，用于在基站侧提前进行信道质量测量，基站选址可以提供更高接收信号功率的天线，用于后续的共享数据信道传第 2 章 MIMO 基本原理 15 输，被选中的天线信息需要通过下行控制信道反馈给目标 UE，最后， UE 使用被选中的天线进行上行共享数据信道传输。 对于 TDD 模式，可以利用上行与下行信道之
24、间的对称性，这样，上行天线选择可以基于下行 MIMO 信道估计来进 行。 一般来讲，最优天线选择准则可分为两种：一种是以最大化多天线提供的分集来提高传输质量；另一种是以最大化多天线提供的容量来提高传输效率。 与传统的单天线传输技术相比，上行天线选择技术可以提供更多的分集增益，同时保持着与单天线传输技术相同的复杂度。从本质上看，该技术是以增加反馈参考信号为代价而取得了信道容量提升。 2.3.5 上行多用户 MIMO 对 于 LTE 系统上行链路，在每个用户终端只有一个天线的情况下，如果把两个移动台合起来进行发送，按照一定方式把两个移动台的天线配合成一对， 它们 之间共享配对的两天线，使用相同的时
25、 /频 资源，那么这两个移动台和基站之间就可以构成一个虚拟 MIMO 系统，从而提高上行系统的容量。由于在 LTE 系统中，用户之间不能互相通信，因此，该方案必须由基站统一调度。 用户配对是上行多用户 MIMO 的重要而独特的环节，即基站选取两个或多个单天线用户在同样的时 /频资源块里传输数据。由于信号来自不同的用户，经过不同的信道， 用户间互相干扰的程度不同，因此，只有通过有效的用户配对过程，才能使配对用户之间的干扰最小，进而更好地获得多用户分集增益，保证配对后无线链路传输的可靠性及健壮性。目前已提出的配对策略如下。 正交配 对：选择两个信道正交性最大的用户进行配对，这种方法可以减少用户之间
26、的配对干扰，但是由于搜寻正交用户计算量大，所以复杂度太大。 随机配对：这种配对方法目前使用比较普遍，优点是配对方式简单，配对用户的选择随机生成，复杂度低，计算量小。缺点是对于随机配对的用户，有可能由于信道相关性大而产生比较大的干扰。 基于路径损耗和慢衰落排序的配对方法： 将用户路径损耗加慢衰落值的和进行排序，对排序后相邻的用户进行配对。这种配对方法简单，复杂度低，在用户移动缓慢、路径损耗和慢衰落变化缓慢的情况下，用户重新配对频率也会降低 ，而且由于配对用户路径损耗加慢衰落值相近，所以也降低了用户产生“远近”效应的可能性。缺点是配对用户信道相关性可能较大，配对用户之间的干扰可能比较大。 MIMO
27、 基本原理介绍 16 综上， MIMO 传输方案的应用可以概括为下表。 表 2.3-1 MIMO 传输方案应用 传输方案 秩 信道相关性 移动性 数据速率 在小区中的位置 发射分集 (SFBC) 1 低 高 /中速移动 低 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 MIMO 2/4 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 理论上，虚拟 MIMO 技术可以极大低提高系统吞吐量，但是实际配对策略以及如何有效地为配对用户分配资
28、源的问题，都会对系统吞吐量产生很大的影响。因此，需要在性能和复杂度两者之间取得一个良好的折中，虚拟 MIMO 技术的优势才能充分发挥出来。 17 第 3章 MIMO 的应用 知识点 MIMO 在 LTE 系统 中的应用 MIMO 的几种典型应用场景 3.1 MIMO 模式概述 LTE 中主要有 7 种 MIMO 模式， MODE1 7。 7 种模式描述如下表所示。 表 3.1-1 7 种 MIMO 模式 传输模式 DCI 格式 搜索空间 PDSCH 对应的 PDCCH 传输方案 Mode 1 DCI format 1A Common and UE specific by C-RNTI Sing
29、le-antenna port, port 0 DCI format 1 UE specific by C-RNTI Single-antenna port, port 0 Mode 2 DCI format 1A Common and UE specific by C-RNTI Transmit diversity DCI format 1 UE specific by C-RNTI Transmit diversity Mode 3 DCI format 1A Common and UE specific by C-RNTI Transmit diversity DCI format 2A
30、 UE specific by C-RNTI Large delay CDD or Transmit diversity Mode 4 DCI format 1A Common and UE specific by C-RNTI Transmit diversity DCI format 2 UE specific by C-RNTI Closed-loop spatial multiplexing or Transmit diversity Mode 5 DCI format 1A Common and UE specific by C-RNTI Transmit diversity DCI
31、 format 1D UE specific by C-RNTI Multi-user MIMO Mode 6 DCI format 1A Common and UE specific by C-RNTI Transmit diversity DCI format 1B UE specific by C-RNTI Closed-loop spatial multiplexing using a single transmission layer Mode 7 DCI format 1A Common and UE specific by C-RNTI If the number of PBCH
32、 antenna ports is one, Single-antenna port, port 0 is used, otherwise Transmit diversity DCI format 1 UE specific by C-RNTI Single-antenna port; port 5 MIMO 基本原理介绍 18 7 种模式的特点如下： MODE1：单天线模式， MODE2： Alamouti 码发射分集方案。 MODE3：开环空间复用，适 用于高速移动模式。 MODE4：闭环空间复用，适用于低速移动模式。 MODE5：支持两 UE 的 MU-MIMO。 MODE6： Ran
33、k1 的闭环发射分集，可以获得较好的覆盖。 MODE7： Beam-forming 方案。 7 种 MIMO 模式在下行物理信道的应用情况如下表所示。 表 3.1-2 MIMO 模式在下行物理信道的应用 物理信道 Mode1 Mode 2 Mode3 Mode 7 PDSCH PBCH PCFICH PDCCH PHICH SCH Mode1 2 适用于 PDSCH、 PBCH、 PCFICH、 PDCCH、 PHICH 和 SCH 下行物理信道； Mode3 7 适用于 PDSCH 下行物理信道。 MIMO 系统模式选择说明： 模式 2，发射分集： 主要用于对抗衰落，提高信号传输的可靠性，适
34、用于小区边缘用户。 模式 3，开环空间复用：针对小区中心用户，提高峰值速率，适用于高速移动场景。 模式 4，闭环空间复用： 2 码字：高峰值速率，适用于小区中心用户； 1 码字：增加小区功率和抑制干扰，适用于小区 边缘用户。 模式 5，多用户 MIMO：提高系统容量；适用于上行链路传输；适用于室内覆盖。 第 3 章 MIMO 的应用 19 模式 6, 闭环秩 =1 预编码：增强小区功率和小区覆盖，适用于市区等业务密集区。 模式 7，单天线端口，端口 5：无码本波束成形 ; 适用于 TDD;增加小区功率和抑制干扰，适用于小区边缘用户。 某些环境因素的改变， 导致手机 需要自适应 MIMO 模式
35、，具体影响因素如下 ： 1. 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 PMI；模式 4/5/6/7 适用于低速移动环境，不要求终端反馈 PMI 和 RI；如果从低速移动变 为高速移动，采用模式 2 和 3；如果从高速移动变为低速移动，采用模式 4 和 6。 2. 秩改变： 低相关性环境：如果秩 = 2，采用大延迟 CDD 和双流预编码。 高相关性环境：如果秩 = 1，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 SFBC 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。 3. 用户和小区的相对位置改变： 小区中心：信噪
36、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； 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 SFBC 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，采用双流预编码。 3.2 典型应用场景 3.2.1 MIMO 部署 MIMO 部署的几种典型场景如下图所示。 MIMO 基本原理介绍 20 图 3.2-1 MIMO 的部署 场景 A： 适用于 覆盖范围广 的地区 ，如农村或交通公路； 简单的多径环境； 采用模式 6 码本波束成形； 保持半波长间距的四根发射天线； 增加约 4db 链路预算。 场景
37、 B： 适用于 市区 、 郊区 、 热点地区 和 多 径环境 ； 更注重发射能力 ，而 非 覆盖 ； 2 / 4 传输交叉极化天线 ； 低流动性：模式 4 闭环空间复用； 高流动性：模式 3 发射分集。 场景 C： 适用于 室内覆盖； 第 3 章 MIMO 的应用 21 采用 模式 5 多用户 MIMO； 在室内覆盖情况下，多用户 MIMO 和 SDMA 原理 类似； 由于不同楼层之间的相关性较低，多个用户可以在不同楼层使用相同的无线资源。 3.2.2 发射分集的应用场景 MIMO 系统的天线选择方案如下图所示。 图 3.2-2 MIMO 系统的天线选择方案 MIMO 系统的天线选择方案： C
38、ase 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； 适用于 Mode2/3/4/5。 Case 2： 适用于热点区域和复杂的多径环境； MIMO 基本原理介绍 22 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，
39、 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 。 3.2.3 闭环空间复用的应用场景 闭环空间复用的实现原理如下图所示。 图 3.2-3 闭环空间复用 实现 原理 闭环空间复用适用于： 低速移动终端； 第 3 章 MIMO 的应用 23 带宽有限系
40、统（高信噪比，尤其在小区中心）； UE 反馈 PMI 和 RI； 复杂的多径环境； 天线具有低互相关性（天线间距 10 ）。 说明： 预编码矩阵指示（ Pre-coding Matrix Indicator； PMI）是指仅在闭环空间复用这种发射模式下，终端（ UE）告诉基站（ eNode B）应使用什么样的预编码矩阵来给该 UE 的 PDSCH 信道进行预编码。 秩指示（ Rank Indicator； RI）是指在（开环、闭环）空间复用这 2 种发射模式下，关于信道冲激响应（ H）的秩（ Rank）。即， RI=Rank(H)。 3.2.4 波束成形的应用场景 波束成形的应用场景如下图所示
41、。 图 3.2-4 波束成形应用场景 低互相关性天线： 天线间距较远且有不同的 极化 方向 ; 天线 权重 包括相位和振幅 ； MIMO 基本原理介绍 24 对发送信号进行相位旋转以补偿信道相位，并确保接收信号的相位一致； 可以为信道条件较好的天线分配更大功率； 模式 - 7，非码本 波束成形。 高互相关性天线： 天线间距较小 ； 不同天线端口的天线权重和信道衰落相同 ； 不同相位反转到终端的方向； 适用于大区域覆盖； 通过增强接收信号强度来对抗信道衰落； 模式 -6，码本波束成形。 波束成形是 在发射端将待发射数据矢量加权，形成某种方向图后 发送到 接收端 。 在下行链 路提供小区边缘速率：
42、增加信号发射功率，同时抑制干扰； 无码本波束成形： 基于测量的方向性和上行信道条件，基站计算分配给每个发射机 信号的 控制 相位 和 相对 振幅 ； 基于码本的波束成形：该机制和秩 =1 的 MIMO 预编码相同。 UE 从码本中选择一个合适的预编码向量，并上报预编码指示矩阵给基站。 波束成形应用场景： 天线具有高互相关性； 适用于简单的多径环境中，如农村； 跟空间复用相比，波束成形适合于干扰较小的环境。 25 第 4章 MIMO 系统性能分析 知识点 了解不同 MIMO 模式下的系统性能 4.1 MIMO 系统仿真 结果分析 Case 1 仿真条件： 一个发射天线，两个接收天线，即 1T2R
43、； 接收天线配置： 0.5 ； 频域带宽： 10 MHz; 频率复用 1； Marco ISD 500 m。 Case1 仿真结果如下图所示。 图 4.1-1 Case1 仿真结果 Case 2 仿真条件： 两个发射天线，两个接收天线，即 2T2R； eNodeB 天线配置：交叉极化； UE 天线配置： 0.5 ； MIMO 基本原理介绍 26 秩 自 适应 ： RI=1 单流； RI1 双流 。 Case2 仿真结果如下图所示。 图 4.1-2 Case2 仿真结果 Case 3 仿真条件： 四个发射天线，两个接收天线，即 4T2R； eNodeB 天线配置： 10 在两个交叉极化对之间 ；
44、 UE 天线配置： 0.5 ； 秩自适应： RI=1 单流； RI1 双流 。 Case3 仿真结果如下图所示。 第 4 章 MIMO 系统性能分析 27 图 4.1-3 Case3 仿真结果 三种场景下的 MIMO 仿真结果对比如下图所示。在实际应用中可以根据应用场景和需求灵活配置。 图 4.1-4 MIMO 仿真结果 对比 4.2 MIMO 系统仿真结果汇总 下表对不同仿真条件下的 MIMO 系统仿真结果进行了汇总。 表 4.2-1 MIMO 系统仿真结果汇总表 仿真条件 频率复用系数 小区平均吞吐量 频谱 效率 小区边缘速率 小区边缘频谱效率 Case 1 43dBm/Antenna M
45、acro ISD 1 8.5631 1.5774 0.2751 0.0507 MIMO 基本原理介绍 28 仿真条件 频率复用系数 小区平均吞吐量 频谱 效率 小区边缘速率 小区边缘频谱效率 =500m,10,2*2MIMO,Rank Adaptive,20dB, 3km/h Case 2 33dBm/Antenna Macro ISD = 500m,4TxBF,Single Stream,20dB, 3km/h 1 13.9773 2.5747 0.9195 0.1694 Case 3 33dBm/Antenna Macro ISD 500m,4TxBFprecoding, Dual Str
46、eam,20dB, 3km/h 1 13.4308 2.4741 0.8935 0.1646 Case 1 43dBm/Antenna Macro ISD = 500m,2*2MIMO,Rank Adaptive,20dB, 3km/h 3 21.7142 1.3333 1.0842 0.0666 Case 2 33dBm/Antenna Macro ISD = 500m,4TxBF,Single Stream,20dB, 3km/h 3 18.6087 1.1426 1.9028 0.1168 Case 3 33dBm/Antenna Macro ISD =500m,4TxBF,precoding,Dual Stream,20dB, 3km/h 3 28.6932 1.7619 2.2303 0.1366 频率复用系数（ Frequency reuse） = 1，可以被看作是干扰受限环境。尤其在小区边缘，波束成形可以提高 UE 的接收机功率，同时抑制干扰。在这种环境下，波束成形比 MIMO 预编码技术性能好。 频率复用系数（ Frequency reuse） = 3，可以被看作是带宽受限环。尤其在小区边缘， MIMO 双流比单流更能提高峰值速率。在这种环境下， MIMO 比波束成形性能好。
